적층가공과 응용사례

적층가공을 전체적으로 조망하는 것은 어려운 과제이다. 한 컨설팅 업체가 적용 사례를 바탕으로 바인더 기반 3D 프린팅 방법을 연구하였다.

 

마티아스 슈미트 레어(Matthias Schmidt-Lehr): Ampower 공동 설립자 겸 매니징 파트너

 

SLM(LB-PBF, 레이저 빔 용융법)은 많은 이들이 사용하는 기술인 반면에 바인더를 기반으로 하는 소결 프로세스는 이제 막 시장에 도입되었다. 매달 새로운 회사와 방법들이 소개되고 있으며, 특히 Desktop Metal과 Hewlett-packard는 새로운 기술을 통한 높은 생산성과 비용 절감을 약속하였다. Ampower는 광범위한 기술 가운데 바인더를 기반으로 하는 새로운 3D 프린팅 프로세스를 연구하고 재료 특성 외에 비용 구조와 디자인 한계를 분석하였다.

 

금속 사출 성형 MIM

소결법의 기본 원리는 폴리머와 왁스를 베이스로 바인더에 금속 분말에 형태를 부여하는 것이다. 현재 가장 널리 알려진 방법으로 플라스틱과 금속 분말의 혼합물로 이루어진 사출 성형 과립을 사용하는 MIM(Metal Injection Moding, 금속 사출 성형)이 있다. 전통적인 플라스틱 사출 성형 시스템에서 성형체는 약 20%의 플라스틱으로 제조되고 이 플라스틱은 탈지 프로세스에서 제거된다. 탈지는 높은 열을 이용하여 기화되는 산 또는 용매를 이용하여 촉매 반응으로 이루어진다. 탈지 후엔 탈지체가 형성되는데 바인더가 없어 깨지기 쉬운 구조물을 갖게 된다. 이 탈지체는 최종 부품으로 소결되는데, 재료는 소결로 안에서 거의 용융 온도에 도달하여 확산 프로세스를 통해 매시브 부품이 형성된다. 이 매시브 부품은 이 프로세스에서 대체적으로 18 ~ 20% 정도 수축된다.

 

바인더 제팅(Binder Jetting)과 금속 FDM

FDM법(위)은 플라스틱 20%와 금속 분말 80%로 이루어진 필라멘트로 작업한다. 그에 비해 아래의 바인더 제팅법은 분말 베드법이다.

소결을 바탕으로 하는 적층법은 다른 조형법을 사용한다는 점에서 MIM과 차이가 있다. 즉 사출 성형법 대신 성형체는 3D 프린팅 프로세스를 통해서만 제조된다. 현재 실질적으로 확립된 방법은 BJT (바인더 제팅)과 Metal FDM (Deposition Modeling)이다. BJT는 레이저 제트 용융과 유사하게 금속 분말로 이루어진 분말 베드가 도포된다. 이후 다수의 노즐이 있는 압력 헤드로 액상 바인더를 부품이 생성되어야 할 위치에 도포하고 이어서 새로운 금속 분말 층이 형성된다. 바인더는 각 층마다 열을 이용하여 경화하거나 전체 조형 작업 이후에 별도의 오븐에서 경화된다. 그렇게 형성된 성형체를 분말 베드에서 꺼낸 후 전통적인 탈지 프로세스 및 소결 프로세스에 제공한다.

금속 FDM법은 MIM법과 유사하게 출발 물질로 피드스톡을 사용한다. 따라서 시스템 종류에 따라 플라스틱 약 20%과 금속 분말 80%로 이루어진 과립이나 필라멘트 또는 바를 사용할 수 있다. 피드스톡은 용융되고 노즐을 통해 베이스 판 위에 층층이 조형된다. 이후 성형체는 다른 방법과 마찬가지로 탈지한 후 소결된다.

 

밀도 차이

Ampower는 8개의 여러 기계에서 만들어진 부품의 기계적 특성, 밀도, 표면 상태를 조사하였다. 재료는 스테인리스 스틸 17-4PH와 316L로 제한하였다. 조사한 네 가지 방법에 통해 이 재료들을 상업적으로 사용할 수 있기 때문이다. 소결을 바탕으로 하는 3D 프린팅 부품의 밀도는 연마 패턴을 현미경으로 평가하여 조사하였고, MIM과 LB-PBF와 경쟁 관계에 있는 기술을 비교하였다. 여기에서 바인더 제팅은 MIM법과 동일한 결과가 나온 반면, 금속 FDM으로 제작된 부품 밀도는 미미하지만 낮게 나왔다. 밀도가 낮은 이유는 소결 프로세스 중에 형성되는 공극 때문이 아니라, 성형체 제조 시 프로세스 오류에 기인한다. 기계적 특성, 표면 거칠기, 경도에 대한 결과는 공개된 연구 결과에 상세히 설명되어 있다.

cm3 당 평균 비용 비교에서 레이저 빔 용융이 비용이 가장 높아서 1위를 차지하였고 그 뒤를 FDM이 따르고 있다.

디자인에 있어서 가능성과 한계

레이저 제트 용융에서 디자인의 자유는 필요한 지지 구조물에 의해 부분적으로 제한될 수 있다. 금속 FDM에서도 지지 구조물은 유사한 형태로 필요하다. 하지만 바인더 제팅은 지지 구조물이 없어도 된다. 분말이 내부응력으로 부품의 형태를 유지하기 때문이다. 소결 공정을 포함하는 적층기술을 제한하는 것은 탈지 프로세스와 소결 프로세스이다. 10mm가 넘는 부품 벽을 탈지하는 것은 어려운 일이다. 부품은 소결 시에 용융 온도까지 가열되기 때문에 자체 무게로 인해 변형이 일어날 수 있으며, 수축 시에도 부품의 변형을 일으길 수 있다. MIM 응용 방법에서는 위의 2가지 현상을 방지하기 위해 제작 부품 크기가 대부분 50mm를 넘지 않으며, 벽 두께가 5mm를 초과하는 경우가 드물다.

다양한 기술들의 연삭 이미지 비교를 통해 다른 기술들은 레이저 용융 밀도에 도달하지 못한다는 점을 알 수 있다. FDM이 만들어내는 밀도가 가장 낮다.

레이저 빔 용융은 생산개수가 많은 경우 상대적으로 비싼 비용이 큰 단점이다. 이러한 비용은 고가의 시스템 비용과 낮은 생산성으로 인해 발생한다. 반면 바인더 제팅 시스템은 구매 비용은 비슷하지만 생산성이 높다. 조형 시간이 제조해야 할 부피에 영향을 받지 않으며 더불어 조형 공간이 가득 차더라도 조형 시간이 동일하기 때문에 조형 공간 내 밀도가 일정 수준 이상이 되어야 수익성이 있다. 따라서 이 방법에는 작은 부품이 적합하다.

FDM은 적층 속도가 비용을 결정한다. 이 기술에서는 시스템 비용이 50,000 ~ 100,000유로(원화로 6천5백만 원에서 1억 삼천만 원)로 상대적으로 낮지만, 필라멘트 시스템을 사용하는 경우 재료 비용이 1kg에 100~200 유로로 비싼 편이다. 따라서 FDM 시스템은 생산 개수가 적거나 소량 시리즈 또는 프로토타입에 적합하다.

 

적용하기에 적합한 방법

■ 생산 개수가 적은 간단한 부품인 경우 FDM법이 레이저 빔 용융법의 시장을 넘보고 있다. 공구 및 장치를 제조하는 경우 FDM이 유연성과 비용 면에서 장점이 있다.

■ 바인더 제팅은 생산 개수가 많은 소형 부품에 적합하다. 바인더 제팅을 사용하면 자동차 섹터에서 적응도가 깊어지고 응용 폭이 넓어질 것이다. 생산 개수가 많은 경우, 소결 프로세스로 인한 문제도 적합한 개발로 상쇄할 수 있다.

■ 그에 비해 레이저 빔 용융은 뛰어난 재료 특성으로 인해 특히 규제 산업이나 항공 우주, 임플란트 제조 또는 터빈 기술로부터 알려진 바와 같이 부하가 큰 적용 사례에 적합하다.

 

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