적층 제조(Additive Manufacturing, AM)는 3D 프린팅으로도 알려져 있으며, 더 가볍고 강한 부품과 시스템의 생성을 가능하게 하는 산업 생산에 대한 혁신적인 접근 방식입니다. 이름에서 알 수 있듯이 적층 제조는 물체를 만들기 위해 재료를 추가합니다.
적층 제조(AM) 또는 적층 제조(Additive Layer Manufacturing, ALM)는 3D 프린팅의 산업 생산 명칭으로, 재료를 일반적으로 층별로 증착하여 3차원 물체를 생성하는 컴퓨터 제어 공정입니다.
GE Additive에 따르면, 이는 아날로그에서 디지털 프로세스로의 전환으로 가능해진 또 다른 기술적 진보입니다. 지난 몇십 년간 통신, 이미징, 건축, 엔지니어링은 각자의 디지털 혁명을 겪었습니다. 이제 AM은 제조에 디지털 유연성과 효율성을 가져올 수 있습니다.
적층 제조는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어나 3D 객체 스캐너를 사용하여 하드웨어를 제어하여 재료가 정확한 기하학적 형태로 층별로 증착되도록 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 적층 제조는 물체를 만들기 위해 재료를 추가합니다. 반면, 기존 방식으로 물체를 만들 때는 종종 가공, 조각, 밀링, 성형 등으로 재료를 제거해야 합니다.
"3D 프린팅"과 "래피드 프로토타이핑"이라는 용어가 적층 제조를 논의하는 데 관용적으로 사용되지만, 각 공정은 실제로 적층 제조의 하위 집합입니다.
적층 제조가 많은 사람들에게 새로운 것처럼 보일 수 있지만, 실제로는 수십 년 전부터 존재해 왔습니다. 적절한 애플리케이션에서 적층 제조는 향상된 성능, 복잡한 형상, 단순화된 제조라는 완벽한 삼박자를 제공합니다. 그 결과, 적층 제조에 적극적으로 전념하는 사람들에게 많은 기회가 있습니다.
3D 프린팅을 위한 최초의 생산 장비는 나고야 시립 산업 연구소의 히데오 코다마(Hideo Kodama)가 3D 모델을 만드는 두 가지 적층 방법을 발명했을 때 개발되었습니다.
CAD(컴퓨터 지원 설계) 또는 3D 객체 스캐너의 도움을 받아 적층 제조는 정밀한 기하학적 형태를 가진 물체의 생성을 가능하게 합니다. 이들은 기존 제조가 종종 초과 재료를 제거하기 위해 가공이나 다른 기술을 요구하는 것과 대조적으로 층별로 쌓아 올립니다.
3D 프린팅, 래피드 프로토타이핑, 적층 제조는 일반적으로 동일한 공정을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. 복잡한 구조와 구성 요소는 단계별로 쌓아 올리는 재료의 적층으로 생성됩니다.
30년 이상 된 이 기술은 최근에야 인기를 얻었으며, 더 이상 3D 프린팅 프로토타입을 만드는 수단에 그치지 않고 완전히 기능적인 구성 요소를 제공합니다. 중공업부터 의학까지 정밀 기술을 활용하려는 분야에 3D 프린팅 산업이 서비스를 제공함에 따라 가능성은 거의 무한합니다.
적층 제조가 과학 분야에 새로운 기회를 제공하지만, 그 개념과 작동 방식은 놀랍도록 간단합니다.
소결 과정에서 열을 사용하여 액화하지 않고 고체 덩어리를 만듭니다. 소결은 토너가 종이에 이미지를 만들기 위해 선택적으로 녹는 기존 2D 복사와 유사합니다.
DMLS에서 레이저는 금속 분말의 각 층을 소결하여 금속 입자들이 서로 부착되도록 합니다. DMLS 기계는 바람직한 표면 특성과 필요한 기계적 물성을 가진 고해상도 물체를 생산합니다. SLS에서는 레이저가 열가소성 분말을 소결하여 입자들이 서로 부착되도록 합니다.
반면, DMLM과 EBM 공정의 재료는 완전히 용해됩니다. DMLM에서는 레이저가 금속 분말의 각 층을 완전히 녹이는 반면, EBM은 고출력 전자빔을 사용하여 금속 분말을 녹입니다. 두 기술 모두 조밀하고 비다공성 물체를 만드는 데 이상적입니다.
광경화성 수지 적층 조형(SLA)은 광중합을 사용하여 세라믹 물체를 프린트합니다. 이 공정은 광중합체 수지로 만든 용기에 선택적으로 조사되는 UV 레이저를 사용합니다. UV 경화성 수지는 극한의 온도를 견딜 수 있는 내토크성 부품을 생산합니다.
프린팅 시간은 부품 크기와 프린팅에 사용된 설정을 포함한 몇 가지 요소를 고려합니다. 완성된 부품의 품질도 프린팅 시간 결정에 중요하며, 더 높은 품질의 아이템은 생산하는 데 더 오래 걸립니다.
AM은 속도, 해상도, 재료 양이 중요한 요소인 몇 분에서 몇 시간 또는 며칠까지 지속될 수 있습니다.
3D 프린팅된 물체를 만들기 위해 많은 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. AM 기술은 첨단 금속 합금으로 제트 엔진 부품을 만들고 초콜릿 간식과 기타 음식도 만듭니다.
자체 표준을 가진 여러 고유한 AM 공정이 있으며, 여기에는 다음이 포함됩니다:
바인더 제팅 공정은 분말 기반 재료와 바인더라는 두 가지 재료를 사용합니다. 바인더는 분말 층 사이의 접착제 역할을 합니다. 바인더는 일반적으로 액체 형태이고 빌드 재료는 분말 형태입니다.
프린트 헤드는 기계의 x축과 y축을 따라 수평으로 이동하며 빌드 재료와 바인딩 재료의 층을 번갈아 증착합니다. 각 레벨 후 프린트될 물체는 빌드 플랫폼 위로 낮아집니다.
결합 방식 때문에 재료 특성이 항상 부품에 적합하지는 않으며, 상대적인 프린팅 속도에도 불구하고 추가 후처리가 전체 공정을 크게 연장할 수 있습니다.
다른 분말 기반 제조 공정과 마찬가지로 프린트될 물체는 분말 베드에서 자립하며 완료 후 비결합 분말에서 제거됩니다.
직접 에너지 증착(DED)은 여러 용어를 포함합니다: "레이저 엔지니어드 넷 셰이핑, 직접 광 제조, 직접 금속 증착, 3D 레이저 코팅". 기존 구성 요소를 수리하거나 추가 재료를 더하는 데 일반적으로 사용되는 더 복잡한 프린팅 공정입니다.
일반적인 DED 기계는 다축 암에 장착된 노즐로 구성되며, 지정된 표면에 용융 재료를 증착하여 고체화시킵니다. 이 공정은 원리는 재료 압출과 유사하지만 노즐이 여러 방향으로 이동할 수 있고 특정 축에 고정되지 않습니다.
4축 및 5축 기계 덕분에 어떤 각도에서든 증착할 수 있는 재료는 레이저나 전자빔으로 증착 중에 용해됩니다. 이 방법은 폴리머와 세라믹에 사용할 수 있지만 일반적으로 분말 또는 와이어 형태의 금속에 사용됩니다. 일반적인 응용 분야에는 구조 부품의 수리 및 유지가 포함됩니다.
융착 적층 모델링(FDM)은 일반적인 재료 압출 공정으로 Stratasys의 상표입니다. 재료는 노즐을 통해 끌어당겨져 가열된 후 층별로 증착됩니다. 노즐은 수평으로 이동할 수 있고 플랫폼은 각 새 층이 증착된 후 수직으로 위아래로 이동합니다. 많은 저가형 가정용 및 취미용 3D 프린터에서 발견되는 일반적으로 사용되는 기술입니다.
이 공정은 최종 모델 품질에 영향을 미치는 많은 요소가 있지만, 이러한 요소들이 성공적으로 제어될 때 큰 잠재력과 실행 가능성을 가집니다. FDM은 층별로 구축된다는 점에서 다른 모든 3D 프린팅 공정과 유사하지만, 재료가 일정한 압력과 연속적인 흐름으로 노즐을 통해 추가된다는 점에서 다릅니다.
이 압력은 정확한 결과를 가능하게 하기 위해 일정하게 유지되어야 하며 일정한 속도여야 합니다. 재료 층은 온도 제어 또는 화학적 수단으로 결합될 수 있습니다. 재료는 다이어그램에 표시된 것처럼 코일 형태로 기계에 추가되는 경우가 많습니다.
분말 베드 융합 공정에는 다음의 일반적으로 사용되는 프린팅 기술이 포함됩니다: 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM), 선택적 열 소결(SHS), 선택적 레이저 용융(SLM), 선택적 레이저 소결(SLS).
분말 베드 융합(PBF) 공정은 레이저나 전자빔을 사용하여 분말 재료를 녹여 융합시킵니다. 전자빔 용융(EBM) 공정은 진공이 필요하지만 금속과 합금으로 기능성 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 모든 PBF 공정에서 분말 재료는 이전 층 위에 분포됩니다.
롤러나 블레이드 등 이를 수행하는 여러 메커니즘이 있습니다. 깔때기나 베드 아래의 저장소는 신선한 재료의 공급을 보장합니다. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)은 SLS와 동일하지만 플라스틱 대신 금속을 사용합니다.
공정은 분말 층을 층별로 소결합니다. 선택적 열 소결은 분말 재료를 녹여 결합하기 위해 가열된 열 프린트 헤드를 사용한다는 점에서 다른 방법과 다릅니다. 이전과 같이 층들은 소결 층 사이에 롤러로 추가됩니다. 플랫폼이 모델을 적절히 낮춥니다.
시트 적층 공정에는 초음파 적층 제조(UAM)와 적층 객체 제조(LOM)의 제조가 포함됩니다. 초음파 적층 제조에서는 금속 시트나 스트립이 사용되며, 이들은 초음파 용접으로 서로 연결됩니다.
이 공정은 추가적인 CNC 가공과 비결합 금속의 제거가 필요하며, 종종 용접 공정 중에 수행됩니다. 적층 객체 제조(LOM)는 유사한 층별 접근 방식을 사용하지만 용접 대신 종이를 재료로, 접착제를 사용합니다. LOM 공정은 생성 후 쉽게 제거하기 위해 프린팅 중 해칭 방식을 사용합니다.
적층 객체는 주로 미적 및 시각적 모델에 사용되며 구조적 목적에는 적합하지 않습니다. UAM은 알루미늄, 구리, 스테인리스강, 티타늄 등 금속을 사용합니다. 이 공정은 저온에서 작동하며 내부 형상 생성을 가능하게 합니다. 금속이 녹지 않으므로 서로 다른 재료를 결합할 수 있고 상대적으로 적은 에너지가 필요합니다.
VAT 광중합에서는 액체 광중합체 수지로 만든 VAT가 사용되며, 여기서 모델이 층별로 구축됩니다. 자외선(UV) 광선이 필요에 따라 수지를 경화 또는 경화시키는 데 사용되며, 플랫폼은 각 새 층이 경화될 때 제조된 물체를 아래로 이동시킵니다.
이 공정은 물체를 형성하기 위해 액체를 사용하므로 건설 단계 동안 재료로부터 구조적 지지가 없습니다. 비결합 재료가 지지를 제공하는 분말 기반 공정과 대조됩니다. 이 경우 지지 구조를 추가해야 하는 경우가 많습니다.
수지는 광중합 공정 또는 UV 광선을 사용하여 경화되며, 여기서 모터 구동 미러를 사용하여 광선이 수지 표면을 가로질러 향하게 됩니다. 수지가 광선과 접촉하면 경화되거나 굳어집니다.
재료 제팅은 2차원 잉크젯 프린터와 유사한 방식으로 물체를 생성합니다. 재료는 연속 또는 드롭 온 디맨드(DOD) 방식 중 하나로 빌드 플랫폼에 분사됩니다.
재료는 표면 또는 플랫폼에 분사되어 고체화되고 모델은 층별로 구축됩니다. 재료는 빌드 플랫폼을 가로질러 수평으로 이동하는 노즐에서 증착됩니다. 기계는 복잡성과 재료 증착 제어 방식에서 차이가 있습니다. 재료 층은 자외선(UV) 광선을 사용하여 경화되거나 굳어집니다.
재료가 방울 형태로 증착되어야 하므로 사용 가능한 재료의 수가 제한됩니다. 점성이 있고 방울을 형성하는 능력 때문에 폴리머와 왁스가 적합하고 널리 사용되는 재료입니다.
AM은 중량 절감과 복잡한 기하학적 설계의 부품 제조에 탁월합니다. 따라서 가볍고 강한 항공우주 부품을 만드는 데 종종 완벽한 솔루션입니다.
2013년 8월, NASA는 20,000파운드의 추력을 생성한 핫 파이어 테스트에서 SLM 프린트 로켓 인젝터를 성공적으로 테스트했습니다. 2015년, FAA는 상업용 엔진에 사용하기 위한 최초의 3D 프린팅 부품을 승인했습니다. CFM의 LEAP 엔진에는 19개의 3D 프린팅 연료 노즐이 있습니다. Aviation Week에 따르면, 티타늄 와이어로 만든 FAA 인증 보잉 787 구조 부품이 2017년 파리 에어쇼에서 전시되었습니다.
CNN에 따르면 맥라렌 레이싱 팀은 포뮬러 1 경주차에 3D 프린팅 부품을 사용하고 있습니다. 리어 윙 교체에 약 10일이 소요되어 5주에서 단축되었습니다. 팀은 이미 적층 제조를 사용하여 50가지가 넘는 다양한 부품을 생산했습니다.
자동차 산업에서 AM의 래피드 프로토타이핑 잠재력은 생산 부품이 등장하면서 심각한 관심을 끌고 있습니다. 예를 들어, 알루미늄 합금으로 배기관과 펌프 부품을 생산하고, 폴리머로 범퍼를 생산합니다.
뉴욕 대학교 의과대학에서는 300명의 환자를 대상으로 적층 제조를 사용한 환자 맞춤형 다색 신장암 모델의 효과를 평가하는 임상 연구가 진행 중입니다. 이 연구는 이러한 모델이 수술 전 평가와 수술 중 가이던스에서 외과 의사를 효과적으로 지원하는지 조사합니다.
글로벌 의료 기기 제조업체 스트라이커(Stryker)는 호주에서 적층 제조 기술을 사용하여 골암 환자를 위한 맞춤형, 주문형, 3D 프린팅 수술 임플란트를 만드는 연구 프로젝트를 지원하고 있습니다.
일반적으로 AM 제작 의료 기기의 안전성과 효과가 입증됨에 따라 의료 분야의 적층 제조 응용이 증가하고 있습니다. 고유한 합성 장기 생산도 유망합니다.
AM의 설계 유연성 잠재력이 실현됨에 따라 한때 불가능했던 설계 개념이 이제 성공적으로 재구상되고 있습니다. 적층 제조는 한때 그들이 노동했던 제약에서 자유롭게 작업할 수 있는 설계자들의 창의적 잠재력을 해방시킵니다.
적층 제조(AM)는 3D 프린팅으로도 알려져 있으며, 더 가볍고 강한 부품과 시스템의 생성을 가능하게 하는 산업 생산에 대한 혁신적인 접근 방식입니다. 이름에서 알 수 있듯이 적층 제조는 물체를 만들기 위해 재료를 추가합니다.
적층 제조는 특정 3D 프린팅 공정입니다. 이 공정은 디지털 3D 설계 데이터에 따라 재료를 증착하여 부품을 층별로 구축합니다. 예를 들어, 공작물을 고체 블록에서 밀링하는 대신, 적층 제조는 미세 분말로 공급되는 재료로부터 부품을 층별로 구축합니다.
적층 제조 유형:
적층 제조는 물체를 한 번에 한 층씩 쌓아 올려 만드는 공정입니다. 최종 제품이 완성될 때까지 고체 재료 블록을 깎아내는 절삭 제조와 반대입니다.
일반적인 응용 분야에는 환경 제어 시스템(ECS) 덕팅, 맞춤형 화장품 항공기 내부 부품, 로켓 엔진 구성 요소, 연소 라이너, 복합재 툴링, 오일 및 연료 탱크, UAV 구성 요소가 포함됩니다. 3D 프린팅은 높은 강도를 가진 복잡하고 통합된 부품을 제공합니다.
이는 최종 제품을 달성하기 위해 더 큰 대상에서 재료를 깎아내거나 제거하는 다른 전통적인 제품 제작 또는 단조 형태와 다릅니다. "왜 적층 제조라고 부르는가?"라는 질문에 간단히 답하면, 빌드 공정이 원재료를 빼는 대신 추가하기 때문입니다.
3D 프린팅과 적층 제조 용어 사이에는 차이가 없습니다. 3D 프린팅과 적층 제조는 동일한 공정의 동의어입니다. 두 용어 모두 CAD 파일에서 재료를 층별로 결합하여 부품을 구축하는 공정을 참조합니다.
광경화성 수지 적층 조형(SLA)은 CAD 도면에서 고체 프로토타입, 패턴, 제품을 구축하는 적층 제조 공정입니다. SLA는 CAD 구동 레이저 빔 건에서 짜여진 고체 플라스틱 프로토타입의 구축을 가능하게 합니다.
적층 제조의 장점:
금속 부품 제작을 위한 적층 제조(AM)에서 용접의 적용은 가장 빠르게 성장하는 연구 개발 관심 분야 중 하나입니다. 레이저, 전자빔, 아크 용접과 같은 에너지원이 분말 또는 와이어 형태의 원재료를 녹여 증착하는 데 사용됩니다.
단점 - 생산 비용이 높음 - 적층 제조 이외의 기술로 부품을 더 빠르게 만들 수 있으므로 추가 시간으로 인해 비용이 더 높아질 수 있습니다. 게다가 고품질 적층 제조 기계는 비용이 높을 수 있습니다.
척 헐(Chuck Hull)은 3D Systems의 공동 창립자, 수석 부사장, 최고 기술 책임자입니다. 그는 최초의 상업용 래피드 프로토타이핑 기술인 SLA 3D 프린터의 발명가 중 한 명이며 널리 사용되는 STL 파일 형식의 발명가입니다.
래피드 프로토타이핑은 프로토타입을 빠르게 생산하는 것을 의미합니다. 적층 제조는 제품을 만들기 위해 점진적으로 재료를 추가하는 모든 제조 공정을 의미합니다.
생성적 설계가 기존 방법과 작동할 만큼 정교하지만, 적층 제조가 기술에 가장 많은 자유를 제공합니다. 이유를 이해하기 어렵지 않습니다. 생성적 설계로 만들어진 부품의 예. 시스템은 왼쪽의 두 설계를 3축 밀링과 주조 알루미늄에 대해 최적화했습니다.
적층 제조는 1987년 3D Systems의 광경화성 수지 적층 조형(SL)과 함께 처음 등장했습니다. 이 공정은 레이저를 사용하여 자외선(UV) 광선에 민감한 액체 폴리머의 얇은 층을 고체화합니다. 세계 최초로 상업적으로 이용 가능한 AM 시스템인 SLA-1은 한때 인기 있었던 SLA 250 기계의 선구자였습니다.
1988년 크럼프(Crump)는 딸을 위해 장난감 개구리를 만들려고 촛농을 글루건으로 분배하다 아이디어를 얻었습니다. 1989년 크럼프는 이 기술을 특허냈고 아내와 함께 Stratasys Ltd.를 공동 설립하여 래피드 프로토타이핑 또는 상업용 제조를 위한 3D 프린팅 기계를 제작하고 판매했습니다.
광경화성 수지 적층 조형(SLA)은 개발된 가장 오래된 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 이 적층 제조 공정은 광화학 공정을 사용하여 수지 재료를 3D 프린트합니다. 이 SLA 3D 프린팅 공정은 경화될 수 있는 액체 광중합체 수지 VAT를 사용합니다.
찰스 헐(Charles Hull)은 일반적으로 3D 프린팅으로 알려진 최초의 상업용 래피드 프로토타이핑 기술인 광경화성 수지 적층 조형의 발명가입니다. 초기 응용 분야는 연구 개발 실험실과 공구 실이었지만, 오늘날 3D 프린팅 응용 분야는 aparentemente 끝이 없습니다.
2021년에는 대기업과 중소기업을 막론하고 소프트웨어 회사들이 적층 기술의 요구 사항을 충족하는 소프트웨어 솔루션에 집중하면서 진전이 계속될 것입니다. 이 진화는 AM을 산업화로 이끌 차세대 소프트웨어 도구를 촉진할 것입니다.
공정과 구성 요소 설계에 따라 적층 생산의 가변 비용은 기존 생산보다 5~50배 더 높을 수 있습니다. 예를 들어 폴리머와 금속 가공에서 그렇습니다.
GE Additive는 이제 기계, 재료, 엔지니어링 설계 전문 지식을 제공하며, 고객과 협력하여 적층 기술을 비즈니스에 도입하도록 돕습니다. Concept Laser와 Arcam 기계는 이미 항공우주, 의료, 치과, 보석 산업의 고객을 지원하고 있습니다.
와이어 아크 적층 제조는 자동화된 금속 불활성 가스(MIG) 용접 또는 레이저 핫 와이어 용접을 직접 증착 3D 프린팅과 결합하는 공정입니다.
적층 제조 공정은 재료를 층별로 추가하여 물체를 구축하는 반면, 절삭 제조는 부품을 만들기 위해 재료를 제거합니다.
적층 제조 예상 글로벌 시장 성장 2020-2026. 2020년과 2023년 사이에 글로벌 적층 제조 시장은 연간 약 17% 성장할 것으로 예상됩니다. 현재 3D 프린팅 재료 시장은 플라스틱이 지배적이지만, 금속 재료가 시장 성장을 촉진할 것으로 예상됩니다.
공정 자체로서 적층 제조는 이미 더 지속 가능한 생산 수단을 나타냅니다. 이는 3D 프린팅이 처음부터 초과 재료의 사용을 제거하여 불필요한 낭비를 사실상 없애기 때문에 특히 분명합니다.
과제는 현재 제조 기술에 의해 결정되는 부품 및 어셈블리 설계를 식별하고 AM이 성능을 개선할 수 있는지 고려하는 것입니다. AM은 기존 제조 방법으로는 불가능한 형상을 생성할 수 있게 하므로 설계 자유도가 증가합니다.
적층 제조(AM) 또는 적층 제조(ALM)은 3D 프린팅의 산업 생산 명칭으로, 재료를 일반적으로 층별로 증착하여 3차원 물체를 생성하는 컴퓨터 제어 공정입니다.
금속 적층 제조, 또는 3D 프린팅은 기존 제조 경로의 설계 제약 없이 복잡한 부품을 생산할 가능성을 제공합니다.
제조공정
마찰 용접(Friction Welding)이란? 마찰 용접은 공작물 간 상대 운동으로 기계적 마찰열을 발생시키고, 업셋(Upset)이라 불리는 측압력을 가해 소재를 소성 변위·융합시키는 고체 상태 용접(Solid-state Welding) 기법입니다. 용융이 없으므로 융합 용접이 아닌, 단조 용접과 유사한 고체 상태 용접에 속합니다. 금속과 열가소체 모두에 적용되며 항공우주, 자동차 등 다양한 분야에서 쓰입니다. 겉보기엔 매끄러워도 미시적으론 수많은 미세 돌기(Asperities)가 있습니다. 두 면이 상대 운동하면 이 돌기들이 상
유리는 건물, 자동차, 광전자 등에서 매우 친숙한 소재입니다. 하지만 유리는 그저 통칭일 뿐, 유리의 실체는 무엇일까요? 이 글에서는 유리의 종류와 제조 공정에 대한 정보를 공유하겠습니다. 1. 유리는 무엇인가 유리는 비결정질, 무기질, 비금속 소재입니다. 가장 오래되고 친숙한 유리는 화학 화합물 실리카에서 생산되는 규산염 유리입니다. 유리는 광학적 투명성을 가져 주로 창문 유리로 사용됩니다. 또한 유리는 일정한 경도를 가져 빛 투과가 필요한 기기의 보호 커버층 역할을 할 수 있습니다. 광학적 특성을 기반으로 유리는 광학 렌즈, 프
