DMLS를 사용한 금속 적층 가공 소개

제품 개발 속도가 빨라짐에 따라 디자인 규칙이 바뀌고 있습니다. 이것은 금속 적층 제조에서보다 더 분명한 곳은 없습니다. 직접 금속 레이저 소결은 의료 및 항공 우주 산업에서 상당한 잠재력을 가진 금속 적층 제조 기술입니다. 그러나 초기 설계 단계에서도 새로운 사고 방식이 필요합니다. 제품 설계 및 제조를 보다 빠르고 혁신적으로 만들기 위해 새로운 기술을 검토할 때 디자이너가 직면해야 하는 전환을 여러 가지 방법으로 나타냅니다.

DMLS에는 몇 가지 이점이 있는데, 주로 설계자가 시간과 비용을 절약하면서 비정상적인 형태로 설계를 제조할 수 있다는 것입니다. 다른 3D 프린팅 기술과 마찬가지로 DMLS는 원자화된 금속 분말을 고성능 레이저로 소결하여 한 번에 한 층씩 부품을 제작합니다.

금속 부품에 적층 가공을 사용하는 이유

제품 설계자와 엔지니어는 쉽게 가공할 수 없는 유기적 형태를 실험하기 위해 종종 프로세스를 사용합니다. 예를 들어, 수혜자에게 맞춤화된 이식 가능한 신체 부위를 제작하는 기능입니다. 전통적으로 이러한 임플란트는 일반적으로 5축 CNC 기계와 같은 절삭 가공 공정을 통해 생산해야 합니다. 이제 사람의 실제 뼈 구조를 스캔하고 신체에 맞춤화된 직접 DMLS 대체물을 인쇄하는 기술이 존재합니다.

Protolabs에서는 DMLS 기술을 사용하여 금속 부품을 3D 프린팅합니다. 당사 시설에는 Concept Laser Mlab과 M2(단일 및 이중 레이저) 기계가 결합되어 있습니다.

또 다른 기회는 초미세 기능을 갖춘 수술 도구와 유기적인 형태의 의료 부품입니다. 이러한 장치는 금속 사출 성형 또는 주조용으로 설계될 수 있으며, 둘 다 상대적으로 높은 툴링 비용과 몇 주가 소요될 수 있는 리드 타임이 있습니다. 그러나 DMLS를 사용하면 최종 제품의 정확한 무게와 강도로 프로토타입 수술용 손 도구를 인쇄하고 며칠 내에 외과의의 손에 넣을 수 있습니다. 기존의 금속 사출 성형은 여전히 ​​가치가 있으며 더 많은 수량에 대해 더 낮은 단가를 가지지만 여전히 며칠이 아닌 6~12주입니다.

항공우주는 금속 3D 프린팅을 빠르게 채택한 또 다른 산업입니다. Inconel 및 티타늄과 같은 항공우주 분야에서 흔히 볼 수 있는 재료는 DMLS 프로세스를 통해 쉽게 사용할 수 있습니다. 속이 빈 피쳐가 있는 복잡한 금속 부품을 제조할 수 있는 능력은 부품 경량화를 시도하는 설계자에게 다양한 가능성을 열어줍니다. 3D 프린팅 금속 부품의 또 다른 장점은 부품 내에 내부 냉각 채널을 통합하는 것입니다.

시간, 비용 절감 및 디자인 자유의 속성은 실험하고 신속하게 디자인하고 무엇이 효과가 있는지 확인하는 데 핵심입니다. 그러나 DMLS에는 설계 사고의 전환이 필요합니다. 가장 큰 조정 중 하나는 빌드 프로세스 중 내부 응력 도입에 적응하는 방법입니다. 상온의 금속 분말에서 시작하여 열을 가하여 순간적으로 녹인 다음 급속 냉각하여 빌드 프로세스에서 각 층에 응력을 발생시킵니다. DMLS 제작 중에 생성된 내부 응력으로 인해 부품이 제작될 때 위로 말리려고 합니다.

금속 3D 프린팅 부품 설계 방법

금속 3D 프린팅 기술의 일반적인 적용과 이점에 대해 논의했으므로 이제 금속 3D 프린팅 부품에 기능을 설계하는 방법에 대한 몇 가지 기본 지침을 살펴보겠습니다.

자립형 앵글

자체 지지 각도는 제작판에 상대적인 형상의 각도를 나타냅니다. 각도가 낮을수록 지지할 가능성이 적습니다. 각 재료는 약간 다르게 작동하지만 일반적인 경험 법칙은 45도 미만의 자체 지지 기능을 설계하지 않는 것입니다. 이 팁은 사용 가능한 모든 자료에서 유용합니다. 위의 그림에서 볼 수 있듯이 각도가 줄어들수록 부품의 표면 마감이 거칠어지고 결국 각도가 너무 줄어들면 부품이 파손됩니다.

오버행

오버행은 완만한 경사가 아니라 부품 형상의 급격한 변화라는 점에서 자체 지지 각도와 다릅니다. DMLS는 스테레오리소그래피 및 선택적 레이저 소결과 같은 다른 3D 인쇄 기술과 비교할 때 오버행 지원이 상당히 제한적입니다. 0.020인치(0.5mm)보다 큰 돌출부는 부품 손상을 방지하기 위해 추가 지지대가 있어야 합니다. 오버행을 설계할 때는 한계를 초과하지 않는 것이 좋습니다. 오버행이 크면 부품 세부 사항이 줄어들고 더 심하면 전체 빌드가 충돌할 수 있기 때문입니다.

채널 및 구멍

내부 채널과 구멍은 다른 제조 방법으로는 불가능하기 때문에 DMLS의 주요 이점 중 하나입니다. 컨포멀 채널은 부품 전체에 균일한 냉각을 제공하고 부품의 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다. 채널의 직경은 0.30인치(8mm)를 초과하지 않는 것이 좋습니다. 지지되지 않는 구조와 유사하게 0.30인치를 초과하면 아래쪽을 향한 구조가 왜곡됩니다. 이 제약 조건을 해결하기 위한 팁은 원형 채널을 설계하지 않는 것입니다. 대신 눈물 방울이나 다이아몬드 모양으로 채널을 디자인하십시오. 이러한 모양을 따르는 채널은 채널 내에서 보다 균일한 표면 마감을 만들고 채널의 직경을 최대화할 수 있습니다.

채널의 직경은 0.30인치(8mm)를 초과하지 않는 것이 좋습니다. 지지되지 않는 구조와 유사하게 0.30인치를 초과하면 아래쪽을 향한 구조가 왜곡됩니다. 이 제약 조건을 해결하기 위한 팁은 원형 채널을 설계하지 않는 것입니다. 대신 눈물 방울이나 다이아몬드 모양으로 채널을 디자인하십시오. 이러한 모양을 따르는 채널은 채널 내에서 보다 균일한 표면 마감을 만들고 채널의 직경을 최대화할 수 있습니다.

다리

브리지는 2개 이상의 기능으로 지원되는 평평한 하향 표면입니다. 권장하는 최소 허용 비지지 거리는 0.080인치입니다. 다른 3D 프린팅 기술과 관련하여 이 거리는 급속한 가열 및 냉각의 스트레스로 인해 상대적으로 짧습니다. 아래 그림에서 지지되지 않는 거리가 증가함에 따라 다리가 지지 구조물을 끌어당기는 방식을 볼 수 있습니다. 이 권장 한도를 초과하는 부품은 아래쪽을 향한 표면에서 품질이 떨어지고 구조적으로 견고하지 않습니다.

금속 3D 프린팅 부품 후처리

기계 내에서 부품 제작이 완료되면 기계적 특성, 표면 마감 품질을 개선하고 부품의 기능이 허용 오차 내에 있는지 확인하기 위해 여러 단계를 수행할 수 있습니다.

열처리

소결 공정 중에 발생하는 내부 응력을 완화하는 데 도움이 되므로 부품 제작 후 열처리를 통한 부품 작동이 필요합니다. 빌드의 응력은 부품 가장자리를 향해 바깥쪽으로 방사되며 각 추가 레이어로 빌드됩니다. 예를 들어 단면이 두꺼운 부품은 더 많은 응력을 받게 됩니다. 이를 해결하기 위해 사용할 수 있는 다양한 열처리 공정이 있습니다.

• 진공로: 부품을 진공 밀폐된 용광로 내부에 배치한 다음 고열 환경에 노출시켜 내부 응력을 줄입니다.
• HIP(열간 정수압): 일반적으로 HIP라고 하는 이 프로세스는 다공성을 줄이고 밀도를 높이기 위해 부품에 압력과 열을 모두 적용합니다.

후 빌드 CNC 가공

일부 응용 프로그램은 금속 구성 요소가 3D 인쇄된 후 추가 가공이 필요할 수 있습니다. 이는 특정 피쳐에 대해 엄격한 공차 또는 개선된 표면 마감 품질이 필요하지만 전체 지오메트리를 생산하려면 적층 제조가 필요한 경우에 유용합니다. 예를 들어 복잡한 냉각 채널이 있는 로켓 엔진 부품에는 +/- 0.001"의 공차가 필요한 결합 기능이 있습니다. 재료를 보다 효율적으로 사용합니다.

품질 검사

종종 적층 제조로 제작된 금속 부품은 치수 검증 또는 재료의 미세 구조 평가가 필요합니다. 이를 위해 CMM(좌표 측정기)을 사용하여 부품 기능이 허용 오차 내에 있는지 확인할 수 있습니다. CT 또는 X-레이 스캔을 사용하여 내부 기능을 검사하고 구조적 무결성을 보장하는 비파괴 솔루션을 제공할 수도 있습니다.

금속 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보기

일반적으로 DMLS 및 금속 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보려면 몇 가지 다른 리소스를 사용할 수 있습니다. 먼저 금속 부품 제조에 대한 백서를 읽어 보십시오. 여기에는 기계 가공과 3D 프린팅이 모두 포함되며 애플리케이션에 가장 적합한 프로세스를 결정하는 데 도움이 됩니다. 적층 가공을 위한 금속 부품 설계에 대한 자세한 내용은 주문형 웨비나 "금속 3D 프린팅을 위한 설계"를 시청하세요.