금속 적층 제조 탐구: 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 초보자 가이드

제품 개발이 빨라짐에 따라 설계 규칙도 변하고 있습니다. 금속 적층 제조만큼 이 점이 명확한 곳은 없습니다. 직접 금속 레이저 소결은 의료 및 항공우주 산업에서 상당한 잠재력을 가진 금속 적층 제조 기술입니다. 하지만 초기 설계 단계에서도 새로운 사고방식이 필요합니다. 여러 면에서 이는 제품 설계와 제조를 더 빠르고 혁신적으로 만들기 위해 새로운 기술을 바라볼 때 설계자가 직면해야 하는 전환을 나타냅니다.

DMLS에는 여러 이점이 있으며, 주로 설계자가 비정상적인 형태의 설계를 시간과 비용 절감으로 제조할 수 있다는 점입니다. 다른 3D 프린팅 기술처럼 DMLS는 고출력 레이저로 분무 금속 분말을 소결하여 한 번에 한 층씩 부품을 만듭니다.

왜 금속 부품에 적층 제조를 사용하나요?

제품 설계자와 엔지니어는 가공으로 쉽게 만들 수 없는 유기적 형태를 실험하기 위해 이 공정을 찾는 경우가 많습니다. 예를 들어, 수령자에게 맞춤 제작된 이식 가능한 신체 부품을 만드는 능력입니다. 전통적으로 이러한 임플란트는 5축 CNC 기계 같은 감산 제조 공정을 통해 생산되어야 했습니다. 이제 사람의 실제 뼈 구조를 스캔하고 신체에 맞춤화된 직접 DMLS 교체품을 프린트하는 기술이 존재합니다.

프로토랩스에서는 DMLS 기술로 금속 부품을 3D 프린팅합니다. 당사 시설에는 Concept Laser Mlab과 M2(단일 및 듀얼 레이저) 기계 조합이 있습니다.

또 다른 기회는 초미세 특징의 수술 도구와 유기적 형태의 의료 부품입니다. 이러한 장치는 금속 사출 성형이나 주조용으로 설계될 수 있으며, 둘 다 상대적으로 높은 툴링 비용과 몇 주에 걸친 리드 타임을 가집니다. 하지만 DMLS로 최종 제품과 정확한 무게와 강도의 프로토타입 수술 손 도구를 프린트하여 며칠 내에 외과의 손에 쥐어줄 수 있습니다. 전통적인 금속 사출 성형은 여전히 가치가 있고 더 높은 수량에서 부품당 가격이 낮지만, 여전히 6~12주 대 며칠입니다.

항공우주는 금속 3D 프린팅을 빠르게 채택한 또 다른 산업입니다. 항공우주에서 흔히 발견되는 인코넬과 티타늄 같은 소재가 DMLS 공정을 통해 쉽게 구할 수 있습니다. 중공 특징이 있는 복잡한 금속 부품 제조 능력은 구성 요소를 경량화하려는 설계자에게 다양한 가능성을 엽니다. 금속 부품 3D 프린팅의 또 다른 이점은 부품 내 내부 냉각 채널 통합입니다.

시간, 비용 절감, 설계 자유라는 속성은 실험하고, 빠르게 설계하고, 무엇이 작동하는지 보는 데 핵심입니다. 하지만 DMLS는 설계 사고의 전환을 요구합니다. 가장 큰 조정 중 하나는 빌드 공정 중 내부 응력 도입에 어떻게 적응하는가입니다. 상온 금속 분말에서 시작하여 순간 용융을 위한 열 적용, 급속 냉각으로 빌드 공정 중 각 층에서 응력이 발생합니다. DMLS 빌드 중 생성된 내부 응력은 부품이 빌드되면서 위로 말리려고 하게 만듭니다.

금속 3D 프린트 부품 설계 방법

이제 금속 3D 프린팅 기술의 일반적인 애플리케이션과 이점을 논의했으니 금속 3D 프린트 부품의 특징 설계에 대한 기본 가이드라인을 살펴보겠습니다.

자체 지지 각도

자체 지지 각도는 빌드 플레이트 상대적인 특징의 각도를 설명합니다. 각도가 낮을수록 자체 지지가 덜 가능합니다. 각 재료마다 약간 다르게 수행되지만, 일반적인 경험칙은 45도 미만의 자체 지지 특징 설계를 피하는 것입니다. 이 팁은 모든 사용 가능한 재료에 잘 적용됩니다. 위 그림에서 보듯 각도가 감소하면 부품 표면 마감이 거칠어지고 결국 각도가 너무 줄어들면 부품이 실패합니다.

오버행

오버행은 부품 기하학의 갑작스러운 변화라는 점에서 자체 지지 각도와 다릅니다(완만한 경사가 아님). DMLS는 스테레오리소그래피와 선택적 레이저 소결 같은 다른 3D 프린팅 기술에 비해 오버행 지원이 상당히 제한적입니다. 0.020인치(0.5mm) 이상의 오버행은 부품 손상을 방지하기 위해 추가 지지가 있어야 합니다. 오버행을 설계할 때 한계를 밀어붙이지 않는 것이 현명합니다. 큰 오버행은 부품 디테일 감소로 이어지고, 더 나쁘게는 전체 빌드 충돌로 이어질 수 있습니다.

채널과 홀

내부 채널과 홀은 다른 제조 방법으로는 불가능하므로 DMLS의 주요 이점 중 하나입니다. 컨포멀 채널은 부품 전체에 균일한 냉각을 제공하고 구성 요소 무게 감소에 도움을 줍니다. 채널 직경이 0.30인치(8mm)를 초과하지 않는 것이 권장됩니다. 지지되지 않은 구조와 유사하게, 0.30인치를 초과하면 아래쪽 구조가 왜곡됩니다. 이 제약 사항을 우회하는 팁은 원형 채널 설계를 피하는 것입니다. 대신 물방울 모양이나 다이아몬드 모양의 채널을 설계하세요. 이러한 모양을 따르는 채널은 채널 내부에서 더 균일한 표면 마감을 만들고 채널 직경을 최대화할 수 있습니다.

채널 직경이 0.30인치(8mm)를 초과하지 않는 것이 권장됩니다. 지지되지 않은 구조와 유사하게, 0.30인치를 초과하면 아래쪽 구조가 왜곡됩니다. 이 제약 사항을 우회하는 팁은 원형 채널 설계를 피하는 것입니다. 대신 물방울 모양이나 다이아몬드 모양의 채널을 설계하세요. 이러한 모양을 따르는 채널은 채널 내부에서 더 균일한 표면 마감을 만들고 채널 직경을 최대화할 수 있습니다.

브리지

브리지는 2개 이상의 특징으로 지지되는 평평한 아래쪽 면입니다. 권장하는 최소 허용 비지지 거리는 0.080인치입니다. 다른 3D 프린팅 기술과 관련하여 이 거리는 급속 가열 및 냉각의 응력으로 인해 상대적으로 짧습니다. 아래 그림에서 비지지 거리가 증가함에 따라 브리지가 지지 구조를 당기는 것을 볼 수 있습니다. 이 권장 한도를 초과하는 부품은 아래쪽 면 품질이 나쁘고 구조적으로 건전하지 않습니다.

금속 3D 프린트 부품 후처리

기계 내에서 부품 빌드가 완료되면 기계적 특성, 표면 마감 품질을 개선하고 부품 특징이 공차 내에 있도록 여러 단계를 밟을 수 있습니다.

열처리

부품이 빌드된 후 열처리를 실행하는 것은 소결 공정 중에 발생하는 내부 응력을 완화하는 데 필요합니다. 빌드의 응력은 부품 가장자리를 향해 방사되어 각 추가 레이어와 함께 쌓입니다. 예를 들어 두꺼운 단면의 부품은 더 많은 응력을 가집니다. 이를 해결하기 위해 다양한 열처리 공정을 사용할 수 있습니다:

• 진공로: 부품을 진공 밀폐로에 넣고 고열 환경에 노출시켜 내부 응력 감소
• 열간 등방성 프레스(HIP): 일반적으로 HIP라고 하며, 이 공정은 부품에 압력과 열을 모두 가하여 기공을 줄이고 밀도를 높입니다.

빌드 후 CNC 가공

일부 애플리케이션은 금속 부품이 3D 프린팅된 후 추가 가공을 요구할 수 있습니다. 이는 특정 특징에 엄격한 공차나 향상된 표면 마감 품질이 필요하지만 전체 기하학이 생산되려면 적층 제조가 필요할 때 유용합니다. 예를 들어 복잡한 냉각 채널이 있는 로켓 엔진 부품에 ±0.001인치 공차의 맞물림 특징이 필요한 경우. 어떤 경우 빌드 후 CNC 가공은 바닥에 더 적은 칩과 더 효율적인 재료 사용으로 비용을 줄이는 데도 사용될 수 있습니다.

품질 검사

적층 제조로 제작된 금속 부품은 치수 검증이나 재료 미세 구조 평가가 필요할 수 있습니다. 이를 위해 좌표 측정기(CMM)를 사용하여 부품 특징이 공차 내에 있는지 검증할 수 있습니다. CT 또는 X선 스캐닝도 내부 특징을 검사하고 구조적 무결성을 보장하는 비파괴 솔루션으로 사용될 수 있습니다.

금속 3D 프린팅 더 알아보기

DMLS와 일반적인 금속 3D 프린팅에 대해 더 알고 싶으시면 몇 가지 다른 리소스가 있습니다. 먼저 금속 부품 제조에 대한 당사 백서를 읽어보세요. 이는 가공과 3D 프린팅 모두를 다루며 어떤 공정이 애플리케이션에 최선인지 결정하는 데 도움이 됩니다. 금속 부품 적층 제조 설계에 대한 더 자세한 내용은 온디맨드 웨비나 "금속 3D 프린팅을 위한 설계"를 시청하세요.