금속 적층 제조:알아야 할 사항

적층 제조는 20세기 후반에 상업이 시작된 이후 제조 산업을 변화시켰습니다. 적층 공정이 계속해서 업계를 강타함에 따라 Metal AM 및 공정의 수많은 응용 프로그램은 생산을 위한 제조의 최전선으로 이동하고 있습니다.

개방형 재료 플랫폼과 더 빠른 인쇄 속도를 갖춘 새로운 Metal AM 기계의 출시에 힘입어 Metal AM 시스템의 판매가 급증하고 있으며 이 부문은 2024년까지 거의 40억 달러의 매출 기회를 창출할 것으로 예상됩니다. 금속 적층 제조의 발전이 계속됨에 따라 이것이 중요합니다. Metal AM의 이점과 프로세스의 수많은 응용 프로그램이 제조의 면모를 어떻게 변화시키고 있는지 알 수 있습니다.

빠른 링크:

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금속 적층 제조의 역사

금속 적층 제조/3D 프린팅 공정

금속 적층 제조 기술

금속 AM 기술의 장점

CMTC를 통해 캘리포니아 시설에서 적층 제조 활용

금속 적층 제조의 역사

적층 제조 공정은 더 빠른 제품 개발 방법이 도입되면서 1980년대 중반으로 그 뿌리를 찾을 수 있습니다. 원래 Rapid prototyping이라고 불리는 이 프로세스는 모델의 적합성과 기능을 테스트하기 위해 더 빠른 프로토타입을 만들기 위해 차원 모델을 생성할 수 있었습니다.

1987년까지 SLA(Stereolithography)로 알려진 새로운 플라스틱 가공 기술이 상용화되어 적층 제조 분야의 첫 번째 특허가 되었습니다. SLA를 통해 제조업체는 레이저로 UV 광에 민감한 액체 폴리머를 고형화하여 그 어느 때보다 빠르게 3D 모델을 생성할 수 있습니다. 적층 공정의 이 이정표는 제조업체, 엔지니어 및 설계자에게 이전보다 더 효율적으로 제품을 생성할 수 있는 새로운 기회를 제공했습니다.

1990년대 초에 이르러 다른 폴리머 기반 적층 제조 공정이 상업적으로 이용 가능하게 되었습니다. 1992년에는 레이저를 이용하여 분말 재료를 고체로 융합시키는 선택적 레이저 소결(SLS)이 가능해졌습니다. 얼마 지나지 않아 금속 적층 제조가 특허를 받아 시장에 출시되었습니다. 다른 적층 제조 공정과 마찬가지로 이 기술은 금속 프로토타입, 제품 및 도구의 신속한 생산을 가능하게 했습니다. 금속 적층 제조 공정의 도입으로 원하는 금속 분말을 소결하여 금속 부품을 제조할 수 있게 되었지만, 최종 결과는 낮은 융점을 가진 재료가 이제 다음과 같은 고저항 금속과 결합될 수 있기 때문에 합금보다는 복합 재료에 더 유사한 재료가 되었습니다. 스테인레스 스틸로.

금속 적층 제조 및 3D 프린팅 공정

적층 제조 공정은 금속, 플라스틱 또는 세라믹 등의 재료를 레이어별로 추가하여 물체를 생성합니다. 적층 제조는 기계가공, 절단, 선삭, 성형, 밀링 및 기타 "차감" 제조 공정을 통해 물체를 생성하는 기존 방법을 보강하고 경우에 따라 이를 대체할 수 있습니다.

적층 가공을 사용하여 개체를 만들기 위해 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어를 사용하거나 인쇄할 개체를 스캔하여 디자인을 만듭니다. 이 소프트웨어는 스캔을 3D 프린팅 기계가 레이어별로 따라갈 수 있는 정확한 프레임워크로 변환할 수 있습니다.

금속 3D 프린팅이라고도 하는 금속 적층 제조는 적층 제조 공정을 금속에만 적용합니다. 금속 분말을 에너지원 또는 결합제로 적층함으로써 정밀한 물체를 설계하고 구성할 수 있습니다. 적층 제조 기계의 발전으로 몇 년 전만 해도 만들 수 없었던 물체를 다양한 재료를 사용하여 새로운 강도와 표준으로 제조할 수 있습니다.

적층 제조 기술에 사용할 수 있는 광범위한 금속 분말은 지속적으로 확장되고 있습니다. 가장 일반적인 금속 재료에는 스테인리스강 등급, 니켈, 코발트-크롬, 티타늄 합금 및 알루미늄이 포함됩니다. 계속해서 증가하는 건축 자재의 범위를 통해 제조업체는 대상의 정확한 사양과 기대에 맞는 올바른 자재를 선택할 수 있습니다.

금속 적층 제조 기술

금속 적층 제조 방법은 바인더, 가열 노즐 또는 레이저를 포함하여 금속을 접합하는 데 사용되는 공정으로 분류할 수 있습니다. 다음은 가장 일반적인 금속 적층 제조 기술 중 일부입니다. 사용된 기술에 따라 결과로 인쇄된 부품은 그물 모양 또는 그물에 가까운 모양이 될 수 있습니다.

레이저 기반 분말 베드 첨가제

PBF(Powder Bed fusion) 방법은 레이저 또는 전자빔을 사용하여 금속 분말을 녹이고 고체로 융합합니다. 이 기술에는 전자빔 용융(EBM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 선택적 열 소결(SHS) 및 선택적 레이저 용융(SLM)과 같은 금속 적층 제조 방법이 포함됩니다. 선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 전원으로 사용하여 분말 재료를 소결하는 추가 기술이지만 금속보다는 폴리머가 SLS에서 일반적으로 사용됩니다.

방법에 관계없이 모든 레이저 기반 분말 베드 기술은 롤러 또는 블레이드를 통해 이전 레이어 위에 금속 분말을 퍼뜨려야 합니다. 이 적층 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 금속은 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 강철, 코발트 크롬 및 구리입니다.

금속 바인더 분사

이 금속 적층 제조 방법은 2차원 잉크젯 프린터와 유사합니다. 금속 분말을 빌드 플랫폼에 분사하여 연속 또는 주문형 드롭(DOD) 접근 방식을 사용하여 개체를 인쇄합니다. 액체 바인더를 적용하여 분말을 층별로 결합하여 원하는 물체를 만듭니다. 방금 인쇄된 부품은 처음에는 깨지기 쉬우며 강화하려면 후처리 소결 및 침투가 필요합니다. 최종 결과는 부품이 연마되거나 니켈 또는 금으로 도금되는 선택적 마무리 공정을 거칠 수 있습니다.

바인더 분사의 독특한 이점 중 하나는 잔류 응력 축적으로 이어질 수 있는 금속 분말의 용융을 제거한다는 것입니다. 또한 가장 저렴한 금속 적층 제조 기술 중 하나입니다.

시트 적층

이 방법은 결합, 초음파 용접 또는 납땜을 통해 재료 시트를 레이어별로 결합하여 물체를 만듭니다. 시트 적층 방법은 저온 공정이며 서로 다른 재료를 결합할 수 있습니다. 일반적으로 시트 적층 방법은 구조적 용도보다는 시각적 및 미적 모델을 위한 것입니다.

지향 에너지 증착

보다 복잡한 3D 프린팅 공정인 이 방법은 이름에서 알 수 있듯이 레이저나 전자빔과 같은 집중된 에너지원이 건축 자재에 전달되어 건축 자재를 녹이는 동시에 층별로 적층되는 방식으로 작동합니다. 이 기술은 일반적으로 기존 구조를 수리하거나 추가 재료를 추가하는 데 사용됩니다. DED(Directed Energy Deposition)는 가열된 노즐을 사용하여 용융된 재료(일반적으로 티타늄 또는 코발트 크롬)를 응고되는 지정된 표면에 증착합니다.

메탈 AM 기술의 장점

지난 수십 년 동안 적층 제조 기술은 제조 부문 전체에 혁명적인 영향을 미쳤습니다. 조립품을 통합하는 이러한 기능(결합하거나 고정해야 하는 여러 부품 대신 부품을 단일 단위로 인쇄)은 재료 낭비를 줄이고 일반적으로 제품의 전반적인 품질과 성능을 향상시킵니다. 이러한 폐기물 절약 이점 외에도 금속 AM 방법은 다음과 같은 고유한 이점을 제공합니다.

복잡성은 "무료"입니다.

기존의 절삭 제조 공정을 사용할 때 부품 설계의 복잡성이 증가하면 절삭 밀링, 윤곽 가공 및 마무리 작업이 점점 더 많이 필요하기 때문에 비용이 증가하게 됩니다. Additive를 사용할 때 설계의 복잡성으로 인해 비용이 거의 추가되지 않고 종종 부품 비용이 절감됩니다. 예를 들어, 부품이 각형 부품인 경우(단단한 직사각형 블록) 거의 그물 모양의 빌렛에서 밀링하는 것은 간단하고 밀링에서 몇 번의 패스가 필요하므로 비용이 저렴합니다. 첨가제를 사용하여 블록을 인쇄하려면 모양을 만드는 데 필요한 양의 재료를 증착하기 위해 기계에서 여러 번 통과해야 하므로 훨씬 더 높은 비용이 발생합니다. 그러나 부품이 유기적 형태인 경우(나무 뿌리 구조처럼 보이는 버팀대를 생각하십시오) 밀링에는 맞춤 고정 고정구와 많은 기계 패스가 필요할 수 있으며 종종 여러 도구 변경과 광범위한 도구 경로 코딩이 모두 높은 비용으로 이어집니다. . Additive를 사용하여 유기적 형태를 인쇄하기 위해 소프트웨어를 사용하여 도구 경로가 자동으로 생성되고 패스 수와 증착되는 재료 양이 크게 줄어들어 이 부품의 비용이 절감됩니다.

추가 비용 제거

금속 적층 공정은 기존 방법에 비해 재료 낭비를 줄입니다. 원재료가 한 겹씩 정밀하게 만들어지기 때문에 단단한 물체에서 조각을 빼거나 깎아낼 필요가 거의 없습니다. 필요한 재료만 사용하고 필요한 곳에 정확히 배치하여 금속 AM 기술을 자원 효율적으로 만듭니다.

또한 금속 적층 제조는 값비싼 도구가 필요하지 않아 낭비를 줄여 비즈니스 비용과 시간을 절약합니다. 올바른 금속 적층 제조 공정을 선택하면 특정 생산 요구 사항을 충족하는 다양한 재료에 접근할 수 있습니다.

다양한 자료

재료의 속성과 전체 성능은 화학 조성, 결정 상태 및 기본 마이크로 아키텍처에 의해 결정됩니다. 이러한 특성으로 인해 엔지니어는 특정 응용 프로그램에 대한 재료를 선택할 때 특정 절충안을 받아들여야 합니다. 그러나 이 양보는 3D 프린팅 기술의 발전으로 인해 곧 과거의 일이 될 수 있습니다.

제조업체가 금속 AM에 사용되는 재료로 제한되기 전에는 사용할 수 있는 금속 분말의 종류가 점점 더 다양해지고 있습니다. 사용 가능한 일반적인 금속 재료는 다음과 같습니다.

<울>

스테인리스 스틸

스틸

티타늄

알루미늄

구리

코발트 크롬

티타늄 합금

니켈 합금

골드

실버

플래티넘

팔라듐

적층 제조 기술이 발전함에 따라 사용할 수 있는 금속 분말의 목록은 계속해서 확장될 것입니다.

설계 능력 및 토폴로지 최적화 개선

금속 적층 제조를 사용하면 추가 시간과 부품이 소요되는 독특하고 복잡한 구조를 생성할 수 있습니다. 조립품을 합치면 생산 후 결합하거나 고정해야 하는 여러 부품 대신에 개체를 단일 단위로 생산하여 강도와 효율성을 높일 수 있습니다.

또한 최근 자동화된 설계의 발전으로 다양한 애플리케이션을 위한 제품을 생산할 수 있게 되었습니다. 토폴로지 최적화 소프트웨어를 사용하면 설계자가 부품의 매개변수를 지정하고 소프트웨어가 원하는 구조, 기능, 열 또는 기타 속성을 기반으로 아키텍처를 정의할 수 있습니다. 최종 결과는 더 강하고, 더 가벼우며, 더 강하고 자연적인 힘과 외부 조건에 더 잘 견딜 수 있는 디자인입니다.

생산 시간 단축

금속 적층 제조의 잘 알려진 장점 중 하나는 기존 기계 가공과 비교할 때 제품이 설계 단계에서 최종 생산으로 전환되는 데 걸리는 시간이 단축된다는 것입니다. 3D 인쇄 후 물체를 처리하기 위해 특정 기계 가공 및 도구가 거의 필요하지 않기 때문에 금속 AM은 몇 주가 아닌 며칠 만에 부품을 만들 수 있습니다.

CMTC를 통해 캘리포니아 시설에서 적층 제조를 활용하십시오

금속 적층 제조가 제조 비즈니스에서 활용할 수 있는 기술처럼 들립니까? 모든 새로운 기술과 마찬가지로 항상 약간의 학습 곡선이 있습니다. 그렇기 때문에 금속 적층 제조 공정의 유형 가이드에서 위에서 언급한 모든 공정의 내부 작동, 사용된 재료, 각각의 장단점을 탐구합니다.

지금 무료 가이드를 다운로드하여 최신 정보를 얻고 업계의 다른 사람들과 최신 정보를 얻으십시오. 그동안 적층 제조에 대해 추가 질문이 있는 경우 CMTC의 전문가에게 문의하시기 바랍니다. 기꺼이 도와드리겠습니다!