금속학적 준비 : 

3D 프린팅

3차원(3D) 프린팅이란, 

3차원 디지털 모델을 바탕으로 소재를 층층이 쌓아 올려 제품을 제작하는 모든 공정을 의미합니다.

일반적으로 "3D 프린팅"이라는 용어는 대중적으로 널리 사용되고 있으며,
반면 "적층 제조(Additive Manufacturing, AM)"라는 표현은 산업 현장 등 전문 분야에서 주로 사용됩니다.

이러한 제조 방식은 기존의 전통적인 부품 생산 방식과는 큰 차이가 있습니다.
적층 제조는 재료를 추가하여 제품을 형성하는 방식이며, 기계 가공은 재료를 제거하는 방식으로 진행됩니다.

따라서 3D 프린팅은 세가지 공정으로 구분할 수 있습니다. 어떤 공정을 사용하든 원리는 항상 동일합니다. 

절삭 공구나 금형과 같은 별도의 전용 공구 없이도 제품을 제작할 수 있다는 장점이 있습니다.

이 세가지 프로세스 범주는 다음과 같습니다 :

1. 재료 증착

(MATERIAL DEPOSITION)

Fused Deposition Modeling (FDM) 또는 Fused Filament Fabrication (FFF)는 용융된 열가소성 재료를 한겹씩 적층하는 기술입니다. 

재료가 굳으면서 부품의 모양이 형성됩니다. 원래는 플라스틱만 사용했지만, 기술의 발전으로 인해 금속(구리와 구리 합금), 탄소섬유, 심지어 목재를 기반으로 한 복합 소재로 필라멘트를 3D 프린팅에서 생산할 수 있게 되었습니다.

2. 빛을 이용한 응고

(SOLIDIFICATION USING LIGHT)

광고형 장치(A Stereolithography Apparatus (SLA))는 자외선 레이저 빔을 사용하여 감광성 액체 폴리머("포토폴리머"라고도 함)를 응고시키는 방식입니다. SLA프린터는 액체 포토폴리머 저장용기, 다공성 플랫폼, 자외선 방출기, 그리고 컴퓨터로 구성됩니다.

자외선에 닿으면 폴리머가 즉시 경화되어 첫 번째 층을 도포하고, 플랫폼을 내린 후 두 번째 층 생산을 시작합니다. 이 작업은 부품이 완성될 때까지 반복됩니다. 그런 다음 플랫폼이 표면으로 올라오면서 제품이 드러납니다.

폴리젯(재료분사) 공정 역시 광중합 원리를 기반으로 합니다. 감광성 재료를 지지체 위에 한 방울씩 떨어뜨린 후 자외선에 노출시키면 수지가 즉시 경화됩니다. 이 공정의 장점은 다양한 재료와 색상의 부품을 인쇄할 수 있다는 것입니다.

선택적 레이저 소결(SLS) 역시 레이저 빔을 사용하지만, 이번에는 재료의 온도를 빠르게 높일 수 있는 매우 강력한 레이저 빔을 사용합니다. 원리는 분말 입자를 매우 정밀한 지점에 조립하여 합금화하기 위해 가열하는 것입니다. 그런 다음 새로운 층을 증착하고 다시 가열하여 이전 층과 융합합니다. 이 작업은 완성된 부품이 얻어질 때까지 반복됩니다. 가장 일반적인 재료는 폴리아미드(나일론)이지만, 유리 분말이나 세라믹도 사용할 수 있습니다.

3. 접착에 의한 분말 응집

POWDER AGGLOMERATION BY GLUING

3차원 인쇄(Three Dimensional Printing (3DP))는 얇은 복합재 층을 플랫폼 위에 펼쳐놓고, 색깔이 있는 접착제를 미세하게 떨어뜨려 미세 입자로 조립하는 방식입니다. 층이 형성될 때마다 플랫폼은 낮아지며, 최종 부품이 완성될 때까지 계속 됩니다.

위에 언급된 공정은 주로 폴리머 부품의 인쇄에 맞춰 조정되고 개발되었습니다. 그럼에도 불구하고, 적층 금속 제조는 최근 몇 년 동안 큰 발전을 이루었으며 수많은 기술 발전을 거쳤습니다. 이러한 발전은 점점 더 혁신적인 제조 방법을 가능하게 하고 더욱 다양한 소재를 생산합니다. 적층 금속 제조 공정 중 주요 내용은 다음과 같습니다.

직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering (DMLS))은 "파우더 베드 퓨전"이라고 불리는 3D 프린팅 계열의 일부입니다. 이방식은 SLS공정과 동일한 원리를 기반으로 합니다. 즉, 레이저 빔을 이용한 정밀 가열을 통해 금속 분말 입자를 소결 또는 융합하여 최종 부품을 층층이 제작하는 방식입니다.

직접레이저 적층제조(Direct Laser Additive Construction (DLAC))는 집중 에너지 소재 증착 기술입니다. 이 방식은 금속 분말이나 와이어 형태의 재료를 프린터 노즐을 통해 공급하고, 강력한 열원(이 경우 레이저 빔)을 사용하여 배출구에서 즉시 용융하는 방식입니다. (전자빔(EBM)이나 플라즈마로 가열하는 다른 기술도 있습니다.) 이 방식은 분말 베드 용융 방식과 달리 부품을 직접 인쇄할 수 있습니다.

냉간분무 : 냉간 금속화(cold metallization)를 통해 부품을 코팅하는 것을 목표로 합니다. 금속 분말 입자를 질소 또는 헬륨 가스 속에서 약 50bar의 압력으로 매우 빠른 속도(최대 1200m/s)로 기판에 분사합니다. 충격 시 입자의 변형을 통해 증착물의 품질이 보장됩니다.

스트라토컨셉션(Stratoconception)은 생산할 부품을 여러 층으로 분해하는 하이브리드 3D 프린팅 공정입니다. 각 층은 밀링, 레이저 절단, 와이어 톱 등의 절단 방식을 통해 생성되며, 인서트, 브리지 또는 기타 중첩 요소를 사용하여 배치된 후 조립되어 최종 부품을 재구성 합니다.

=> 일부 제조업체는 다양한 다른 기술을 직접 개발했습니다. 이러한 모든 개발은 이미 언급된 프로세스 범주를 더욱 차별화 합니다.

3D 프린팅 분야는 빠르게 발전하고 있습니다. 3D 프린팅은 큰 장점을 제공하지만 몇 가지 한계점도 있습니다.

장점은 다음과 같습니다.

– 비용 증가 없이 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있는 능력, 층을 추가하는 제조 공정을 통해 "전통적인" 제조 방식보다 정밀한 부품 형상을 더 쉽게 구현 할 수 있으며, 경우에 따라 재료 사용량이 줄어들어 비용도 더 저렴합니다.

– 제품 제작에는 특정 도구가 필요하지 않습니다. (형상 제작에 사용되는 도구 장치나 금형과는 대조적으로) 3D프린팅 부품의 비용은 사용된 재료의 양, 제작 시간, 그리고 후속 가공 작업에 따라 결정됩니다.

– 맞춤형 부품 제작이 용이합니다. 초기 비용이 저렴하므로 3D 디지털 모델을 수정하는 것만으로 각 제품을 개인화 할 수 있습니다.

– 저렴한 비용으로 신속한 프로토타입을 제작할 수 있습니다. 부품 제조 속도가 빨라져 "설계"가 크게 가속화 됩니다.(설계, 테스트, 개선, 수정 등)

– 사용 가능한 재료의 폭이 넓습니다. 가장 일반적으로 사용되는 재료는 플라스틱이지만, 속과 복합재는 점점 더 구체적인 요구 사항을 충족하기 위해 산업 분야에서 점점 더 많이 활용되고 있습니다.

그럼에도 불구하고 제조업에서 3D 프린팅은 몇 가지 한계를 가지고 있습니다.

– 대부분의 3D 인쇄 공정에서 완성된 제품의 물리적 특성이 원재료 자체의 특성만큼 우수하지 않는 경우도 있습니다. 그러나 레이저를 이용한 선택적 금속 용융 공정(DMLS)의 경우, 일부 조건에서는 우수한 기계적 물성을 지닌 부품을 생산할 수 있어 고정밀 산업용 부품 제작에 효과적으로 활용되고 있습니다.

– 적층 제조는 대량 생산할 제품의 수에 제한이 있습니다. 매우 큰 규모의 생산을 위해 다른 프로세스와 경쟁합니다.

– 부품의 허용 오차와 정밀도는 제한적입니다. 이는 인쇄 공정에 따라 다르지만, 부품은 특성, 허용 오차 및 표면 마감을 최적화하기 위한 마무리 작업이 필요한 경우가 많습니다. 3D 프린팅된 부품은 "프린터"에서 출력되었을 때 바로 사용할 수 있는 상태가 아닌 경우가 많습니다. 필요한 마무리 작업은 일반적으로 기판(즉, 부품을 고정하거나 인쇄 중 불균형을 보완하기 위해 인쇄된 모든 구조물)제거, 샌딩, 연마, 도색 등입니다.

=> 따라서 3D 프린팅은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 

자동차(티탸늄 브레이크 캘리퍼), 항공(구조물 경량화), 해군 항공(선박 프로펠러), 에너지(가스터빈 블레이드), 의로(티탸늄 임플란트), 

항공우주(망원경 알루미늄 거울, 위성 안테나 지지대, 로켓 엔진 터보 펌프), 금속 구조(강철 교량), 시계 제조, 보석 또는 금세공 등 

다양한 분야에 응용되고 있습니다.

금속학적 준비가 가장 필요한 것은 첨가 금속 제작입니다.

금속학적 준비

일반적으로 인쇄 기술, 공정, 개발, 변형 작업 및 다양한 마무리 처리에 따라 부품에 포함된 재료의 특성과 미세 구조가 영향을 받습니다.

 이러한 모든 영향은 기공, 치수 측정, 풀아웃, 구조 및 미세 구조 검사, 불균일성 검색, 개재물 및/또는 불순물 검색 및 검사, 경도 시험, 

입자 크기 관리 등과 같은 속학적 품질 관리로 이어집니다.

검사 표면을 확보하려면 재료에 관계없이 각 단계가 다음 단계만큼 중요한 일련의 작업이 필요합니다. 

각 단계는 다음과 같은 순서로 진행됩니다 :

•  검사할 제품을 제거하는 작업(필요한 경우), 이를 "절단"이라고 합니다.

•  "MOUNTING"이라 불리는, 채취한 샘플의 기하학적 형상을 표준화합니다(필요한 경우).

•  "연마"라 불리는 이 샘플의 표면 상태 개선.

•  샘플의 특성 분석: 

필요한 경우 "금속 식각"이라고 하는 식각 시약을 사용하여 샘플의 미세 구조를 밝히고 광학적 또는 전자적 방법으로 미세한 관찰 을 실시 합니다.

=> 각 단계는 엄격하게 수행되어야 합니다. 그렇지 않으면 다음 단계는 불가능합니다.

절단

절단의 목적은 해당 재료의 물리화학적 특성을 변화시키지 않고 검사에 적합한 표면을 얻기 위해 제품의 정확한 부분을 제거하는 것입니다.

 즉, 가공 경화를 유발할 수 있는 속의 가열이나 변형을 피하는 것이 필수적입니다. 

절삭은 부품의 추가 준비 및 검사를 위한 기본 단계입니다.

 PRESI의 중대형 절단 및 마이크로 절단 기계는 절단 정밀도, 크기 또는 절단할 제품의 수량과 관련하여 모든 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.

이 제품군의 각 절단기에는 맞춤형 소모품과 액세서리가 있습니다. 

클램핑 시스템과 소모품 선택은 성공적인 속 조직 절단의 핵심 요소입니다.

=> 클램핑, 즉 공작물을 고정하는 것은 필수적입니다. 

공작물을 제대로 고정하지 않으면 절단이 절단 휠, 공작물, 그리고 기계에 악영향을 미칠 수 있습 니다.

소모품

모든 절단기는 과열 없이 깨끗한 절단면을 얻기 위해 물과 방청제를 혼합한 윤활/냉각액을 사용합니다. 

이 첨가제는 또한 샘플과 기계를 부식으로부터 보호합니다.

절단 휠 유형 선택은 재료의 특성, 특히 경도에 따라 달라집니다. 

따라서 절단할 복합 재료의 구성에 맞는 소모품을 선택해야 합니다. 소모품은 주요 재료(폴리머, 경 속 또는 세라믹)에 따라 선택됩니다.

=> 절단 실패나 과도한 절단 휠 마모 또는 파손을 방지하기 위해 절단 휠 유형을 적절하게 선택해야 합니다.

설치

샘플은 모양이 복잡하거나, 깨지기 쉽거나, 크기가 작아 다루기가 어려울 수 있습니다. 

마운팅을 통해 샘플의 형상과 치수를 표준화하여 다루기가 더 쉬워집니다.

=> 깨지기 쉬운 재료를 보호하고 연마 및 향후 분석을 위해 좋은 준비 결과를 얻으려면 고품질 장착을 달성하는 것이 필수적입니다.

시편을 장착하기 전에 거친 사포 등으로 시편의 버를 제거하여 절삭 버를 제거해야 합니다. 

에탄올(초음파 탱크를 사용하면 더욱 효율적)로 세척하는 것도 가능합니다. 

이렇게 하면 레 진이 시편에 최대한 잘 부착되어 수축(레진과 시편 사이의 공간)을 최소화할 수 있습니다.

수축이 지속되면 연마 과정에서 문제가 발생할 수 있습니다. 

연마 입자가 이 공간에 끼어 나중에 분리될 수 있으며, 이로 인해 샘플과 연마 표면이 오염될 위험이 있습니다. 

이 경우, 각 단계 사이에 초음파 세척기를 사용하여 세척하는 것이 좋습니다.

두 가지 장착 옵션이 있습니다.

1. 열간 마운팅(HOT MOUNTING) : 모서리 검사 목적이나 경도 시험 준비를 위해 속 조직을 처리하는 경우에 적합합니다. 

이 옵션을 사용하려면 열간 마운팅 장비가 필요합니다.

2. 콜드 마운팅(COLD MOUNTING) :  검사할 부분이 압력에 취약하거나 민감한 경우, 벌집 구조와 같이 복잡한 형상을 갖는 경우, 

또는 많은 수의 부품을 직렬로 장착해야 하는 경우 콜드 마운팅이 선호됩니다.