금속 3D 프린팅: 주요 과제 극복과 새로운 솔루션 활용

금속 3D 프린팅에는 실질적인 과제와 기회가 공존합니다. 어디서 난관이 예상되는지, 어떻게 대처해야 하는지 깊이 이해하고 시장 방향을 바꿀 신기술에 대해 알아보세요.

금속 3D 프린팅의 미래가 도래했습니다—하지만 진입 비용이 걸림돌이 될 수 있습니다. 대형 제조 기업들이 이 분야에 깊이 관여하고 있으며, 소규모 전문 업체의 도움이 필요할 수도 있습니다. 3D 프린팅과 금속을 결합해 도입하려면 무엇이 필요할까요? 새로운 엔지니어링 접근 방식을 수용하고 금속 분말 같은 신소재에 익숙해지는 것부터 시작입니다.

SpaceX, NASA, Boeing, Lockheed Martin, GE Aviation 등이 주요 부품을 금속 3D 프린팅으로 제작합니다. 이들을 비롯한 제조업체들은 도시 간 이동 항공기, 우주 비행사용 우주선, 테슬라 로드스터를 소행성대로 보낸 로켓 등에 쓰이는 금속 부품을 3D 프린팅합니다. 의료 기업들도 고관절 교체용 임플란트, 사고 피해자용 두개골 수리 플레이트 등 적층 제조에 뛰어들고 있습니다. 자동차와 소비재 분야도 줄을 서고 있습니다.

이러한 주요 항공우주 기업의 하청 제조업체라면 이 복잡한 기술이 수반하는 과제를 이미 잘 알고 있을 것입니다. 우리 생애 동안 기존 CNC 가공 및 제조 공정을 대체하지는 않겠지만, 제조 옵션의 지형을 바꾸고 있습니다.

숫자를 보세요: 시장 조사 기관 IDTechEx는 금속 3D 프린팅 시장이 2018년 약 25억 달러에서 2028년까지 120억 달러 규모로 성장할 것으로 전망합니다. 2016년 EY 연구에 따르면 설문 응답 기업의 52%가 3D 프린팅 소재로 금속을 최우선으로 선택했습니다. 그다음인 폴리머는 31%, 세라믹을 원하는 기업은 6%였습니다.

"기업들이 금속을 선택하는 이유는 귀금속, 티타늄, 공구강, 스테인리스강, 알루미늄 합금으로 제품을 프린팅할 수 있기 때문입니다."라고 EY 보고서는 설명합니다. "이미 금속 3D 프린팅을 사용하는 기업 중 항공우주와 자동차 기업이 상위권을 차지합니다. 이들 기업의 65%가 금속 3D 프린팅을 사용하며, 이 높은 비율은 두 분야 제품에 금속 부품이 엄청나게 많기 때문입니다."

금속 3D 프린팅 부품의 대기 시간과 후처리 준비하기

3D 프린팅 사업에 뛰어들기 전에 마음의 준비를 하세요. 알루미늄 블록을 깎아내거나 코발트 크롬 샤프트를 터닝하는 것과는 완전히 다릅니다. 공구는 레이저, 소재는 금속 분말 더미, 고정구는 평평한 금속 플레이트입니다. 프로그램을 로드하고 사이클 스타트를 누르면 몇 시간 또는 며칠 뒤 부품이 완성됩니다. 거의.

문제는 여기에 있습니다: 금속 3D 프린팅의 빌드 속도는 가공에 비해 빙하처럼 느릴 뿐만 아니라, 부품이 가공 후 반드시 완성된 상태도 아니고 완전히 정확하지도 않습니다. 직접 금속 레이저 소결, 전자빔 용해, 선택적 레이저 용해 등 파우더 베드 퓨전 방식의 일반적인 공차는 약 ±0.005인치이며 표면 조도는 정밀 주조와 비슷합니다(최상의 경우 약 125 Ra). 따라서 중요한 면, 보어 홀, 나사산 등을 정리하기 위해 보통 후가공이 필요합니다.

또한 파우더 베드 퓨전은 가공 중 공작물을 지지하기 위한 스캐폴딩 같은 지지 구조물이 필요합니다. 따라서 이 지지대를 제거하기 위해 연마, 비드 블라스팅, 추가 가공이 필요할 수 있습니다.

3D 프린팅이 제조에 미친 영향의 근본적인 배경이 궁금하신가요? "제조업에서 3D 프린팅의 사례"를 확인해보세요.

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뜨거운 이슈: 금속 3D 프린팅의 열응력

열응력도 고려해야 합니다. 레이저와 전자빔은 티타늄, 알루미늄, 스테인리스강, 코발트 크롬, 공구강 등 수십 가지 합금 입자를 녹는점(2,700°C 이상)까지 가열합니다. 한 층이 완료되면 새로운 분말이 공급되고 과정이 반복됩니다. 상상할 수 있듯 이 반복적인 가열과 냉각은 빌드 과정에서 제어해야 하고 빌드 후 열처리로 어닐링해야 하는 엄청난 응력을 생성합니다.

고려하고 관리할 것이 많습니다. 또한 3D 프린팅 전략을 추구하는 이들은 확장성, 모델링, 적층, 시뮬레이션을 검토해야 합니다.

확장성

최근까지 가장 큰 금속 3D 프린터는 토스터 크기 정도였습니다. 현재 상용 장비는 카누 크기 부품을 제작하고 시간당 20파운드의 금속을 적층할 수 있습니다. 어떤 크기의 장비가 필요하고, 어떤 기술이 최선이며, 예산은 얼마나 될까요? 학습 곡선을 제외하고도 100만 달러 이상 들 것입니다.

모델링

적층 제조업체가 직면한 가장 큰 장애물 중 하나는 부품 설계입니다. 엔지니어는 이 기술로 성공하려면 다르게 사고해야 합니다—이전에는 제조할 수 없었던 복잡한 형상과 '유기적 형태'를 수용해야 합니다. 물론 이렇게 기이한 형태의 부품을 어떻게 고정할지는 기계 작업자와 제조 엔지니어의 몫입니다.

적층

설계가 승인되면 3D 프린터 프로그래머나 작업자는 지지 구조물을 설계하고 부품을 배치하고 빌드하는 최적의 방법을 결정해야 합니다. 다행히 이 목적을 위한 소프트웨어 프로그램이 많이 있으며, 이 작업은 예전만큼 어렵지 않습니다.

시뮬레이션

베드에 분말이 채워지고 빌드 플레이트가 깨끗하며 금속이 녹을 준비가 되었습니다. 하지만 버튼을 누르기 전에 소프트웨어 시뮬레이션으로 빌드 공정을 평가하는 것이 중요합니다. 열응력이 발생할 수 있는 영역을 파악하고, 지지 구조물이 필요한 곳(또는 불필요한 곳)을 감지하며, 기존 부품 설계가 3D 프린팅에 적합한지 확인하는 데 도움이 됩니다.

금속 3D 프린팅, 새로운 파트너 폴리머를 만나다

금속 3D 프린팅 세계에서는 현재 파우더 베드 퓨전이 주도권을 쥐고 있습니다. 하지만 열분사와 압출 방식 등 여러 신기술이 파우더 베드 영역에 진입하고 있으며, 더 낮은 비용(50만 달러 이상 대비 12만 달러 수준), 더 높은 정확도, 훨씬 빠른 빌드 속도를 약속합니다. 이 중 하나는 잉크젯 프린터처럼 작동하는데, '잉크'가 금속 분말과 폴리머 바인더 혼합물입니다.

부품은 '그린' 상태에서 적층된 후 소결로에서 소결되는데, 이는 수십 년 된 금속 사출 성형 공정과는 조금 다릅니다. 같은 금속 분말을 사용하므로 다른 적층 분말만큼 야금학적 검증을 받지는 않습니다. 하지만 모든 금속 3D 프린팅 기술과 마찬가지로 완전 치밀한 부품을 생산합니다.

일부 최신 폴리머 프린터에 사용되는 '바인더 제트' 기술과 유사하게, 빌드 속도는 경쟁 기술보다 10~100배 빠르다고 보고됩니다. 장비 비용은 파우더 베드나 하이브리드 공작기계의 일부에 불과합니다. 지지 구조물이 거의 필요 없으며, 사용되는 지지대는 소결 후 쉽게 떼어낼 수 있습니다. 레이저 광선이 없고 바인더 경화용 UV만 있으며, 금속이 일반 사무직원도 친숙한 프린터 친화적 카트리지에 공급되므로 보건 안전 우려가 훨씬 적습니다.

"최종 사용 부품 제작을 위해 금속 3D 프린팅을 도입하는 것은 일부 가공 업체가 밟은 단계지만, 모든 업체가 할 수 있는 일은 아니었습니다."라고 Modern Machine Shop 편집장 Peter Zelinski는 "저비용 금속 AM의 도래?" 기사에서 언급합니다. "이제 저비용 금속 3D 프린팅으로 업체들이 금속 부품에 적층과 절삭 가공을 일상적으로 병용하게 될지도 모릅니다. 또한 적층에 적합한 금속 부품의 범위도 확대될 준비가 되어 있을지 모릅니다."

금속 3D 프린팅이나 다른 적층 제조 공정 경험이 있으신가요? 여러분과 귀사의 경험은 어떠했나요?