2022년 4월 5일 게시
적층 제조는 제조 가능성의 새로운 시대를 열었습니다. 3D 프린팅 기술을 사용하면 전례 없는 속도와 정밀도로 복잡한 치수와 각도를 특징으로 하는 이전에는 '만들 수 없었던' 부품을 만들 수 있습니다. 그러나 재료가 층별로 추가되는 적층 제조 공정의 특성상 인쇄 중에 부품에 내부 압력(기본적으로 중력)을 관리하기 위한 지원이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 지지대가 없으면 적층 레이어가 주변 재료에 의해 지탱될 수 없으며 붕괴되어 프린트가 실패하게 됩니다. 이러한 문제를 해결하려면 때로는 3D 프린팅 부품에 지지 구조를 설계해야 합니다.
속도, 품질 및 비용 측면에서 3D 프린팅 부품의 잠재력을 극대화하려면 서포트 구조와 이를 적층 제조 프로젝트에 통합하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.
지지 구조는 제조 과정에서 지지 재료가 없는 3D 프린팅 부품의 요소를 지탱합니다. 모든 3D 프린팅 프로세스에 서포트 구조가 필요한 것은 아닙니다. Stratasys FDM(Fused Deposition Modeling), DLS(Carbon Digital Light Synesis™) 및 SLA(Stereolithography) 프로세스에는 서포트가 필요한 경우가 많지만 파우더 베드 프린팅 프로세스인 HP Multi Jet Fusion은 그렇지 않습니다.
예를 들어 Stratasys FDM(Fused Deposition Modeling) 적층 제조 공정에서는 가열된 압출 재료의 레이어가 인쇄 베드에서 그 아래의 재료 레이어에 접착되어 형성되며 각진 표면을 만들기 위해 해당 하위 레이어가 돌출될 수 있습니다. 해당 각도가 45°를 초과하면 돌출된 요소에는 일반적으로 지지가 필요하며, 지지되지 않는 재료의 무게로 인해 요소가 무너지고 인쇄가 실패하게 됩니다.
왼쪽: 돌출부가 수직에서 45° 이하인 경우 일반적으로 지지대가 필요하지 않습니다.지지대가 필요한 경우 부품 설계에 통합하고 부품 생산 시 부품에 인쇄해야 합니다. 물론 이는 3D 프린팅 과정과 그에 따른 서포트 구조 제거 과정에서 필요한 추가 시간과 재료를 고려하는 것을 의미합니다.
예외: 모든 적층 제조 방법에 지지 구조가 필요한 것은 아닙니다. FDM(융합 증착 모델링)과 같은 3D 프린팅 기술은 프린트 베드에 재료 레이어를 추가하여 부품을 프린팅하는 반면, HP Multi Jet Fusion(MJF)과 같은 다른 기술은 파우더 베드에서 부품을 프린팅합니다. 분말 층은 자체 지지형이므로 HP MJF 부품 설계에는 지지 구조를 통합할 필요가 없습니다.
3D 프린팅 부품의 지지 구조는 디자인과 유형이 다양하지만 크게 '나무'와 '울타리'라는 두 가지 범주로 구성할 수 있습니다.
'45° 규칙'은 45° 이상의 3D 프린팅 오버행에는 지지가 필요하지만 45° 미만의 오버행에는 지원이 필요하지 않음을 시사합니다.
그러나 45° 규칙은 일반적인 경험 법칙으로 간주되어야 하며 지지 구조의 필요성은 부품 설계의 복잡성과 사용되는 재료에 따라 달라집니다. 경우에 따라 브리징은 지지 구조에 대한 대안을 제공할 수 있습니다. 브리징은 부품의 무결성을 손상시키지 않고 가열된 첨가 재료를 짧은 거리(일반적으로 5mm 미만)에 걸쳐 늘리는 기술입니다.
'YHT' 원리:똑바로 서서 3D 프린팅된 모델로 생각하면 문자 Y, H, T는 적층 제조 지지 구조의 필요성을 설명하는 데 유용합니다.
돌출부 각도 외에도 다른 요인이 지지 구조의 필요성에 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에는 3D 프린터의 품질과 인쇄 속도가 포함됩니다. 예를 들어 프린터 속도가 느리면 지지 구조의 필요성이 높아질 수 있습니다.
서포트 구조는 많은 적층 제작에서 필수 요소이지만 프로젝트에서 궁극적으로 생성되는 폐기물의 양은 말할 것도 없고 대량 생산 시 부품 비용에 큰 영향을 미칠 수 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 또한 지지 구조물을 제거할 때 분리 시 완성된 부품이 손상되거나 자국이 생길 수 있으므로 주의해야 합니다.
이러한 요소를 염두에 두고 3D 프린팅 부품은 지지 구조의 필요성을 최소화하거나 제거하도록 이상적으로 설계되어야 하며, 가능하다면 품질, 비용 및 생산 시간에 맞춰 부품을 최적화하기 위해 적층 제조 설계(DFAM) 원리를 적용해야 합니다. 다음 전략은 지원 구조의 필요성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다:
방향: 인쇄 베드의 부품 방향은 지지 구조의 필요성에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 돌출부는 부품을 뒷면이나 측면으로 회전시켜 제거할 수 있습니다. 위의 예에서 3D 모델 문자 Y, H, T를 각각 뒷면에 놓으면 지지 구조물이나 브리지의 필요성과 함께 돌출된 요소가 완전히 제거됩니다.
부품 기하학: 가능하다면 디자인에서 돌출부를 제거하거나 각도를 45° 미만으로 줄이십시오. 분명히 기능적 요구 사항으로 인해 돌출부를 완전히 제거하는 것이 불가능할 수 있지만 모따기, 거셋, 반경과 같은 대체 설계 요소를 도입하여 부품의 형상을 보다 자립적으로 만들 수 있습니다.
부분 분리: 3D 프린팅 기술을 사용하면 복잡한 단일 부품을 생산할 수 있지만 해당 부품에 필요한 지원량이 품질이나 비용 효율성을 저하시키는 경우 나중에 조립할 수 있도록 부품을 더 작은 구성 요소로 분할하는 것이 좋습니다. 예를 들어 구형 부품에는 상당한 지지대가 필요하지만 이를 반으로 나누고 크고 평평한 표면을 만들면 지지대가 필요하지 않게 될 수 있습니다.
지원 밀도: 지지 구조에 가해지는 압력에 따라 지지 구조의 강도와 프린팅에 필요한 재료의 양이 결정됩니다. 성공적이고 비용 효율적인 인쇄를 보장하려면 지지 구조가 돌출 요소의 크기를 지탱할 수 있을 만큼 밀도가 높은지 확인하십시오. 지지 구조의 밀도가 높을수록 인쇄 후 제거가 더 어려울 수 있다는 점을 명심하세요.
분해성 지지체: 일부 3D 프린팅 기술은 보조 프린트 노즐을 통해 별도의 용해성 재료로 지지 구조를 프린팅할 수 있습니다. 이러한 지지 구조는 인쇄 후 물이나 화학 물질에 담근 후 용해되어 부품을 손상시키지 않을 수 있습니다. 용해 가능한 지지대는 지지 구조 제거 과정에서 완성된 부품이 손상될 가능성을 줄여줍니다. 대부분의 FDM 첨가제 재료에는 용해 가능한 지지체가 있지만 DLS 및 SLA 재료에는 없습니다. HP MJF 프로세스에는 지원이 전혀 필요하지 않습니다.
지원 구조는 대부분의 적층 제조 프로젝트에서 계속해서 중요한 역할을 할 것입니다.
목표는 항상 지지 구조의 필요성을 줄이거나 없애는 것이지만, 당사 엔지니어들은 기능과 비용 측면에서 부품을 최적화하는 것을 목표로 합니다. 적층 제조 프로젝트를 가능하게 하는 방법에 대해 더 자세히 알고 싶으시면 지금 SyBridge 팀에 문의하세요.
산업기술
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상업용 항공기를 위한 복합 항공 구조의 제작은 50년 이상에 걸쳐 있으며 보잉 787 및 에어버스 A350을 위해 2000년대 초에 개발된 동체, 날개, 날개, 엔진과 같은 작은 부품에서 매우 큰 기본 구조까지 꾸준히 발전해 왔습니다. 이러한 발전의 대부분은 오토클레이브 경화 탄소 섬유/에폭시 프리프레그의 사용에 의존했습니다. 이 프리프레그는 처음에는 수작업으로 쌓다가 결국에는 자동 섬유 배치(AFP), 자동 테이프 부설(ATL) 및 기타 기계 기반 공정을 통해 이루어졌습니다. 이러한 재료 및 공정(M&P) 기술은 팬데믹 이전에
