직접 에너지 증착(DED):프로세스, 이점 및 제한 사항

지향성 에너지 증착이라고도 하는 직접 에너지 증착(DED)은 적층 제조(3D 프린팅)에 대한 특별한 접근 방식입니다. 이는 원재료의 한 지점에 에너지원을 보내 소량의 용융물을 만든 다음 이 용융물에 공급 재료를 추가하여 부품에 새로운 재료를 증착합니다. 사용 가능한 DED 에너지원, 다양한 공급 시스템, 장점과 단점에 대한 자세한 내용은 아래에 설명되어 있습니다.

직접 에너지 증착(DED)이란 무엇인가요?

직접(또는 지향) 에너지 증착(DED)은 적층 제조(3D 프린팅) 방법입니다. 에너지원이 한 지점으로 향하고 공급 재료가 동일한 지점으로 유입되어 공작물에 쌓일 수 있습니다. 이는 금속 와이어를 주 구성 요소에 녹여(증착)시키는 로봇 용접과 일부 유사합니다. DED 장치는 전자빔, 레이저 또는 전기 아크를 사용하여 용융 풀을 형성할 수 있습니다. 새로운 재료는 와이어 필라멘트나 분말 형태로 나올 수 있습니다.

직접 에너지 증착(DED)은 어떻게 작동하나요?

직접 에너지 증착은 제조된 부품의 특정 영역을 용융 온도까지 가열한 다음 공급 재료를 추가하는 방식으로 작동합니다. 프린트 헤드는 제작 경로를 따라 이동하고, 용융물은 본체에 증착된 공급 재료와 함께 응고됩니다. 

지향성 에너지원(레이저, 전자빔 또는 전기 아크)은 프린트 헤드의 중앙에 위치하며 공급 재료는 이에 인접해 있습니다. 공급물질은 와이어 필라멘트나 분말 형태로 공급될 수 있다. 필라멘트는 에너지원의 초점에서 녹도록 비스듬히 공급됩니다. 반면, 분말은 에너지원을 중심으로 동심원으로 배열된 노즐을 통해 불활성 가스에 의해 운반되어 녹는점을 향하게 됩니다.

프린트 헤드에는 여러 개의 이동 평면이 있습니다. 다축 CNC 헤드나 관절형 로봇 팔에 장착할 수 있습니다. 자세한 내용은 적층 제조 유형에 대한 가이드를 참조하세요.

DED 기술을 사용하면 어떤 이점이 있나요?

DED 기술을 사용하면 여러 가지 이점이 있습니다:

1. 상대적으로 큰 빌드 볼륨: DED 기계의 프린트 헤드는 일반적으로 다축 CNC 헤드 또는 관절식 암에 장착되기 때문에 다른 3D 프린팅 방법(특히 금속으로 작업하는 방법)에 비해 상당히 넓은 영역을 커버할 수 있습니다. 인쇄물은 1제곱미터를 초과할 수 있습니다. 
2. 다양한 자료: 많은 공급 재료는 DED 제작과 호환됩니다. 이는 분말 혼합이나 다중 필라멘트 공급을 통해 도입될 수 있습니다. 실제로 재료 구성은 빌드 중에 변경될 수 있습니다.
3. 재료 낭비 감소: 파우더 베드 융합에 비해 프린팅을 완료하기 위해 적용해야 하는 과잉 공급 재료가 적습니다.
4. 입자 구조 제어: DED를 사용하면 증착된 재료의 입자 구조를 어느 정도 제어할 수 있습니다. 프린트 헤드의 속도를 조정하여 냉각 시간을 제어할 수 있습니다.
5. 복구에 사용할 수 있음: DED는 대부분의 3D 프린팅 프로세스처럼 처음부터 새로운 부품을 만드는 데 국한되지 않습니다. 기계는 기존 부품에 직접 재료를 증착할 수도 있습니다. 이는 DED를 사용하여 손상되거나 마모된 구성 요소를 수리할 수 있음을 의미합니다.

DED 기술 사용의 단점은 무엇입니까?

DED는 기술에 몇 가지 단점이 있으므로 모든 경우에 이상적인 솔루션은 아닙니다.

1. 낮은 해상도: 일반적으로 DED 기술은 낮은 세부 해상도에서만 기능을 생성할 수 있습니다. 이는 피드 와이어 두께와 용융 풀 크기의 함수입니다. 해상도는 인쇄 속도에 따라서도 달라집니다. 인쇄 속도가 빨라질수록 해상도는 낮아집니다.
2. 높은 자본 비용: DED 장치는 비싸다. 대부분 밀봉된 인쇄 챔버, 진공 또는 불활성 가스 시스템, 분말 공급 시스템을 위한 파우더룸 등과 같은 복잡한 시스템이 필요합니다. 이는 비교적 새로운 기술이므로 아직 비용 절감 개선을 많이 받지 못했습니다. 
3. 후처리: DED 기술로 제조된 부품은 일반적으로 우수한 표면 마감을 얻기 위해 후처리가 필요합니다. 이는 일반적으로 과도한 증착을 제거하고 매끄럽고 일관된 표면을 만들기 위해 약간의 가벼운 기계 가공 및 연마의 형태로 이루어집니다.

DED에는 어떤 재료를 사용할 수 있나요?

DED는 다양한 소재로 프린팅이 가능합니다. DED 기술에 사용되는 대부분의 재료는 티타늄 및 티타늄 합금, Inconel®, 탄탈륨, 텅스텐 및 일부 스테인리스강과 같은 금속입니다.

특정 비금속은 DED 기계에서도 작동합니다. 탄소 필라멘트가 열가소성 폴리머에 놓이는 일종의 탄소 섬유를 인쇄할 수 있습니다. 알루미나와 지르코니아 세라믹도 DED와 잘 어울립니다.

DED의 예시 애플리케이션은 무엇인가요?

금속 및 기타 재료를 사용한 적층 제조를 통해 DED는 다양한 응용 분야에 적합할 수 있으며 그 중 일부는 다른 3D 프린팅 방법에 대한 옵션이 아닙니다. 

1. 기존 부품 수리: DED 기술의 주요 목적은 금속 부품을 수리하는 것입니다. 이 방법은 복잡한 표면에 새로운 물질을 증착할 수 있습니다. 속도와 에너지원을 조정하면 증착된 재료의 입자 구조를 원래 부품의 입자 구조와 일치하도록 제어하는 ​​것도 가능합니다. 따라서 DED는 터빈 블레이드와 같은 고가의 부품을 수리하는 데 사용됩니다.
2. 거의 그물 모양: DED는 계획된 치수에 매우 가까운 부품을 제조할 수 있습니다. 이는 이색적이고 고가의 재료나 절단 및 기계 가공이 매우 어려운 재료를 제조할 때 매우 유용합니다.
3. 복합 또는 하이브리드 부품: DED는 동시에 다양한 재료로 프린트할 수 있는 기능을 제공합니다. 호환 가능한 재료의 혼합이 인쇄된 항목에 포함될 수 있으며 그 구성은 인쇄 전반에 걸쳐 다양할 수도 있습니다.

DED 부품의 품질에 영향을 미치는 요소는 무엇입니까?

DED의 인쇄 품질은 완제품의 유용성에 매우 중요합니다. 다음 요소는 품질에 영향을 미칩니다:

1. 다공성: 증착된 재료의 다공성은 약점을 초래합니다. 기공은 본질적으로 내부 결함입니다. 수분을 차단하기 위해 분말 공급물을 건조시키고 보호 가스를 적절하게 사용하여 다공성을 최소화해야 합니다.
2. 스캔 속도: 헤드가 빌드 경로를 따라 이동하는 속도는 용융 풀의 크기, 냉각 속도 및 그에 따른 입자 구조에 영향을 미칩니다. 종합해보면, 이 모든 것이 부품의 품질에 영향을 미칩니다. 최적의 속도는 사용된 재료와 원하는 입자 구조에 따라 달라집니다.
3. 전력: 에너지원이 제공하는 전력은 용융물에 직접적인 영향을 미치며 스캔 속도와 관련됩니다. DED 프린트 헤드가 제작 경로를 따라 움직이는 동안에도 호스트 재료를 적절하게 녹이려면 구성 요소로의 에너지 전달이 충분해야 합니다. 전력이 충분하지 않으면 인쇄 품질이 좋지 않습니다. 

DED 기술 구현 시 일반적인 과제는 무엇입니까?

DED 기술은 복잡하고 구현하기 어렵습니다. 

1. 높은 자본 비용: DED 기술 구현의 주요 장벽 중 하나는 이를 설정하는 데 필요한 대규모 초기 투자입니다. 
2. 숙련된 기술자 부족: DED 시스템을 효율적이고 정확하게 운영하려면 숙련되고 경험이 풍부한 운영자가 필요합니다. 이 분야는 성장하는 분야이기 때문에 숙련된 기술자를 구하기가 어렵습니다. 새로운 직원을 채용하는 대신 사내 직원을 교육하는 방법을 선택할 수도 있지만 이는 여전히 빠르지도 저렴하지도 않습니다. 
3. 새로운 디자인 접근 방식: DED 기술을 사용하여 제작할 구성 요소를 설계할 때는 항상 프린트 헤드가 움직이는 방식을 고려해야 합니다. 처음부터 해당 용도로 설계되지 않은 경우 DED로 제조되기 전에 많은 부품을 재설계해야 합니다. 이 프로세스에는 매번 노력과 작업 시간이 추가됩니다.
4. 표준 부재: 일반적으로 적층 제조는 여전히 상대적으로 새로운 기술이며 매년 새로운 기술 접근 방식이 개발되고 있습니다. 이러한 시스템의 디지털 정보 관리, 설계 또는 제조 프로세스에는 표준화가 거의 없습니다.

DED 장비를 선택할 때 무엇을 고려해야 합니까?

어떤 DED 장치를 구매할지 결정하려면 상당한 양의 조사와 고려가 필요합니다. DED 장비를 선택할 때 조사해야 할 주요 측면이 많이 있습니다:

1. 재료 호환성: 결정에서 가장 중요한 부분은 장비에서 인쇄할 자료가 무엇인지입니다. 세라믹을 인쇄할 수 있는 기계는 금속에만 사용되는 기계와 크게 다릅니다. 
2. 빌드 볼륨: 또 다른 주요 고려 사항은 제조할 것으로 예상되는 가장 큰 구성 요소입니다. 이는 DED 장비의 전체 ​​빌드 볼륨을 결정합니다. 
3. 정밀도: 계획 중인 부품 유형과 후처리에 따라 정밀도를 기준으로 장비를 선택해야 할 수도 있습니다. 더 크고 빠른 기계와 더 나은 정밀도를 갖춘 기계 사이의 절충안을 따져봐야 할 수도 있습니다. 

DED는 기존 제조 방법과 어떻게 비교됩니까?

DED는 대부분의 표준 제조 옵션보다 최종 형상(순 형상에 가깝음)에 훨씬 가까운 구성 요소를 제작할 수 있습니다. 따라서 완제품을 완성하는 데 훨씬 적은 양의 재료를 사용합니다. 전통적인 제조 방법에는 절삭 가공 방법을 사용하여 조각된 원재료 블록이 필요합니다. 최종 부품에 도달하기 위해 재료를 제거합니다. 이러한 재료 제거는 절단 및 부스러기로서 많은 재료 폐기물을 생성합니다. 따라서 DED는 재료 사용 측면에서 기존 방법보다 효율적입니다.

DED 공정은 프린트 헤드의 다축 이동과 한 번에 한 레이어씩 점진적으로 구성 요소를 만드는 특성 덕분에 더 복잡한 부품을 생성할 수도 있습니다. 전통적으로 제조된 품목은 기하학적 측면에서 더 제한적입니다. 일반적으로 복잡한 부품은 나중에 조립할 수 있도록 일련의 작은 부품으로 제작해야 합니다. 

DED 기술에 대한 환경 문제는 무엇입니까?

적층 제조가 전체적으로 환경에 미치는 영향은 아직 조사 중입니다. DED를 포함한 적층 제조 기술과 관련된 가장 일반적인 환경 문제는 높은 에너지 수요입니다. 가장 효율적인 제조 공정(일반적인 절삭 방법과 최신 적층 공정 중에서)의 선택은 제조할 부품의 복잡성과 부피에 따라 달라집니다.

DED의 유형은 무엇인가요?

현재 DED 기술에는 세 가지 변형이 있습니다. 원료를 녹이는 데 사용되는 에너지원에 따라 분류됩니다:

1. 플라즈마 또는 전기 아크 기반 DED

프린트 헤드와 작업물 사이에 전기 아크가 생성됩니다. WAAM(와이어 아크 적층 제조)은 주요 아크 기반 방법 중 하나입니다. 

2. 레이저 기반 DED

이 변형에서는 광학 레이저가 에너지원으로 사용되며 LENS(레이저 엔지니어링 네트 성형)라고도 합니다. 네트 형태 제조는 원래 제조된 부품이 완성된(네트) 치수와 매우 유사하다는 것을 의미합니다. LENS를 사용하면 산화를 방지하기 위해 재료 증착이 불활성 환경에서 이루어져야 합니다. 이는 제조 챔버가 불활성 가스로 완전히 퍼지되어야 하거나 보호 가스 공급이 증착 지점 주변의 슈라우드처럼 지속적으로 흘러야 함을 의미합니다.

3. 전자빔 기반 DED

전자빔 적층 제조(EBAM)라고 알려진 접근 방식에서 공급물을 녹이는 에너지를 제공하는 데 전자빔이 사용됩니다. 이 DED 과정은 전자가 공기 분자와 상호 작용하는 것을 방지하기 위해 진공 상태에서 이루어져야 합니다.

DED 피드 유형은 무엇인가요?

각 DED 장치는 두 가지 공급 방법 중 하나를 사용하여 부품 표면에 재료를 전달합니다. 

1. 분말 기반 DED

분말 공급의 경우 에너지원을 제공하는 노즐에는 분말을 증착 지점으로 보내는 동심원으로 배열된 재료 공급 노즐도 포함되어 있습니다. 불활성 가스 흐름은 분말을 전달하는 데 사용되며, 불활성 가스는 용융된 재료와 주변 사이의 산화 또는 기타 화학 반응을 억제하는 역할도 합니다. 

2. 유선 기반 DED

와이어 기반 DED는 공급 재료가 와이어 필라멘트로 제공된다는 점에서 용접과 유사합니다. 이 와이어는 에너지원 옆에서 비스듬히 공급되며 증착 속도에 따라 일정한 속도로 공급됩니다.