산업용 3D 프린팅 후처리 마스터하기: 기능적·심미적·정확한 부품을 위한 검증된 전략

적층 제조(AM) 부품은 프린트 베드에서 나오거나 빌드 챔버를 떠날 때 거의 완성되지 않습니다. 기능적, 심미적, 더 정확한 부품으로 만들기 위한 다섯 가지 전략을 소개합니다.

산업용 3D 프린터 제조사들의 최선의 노력에도 불구하고, 기계에서 나오는 플라스틱이나 금속 부품은 일반적으로 완성으로 간주되기 전에 추가 작업이 필요합니다.

완제품 생산에서 이 단계는 후처리(post-processing)로 불리며, 적층 제조 세계에서 필수적인 악입니다.

여기엔 머시닝, 열처리, 연삭 등 연마 공정이 포함됩니다. 또한 도금, 도장 등 마감 작업과 더 깊게 논의할 전문 기술도 포함됩니다.

레이어, 서포트, 정확도

3D 프린트 부품을 후처리해야 하는 이유는 많습니다.

우선, 이들 부품 대부분은 금속, 플라스틱, 복합 소재의 종이처럼 얇은 레이어로 만들어집니다. 페이퍼백 책 가장자리처럼, 프린트 부품 표면은 뚜렷한 계단 모양을 띠는데, 애플리케이션과 외관 요건에 따라 사용 전 매끄럽게 만들어야 합니다.

거친 표면 제거는 균열로 이어질 수 있는 응력 집중을 제거하는 데도 도움이 되며, 이는 하중 지지 부품에 중요한 고려사항입니다.

대부분 3D 프린트 부품은 빌드 공정 중 임시 서포트가 필요합니다. 이 비계 같은 구조는 레이어와 섹션이 위로 말리거나 아래로 처지는 걸 방지(AM 공정에 따라 다름)하고, 열변형을 최소화합니다. 부품이 완성되면 이 서포트 구조를 제거해야 하며, 보통 기계적 또는 연마 수단으로 합니다. 보시다시피 때로는 따뜻한 물 목욕으로도 해결됩니다.

마지막으로, 확실히 가장 중요한 건 부품 정확도입니다. 엄청난 설계 자유도와 강하면서 가벼운 부품 기회를 제공하지만, 3D 프린팅은 기존 제조 표준으로는 아직 그렇게 정확하지 않습니다. 앞서 설명한 표면 거칠기뿐 아니라 평탄도, 원통도 등 모든 게 문제입니다. 결과적으로 홀은 리밍이나 보링해야 하고, 저널은 진원으로 돌려야 하며, 장착면은 평평하게 밀링해야 합니다. 이 때문에 많은 3D 프린트 부품, 특히 금속 부품은 프린팅 후 머신 숍으로 갑니다.

3D 프린팅 후처리 성공 전략

다행히 여러 장비 회사들, 그리고 3D 프린터 제조사들 자체가 이런 AM 단점들을 해결하기 위해 조치를 취하고 있습니다.

생산량이 늘고 적층이 주류 공정으로 진화함에 따라 이 작업은 더욱 중요해질 것입니다. 2차 공정은 결코 사라지지 않겠지만(감산 제조업체들도 아는 사실), 이 회사들은 적어도 프린팅으로 생계를 잇는 사람들의 삶을 더 쉽게 만들어줄 것입니다.

로슬러 메탈 피니싱 USA(Rosler Metal Finishing USA) CEO 버니 커시바움(Bernie Kerschbaum)은 그런 회사 중 하나입니다. 미시간 배틀크리크 기반입니다. 커시바움은 제품 설계자와 제조업체 모두 3D 프린트 부품 후처리에 대해 프린팅 시작 훨씬 전부터 숙제를 해야 한다고 제안합니다.

"누구도 원사이즈-핏올 피니싱 기술을 제공하지 않으며, 많은 경우 단일 공정이 아닙니다." 커시바움이 말합니다.

그는 몇 년 전 대형 소비재 고객의 샴푸 병 3D 프린트 프로토타입을 도운 사례를 들었습니다. 플라스틱 사출 성형 양산품과 같은 룩앤필을 얻기 위해 광범위한 진동 마무리가 필요했습니다. 다른 부품은 습식 또는 건식 블라스팅으로 거친 표면을 평평하게 만들거나, 원하는 매끄러움에 도달하기 위해 여러 마감 작업이 필요합니다. 염료나 페인트 착색, 연마, 표면 연삭, 보호 코팅 적용도 꽤 일반적입니다.

커시바움은 이들 및 기타 후처리 작업을 수행하기 전에 필요한 다양한 단계를 나열합니다.

바인더 젯과 파우더 베드 프린터의 경우 '케이크'에서 공작물 언패킹이 포함됩니다. 서포트 구조 제거와 부품 표면의 느슨한 또는 소결된 파우더 제거, 내부 통로 평활화와 세척. 물량이 보증되면 이들 작업 각각을 회사의 다양한 AM 솔루션 브랜드 생산 시스템으로 자동화하거나, 구식 방식인 지루한 샌딩, 평활화, 손으로 연마로 할 수 있습니다.

"초반에 꽤 거친 표면 조도에서 시작하지만, 고객 니즈에 따라 Ra를 10대 초반 또는 한 자리 수로 낮추는 게 그리 어렵지 않습니다." 커시바움이 말합니다. "쇼트 블라스팅과 매스 피니싱이 적층 제조 부품에 매우 효과적이고 경제적인 공정임이 입증되었습니다."

폴리머 부품 후처리엔 애디티브 매뉴팩처링 테크놀로지스(AMT) Inc. 부사장 루이스 폴가(Luis Folgar)가 대안을 제시합니다. 텍사스 시더파크 소재. 자사의 자동화된 포스트프로 3D(PostPro 3D)와 포스트프로 SF50(PostPro SF50) 시스템 중 하나입니다.

둘 다 "사용 안전하고, 상대적으로 저렴하며, 무엇보다 지속가능한" 독점 화학 증기를 사용해 파우더 베드, 멀티 젯 퓨전, 압출 기반 기술로 프린트된 부품 표면을 평활화합니다.

대상 폴리머는 나일론, ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), PC(폴리카보네이트), 폴리프로필렌, TPU(열가소성 폴리우레탄), TPE(열가소성 엘라스토머), 울템, 유리 또는 탄소 충전 소재, "PEEK(폴리에테르에테르케톤)와 PAEK(폴리아릴에테르케톤) 곧 온라인 예정"이라고 폴가가 말합니다.

부품 표면 조도 1μm Ra(40μin Ra)까지 가능하며, 치수 열화 0.4% 이하, 표면 기공과 균열 감소, 완제품 색상 특성 향상이 가능하다고 덧붙입니다. 로슬러 등 다른 제공업체들과 마찬가지로 AMT도 자동화된 디파우더링과 쇼트 블라스팅 시스템을 제공합니다.

펠리페 카스타녜다(Felipe Castañeda)는 브루클린 뉴욕 메이커봇(MakerBot) 산업 디자이너 겸 크리에이티브 디렉터로, 스트라타시스(Stratasys) 자회사입니다. 그는 FFF(융합 필라멘트 제조)로 만든 부품의 경우 프린팅 후 서포트 구조를 제거하는 가장 효과적 방법 중 하나가 용해성 소재 사용이라고 말합니다.

첫 번째는 PVA(폴리비닐 알코올)로, 따뜻한 수돗물에 노출되면 녹아내리는 부드러운 생분해성 폴리머입니다. 완성된 부품을 넣고 몇 분간 휘저으면 서포트 없는 부품이 나옵니다. 이는 PLA(폴리락트산)와 PETG(폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜) 같은 부드러운 소재에 잘 작동하지만, "더 복잡한 폴리머"인 ABS 등에 대해 메이커봇은 스트라타시스의 SR-30 사용을 지원합니다.

PVA와 마찬가지로 물에 녹지만, 소량의 NaOH(가성소다)와 약간 더 높은 온도가 필요합니다. 이들 각각은 프린팅 공정 중 적용되며, 증착 헤드가 공작물과 서포트 소재 간에 필요에 따라 자동 전환합니다.

이들 및 기타 용해성 소재의 장점은 기계적 수단으로 제거하기 매우 어려웠을 복잡한 부품, 특히 내부 형상의 서포트 구조를 만들 수 있다는 점입니다.

또 다른 옵션은 소위 브레이크어웨이 서포트 프린팅입니다. 여기선 서포트 대부분을 공작물과 같은 소재로 프린트하고, 부품과 서포트가 만나는 부분에만 PVA나 SR-30을 적용합니다. 제거 과정은 같지만, 프린트 헤드가 소재 간 전환을 덜 자주 해 빌드 공정이 빨라집니다.

"용해 시간도 단축돼 많은 부품에 베스트-오브-보스-월드 접근법을 제공합니다." 카스타녜다가 말합니다.

앞서 언급했듯 머시닝, 연삭, 금속 부품의 경우 열처리도 고려해야 합니다. 내부 부품 응력 완화와 원하는 경우 공작물 경화에 사용됩니다.

대부분 3D 프린팅 공정에 사용되는 금속은 단조나 주조 대응물과 크게 동일하므로 여기엔 마법이 없습니다. 그냥 톱이나 와이어 EDM으로 빌드 플레이트에서 부품을 떼어내고, 클램핑하고 절삭하면 됩니다.

적층 제조로 만든 부품 후처리에 어떤 기법을 사용 중이신가요? 아래 댓글로 생각과 인사이트를 공유해 주세요.