적층 서포트 구조: 중요성과 설계 방법 - 필수 가이드

2022년 4월 5일 발행

적층 제조는 제조 가능성의 새로운 시대를 열었습니다. 3D 프린팅 기술은 전례 없는 속도와 정밀도로 복잡한 치수와 각도를 특징으로 하는 이전에 '만들 수 없던' 부품 생성을 가능하게 합니다. 그러나 자재를 층별로 추가하는 적층 제조 공정의 특성은 종종 부품이 프린트 중 내부 압력, 본질적으로 중력의 힘을 관리하기 위해 서포트를 필요로 함을 의미합니다. 그 서포트 없이 적층 레이어는 주변 자재에 의해 지탱될 수 없고 붕괴되어 프린트 실패를 초래합니다. 이 과제를 해결하기 위해 우리는 3D 프린팅 부품에 서포트 구조를 설계해야 할 때가 있습니다.

귀사 3D 프린팅 부품의 속도, 품질, 비용 잠재력을 극대화하기 위해 서포트 구조가 무엇인지, 적층 제조 프로젝트에 어떻게 통합되어야 하는지 이해하는 것이 중요합니다.

3D 프린팅에서 서포트 구조란?

서포트 구조는 제조 중 지지 재료가 없는 3D 프린팅 부품 요소를 지탱합니다. 모든 3D 프린팅 공정이 서포트 구조를 요구하는 것은 아닙니다: Stratasys Fused Deposition Modeling(FDM), Carbon Digital Light Synthesis™(DLS), 스테레올리소그래피(SLA) 공정은 종종 서포트를 필요로 하는 반면, 파우더 베드 프린팅 공정인 HP Multi Jet Fusion은 필요하지 않습니다.

예를 들어 Stratasys FDM(Fused Deposition Modeling) 적층 제조 공정에서 가열 압출 자재 층이 프린트 베드에서 아래 자재 층과의 부착에 의해 쌓여 올라가며 각진 표면을 만들기 위해 아래 층을 오버행할 수 있습니다. 그 각도가 45°를 초과하면 오버행 요소는 일반적으로 서포트를 필요로 하거나 지지되지 않은 자재의 무게가 요소를 붕괴시키고 프린트를 실패하게 합니다.

왼쪽: 수직으로부터 45° 이하의 오버행이면 서포트가 일반적으로 필요하지 않음
오른쪽: 수직으로부터 45° 초과 오버행이면 서포트가 일반적으로 필요함

서포트가 필요할 때, 그것들은 부품 설계에 통합되어 부품 생산 시 프린트되어야 합니다. 물론 이는 3D 프린팅 공정 중 및 후속 후처리 서포트 구조 제거에 필요한 추가 시간과 자재를 설명함을 의미합니다.

예외: 모든 적층 제조 방법이 서포트 구조를 요구하는 것은 아닙니다. FDM처럼 프린트 베드에 자재 층을 추가하여 부품을 프린트하는 3D 프린팅 기술이 있는 반면, HP Multi Jet Fusion(MJF)처럼 파우더 베드에서 부품을 프린트하는 기술도 있습니다. 파우더 층이 자가 지지적이므로 HP MJF 부품 설계에는 서포트 구조를 통합할 필요가 없습니다.

어떤 유형의 서포트 구조가 있나요?

3D 프린팅 부품용 서포트 구조는 설계와 유형이 다양하지만 크게 '트리(Tree)'와 '펜스(Fence)' 두 범주로 구성할 수 있습니다.

• 트리 서포트: 가지나 줄기를 닮은 트리 서포트는 부품을 감싸고 쉬운 제거를 위해 각진 표면에 깔끔하게 맞출 수 있습니다. 트리 서포트는 3D 프린팅 프로젝트의 일부로 빠르게 설계, 적용, 테스트할 수 있어 빠른 반복을 가능하게 합니다. 가지 같은 구조는 특정 영역을 지지하기 위해 거리를 뻗어 나갈 수 있습니다.
• 펜스 서포트: 벽을 닮은, 다양한 마운팅 포인트를 가진 펜스 서포트는 부품 표면에 수직으로 격자 구조로 프린트되는 경우가 많습니다. 펜스 서포트는 트리 서포트보다 더 내구성이 있고 제거하기 쉬우며, 일반적으로 미관 부품이나 대량 생산에 더 나은 선택입니다.

언제 적층 제조 서포트 구조를 사용해야 하나요?

'45° 규칙'은 45° 이상의 3D 프린팅 오버행은 서포트가 필요하고, 45° 미만은 필요하지 않음을 시사합니다.

그러나 45° 규칙은 일반적인 경험 법칙으로 간주되어야 하며 서포트 구조의 필요성은 부품 설계의 복잡성과 사용되는 자재에 따라 달라집니다. 일부 경우 브리징이 서포트 구조의 대안이 될 수 있습니다: 브리징은 가열된 적층 자재를 짧은 거리(보통 5mm 미만)로 늘여 부품 무결성을 손상시키지 않는 기술입니다.

'YHT' 원칙: 3D 프린팅 모델로 직립하여 구상할 때 Y, H, T 문자는 적층 제조 서포트 구조의 필요성을 설명하는 데 유용합니다.

• 문자 Y: Y 문자에서 두 팔이 45°로 뻗어 있습니다. 오버행 각도가 서포트 구조를 필요로 하지 않습니다. 오버행 각도가 45°를 초과할수록 서포트 구조가 필요할 가능성이 높습니다.
• 문자 H: H 문자의 두 수직 요소가 5mm 이내에 있으면 H의 수평 요소를 브리지로 3D 프린팅할 수 있습니다. 수직 요소가 5mm보다 더 떨어져 있으면 수평 요소는 서포트 구조를 필요로 할 수 있습니다.
• 문자 T: T 문자의 두 팔이 수직 요소에서 90°로 뻗어 있으며 서포트 구조가 필요합니다.

오버행 각도 외에도 다른 요인이 서포트 구조 필요성에 영향을 줄 수 있습니다. 여기에는 3D 프린터 품질과 프린트 속도가 포함됩니다: 예를 들어 더 느린 프린터는 서포트 구조 필요성을 증가시킬 수 있습니다.

서포트 구조: 제조 과제

서포트 구조는 많은 적층 빌드에서 필수적이지만, 부품 볼륨 생산 비용에 상당한 영향을 미칠 수 있고 — 폐기물 자재 양도 언급할 필요 없이 — 기억하는 것이 중요합니다. 서포트 구조를 제거할 때 완성된 부품을 손상시키거나 자국을 남길 수 있으므로 주의도 기울여야 합니다.

이러한 요소를 염두에 두고, 3D 프린팅 부품은 이상적으로 서포트 구조의 필요성을 최소화하거나 제거하도록 설계되어야 하며, 가능한 경우 적층 제조 설계(DFAM) 원칙을 적용하여 부품을 품질, 비용, 생산 시간에 최적화해야 합니다. 다음 전략은 서포트 구조 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다:

방향: 부품의 프린트 베드 방향은 서포트 구조 필요성에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어 오버행은 부품을 등이나 옆으로 돌려 제거할 수 있습니다. 위의 예에서 Y, H, T 각 3D 모델 문자를 등에 눕히면 오버행 요소와 서포트 구조 또는 브리지 필요성이 완전히 제거됩니다.

부품 지오메트리: 가능하면 설계에서 오버행을 제거하거나 각도를 45° 미만으로 줄이세요. 기능적 요구사항이 오버행의 완전한 제거를 불가능하게 할 수 있지만 챔퍼, 거셋, 라디우스를 도입하여 부품 지오메트리를 더 자립적으로 만들 수 있습니다.

부품 분리: 3D 프린팅 기술은 복잡한 단일 부품 생산을 가능하게 하지만, 해당 부품이 필요로 하는 서포트 양이 품질이나 비용 효율성을 감소시킨다면 나중에 조립할 더 작은 구성 요소로 분할하는 것이 가치가 있을 수 있습니다. 예를 들어 구형 부품은 상당한 서포트가 필요하지만 반으로 나누고 큰 평평한 표면을 만들면 서포트 필요성을 완전히 제거할 수 있습니다.

서포트 밀도: 서포트 구조에 가해지는 압력은 얼마나 강해야 하고 얼마나 많은 자재가 프린트되어야 하는지를 결정합니다. 성공적이고 비용 효율적인 프린트를 위해 오버행 요소 크기를 지지할 만큼 서포트 구조가 충분히 조밀한지 확인하세요. 서포트 구조가 더 조밀할수록 프린트 후 제거가 더 어려울 수 있음을 명심하세요.

용해성 서포트: 일부 3D 프린팅 기술은 보조 프린트 노즐을 통해 별도의 용해성 자재로 서포트 구조를 프린트할 수 있습니다. 이 서포트 구조는 프린트 후 물이나 화학 물질에 담가 용해시켜 온전한 부품을 남길 수 있습니다. 용해성 서포트는 서포트 구조 제거 과정 중 완성된 부품 손상 가능성을 줄입니다. 대부분의 FDM 적층 자재는 용해성 서포트를 가지며, DLS와 SLA 자재는 그렇지 않습니다. HP MJF 공정은 전혀 서포트를 필요로 하지 않습니다.

시작하기

서포트 구조는 대부분의 적층 제조 프로젝트에서 필수적인 역할을 계속할 것입니다.

목표는 항상 서포트 구조 필요성을 줄이거나 제거하는 것이지만, 우리 엔지니어들은 귀사 부품을 기능성과 비용에 최적화하는 것을 목표로 합니다. 우리가 귀사 적층 제조 프로젝트를 어떻게 가능하게 할 수 있는지 더 알고 싶다면 오늘 SyBridge 팀에 연락하세요.