금속 3D 프린팅 후처리 작업

일반적으로 3D 프린팅이 끝나면 후처리 작업을 진행해야 한다. 따라서 적층 가공 프로세스에서 부품 세척과 표면 작업은 병목 현상을 유발한다. 발전된 새로운 방법은 공정상 안전하게 재현하고 자동으로 후처리를 하는 것이 목적이다.

슈테파네 이타세(Stéphane Itasse)

핵심 내용

  • 적층 가공 부품의 후처리는 아직까지 수작업으로 이루어지는 경우가 많아 공정상 안정성이 떨어진다.
  • 표면 처리 방법에는 슬라이드 연삭, 입자 유동 가공, 전기 화학 디버링, 블라스팅, 폴리싱 등이 있다.
  • 전기 화학 디버링과 같이 공구를 기반한 후처리는 특정 개수 이상에서 수익을 낼 수 있다.

3D 프린팅 제품의 표면 품질은 디자인과 재료 그리고 프린팅 기술에 의해 좌우되지만, Deburring Expo 메쎄 시행사인 Fairxperts는 후 처리도 매우 중요하다고 강조한다. 3D 프린팅 후처리 작업은 다음과 같은 다양한 작업 단계로 이루어진다.

조형판, 지지 구조물, 잔재 분말 제거

평활, 폴리싱 및 라운딩 등으로 거친 표면 처리

코팅, 접착, 납땜 등 후속 처리를 위한 공작물 세척

3D 프린팅 이후 후처리 공정은 부분적으로 수작업으로 이루어진다. 결과적으로 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 재현성이 떨어지는 것도 사실이다. 이런 이유로 표면 기술 공급자들이 적층 가공 부품의 후처리에 깊이 몰두하고 있다.

3가지 표면 처리 방법

Extrude Hone은 2019년 10월 칼스루에에서 열린 디버링 엑스포에서 열적 디버링, 전기 화학 디버링, 입자 유동 가공(AFM, Abrasive Flow Machining) 등 3가지 표면 처리법을 소개하였다. Extrude Hone 대리인 겸 유럽 세일즈 매니저인 랄프 크리거가 MM 과의 인터뷰에서, 전기 화학 디버링은 적층 가공의 후처리에 경미하지만 생산 개수가 다소 많을 경우에 사용된다고 하였다. 이는 전기 화학 디버링에서 각 공작물에 맞게 지정된 위치에만 전류 흐름이 인가되어 재료 제거가 가능한 공구를 제작해야 하기 때문이다.

입자 유동 가공은 적층가공 제품의 후처리를 위한 유연한 공정으로 흥미를 끌었다.

Extrude Hone은 전기 화학 디버링에서 생산 개수가 적은 제품을 위한 소위 플렉스 도구를 개발했다. 공구를 공작물에 맞추기 위해 개별 요소를 교환할 수 있어, 작업자가 직접 제품을 배치해야 한다. “매우 특별한 응용 프로그램인 경우에 연간 30개의 제품만 제작합니다. 하지만 수익이 나려면 작은 크기의 배치가 많이 필요합니다“(랄프 크리거)

디버링 외에 표면 처리와 매체 점도에 따라 에지 라운딩이 달성되는 입자 유동 가공이 더욱 유연하여, 표면 품질이 Ra = 0.05μ m까지 가능하다. 이 공정에서 공작물은 기계 장치에 고정된다. 처리 매체는 매립된 그라인딩 휠을 갖는 한정된 점도의 캐리어 물질이며, 유형, 크기 및 농도는 각각의 작업에 맞추어 조정된다. 피스톤에 의해 매체가 교대 방향으로 흐르거나 가공할 부품 영역을 통해 흐른다. “우리는 적층 제조 분야에서 이 공정에 관심을 가지고 있습니다”라고 크리거는 설명했다. 하지만 입자 유동 가공의 경우, 연삭 매체를 구성 요소에서 제거해야 하는 공정 단계 후에 문제가 발생한다.

필요한 특성을 생성하기 위해 3D 프린팅 후 이 밸브 블록의 표면을 Coolpulse 프로세스와 입자 유동 루프를 사용하여 처리한다.

Extrude Hone은 전기 화학 디버링을 자체 Coolpulse 공정으로 발전시켰다. 기존의 ECM(전기 화학 금속 가공)과 마찬가지로 금속의 양극 용해에 기반한다. 여기에는 pH 중성 전해질을 사용하는데, Coolpulse 공정을 사용하면 내부와 외부 표면의 미세 매크로 구조를 한 공정에서 개선할 수 있어 정의된 표면 특성을 재현할 수 있다. 또한 표면 결함뿐만 아니라 지지 구조물의 잔존물을 제거할 수 있다.

전기 화학 디버링을 위한 플렉스 공구인 Estrude Hone은 다양한 공작물에 적용 가능하다.

Rösler의 GPA DLyte 100 D 시스템

일반적으로 적층 가공 부품의 경우 표면 후처리는 필수 과정이다. 이를 위해 다양한 자동화 프로세스를 사용할 수 있으며 필요한 표면 품질을 재현할 수 있다.

3D 후처리 공정 관련 주요 공급업체인 독일 Rösler Oberflächentechnik와 이탈리아에 새로 설립한 자회사 AM Solutions에 의하면, 3D 프린팅으로 제작된 제품의 후처리 공정을 위한 다양한 프로세스, 예를 들면 잔존 파우더 및 제품과 함께 형성된 파티클 제거, 서포트 구조물 제거, 표면을 매끄럽게 처리하거나 폴리싱 작업등을 위한 다양한 표면처리 장비를 공급한다. 이 업체는 설계 단계부터 3D 프린팅 제작 관련 전체 프로세스 공정을 위한 모든 스펙트럼을 커버하는 장점을 가지고 있다. 고객은 설계에 앞서 고객 별 생산 제품의 표면품질 요건을 실현할 수 있는지, 수정이 필요한지를 확인할 수 있으며, 작업에 따라 적용 사례에 맞게 프로세스와 작업 방법 등을 수정할 수 있다. Rösler는 Deburring Expo에서 금속 공작물의 표면을 자동으로 매끄럽게 처리하고 폴리싱 작업이 가능한 GPA DLyte 100 D 시스템을 선보였다. 이 시스템은 기계적 폴리싱과 비교할 때 제품 표면에 미세 스크래치와 오염 없이 표면 조도값 Ra 0.09 μm 미만인 균일한 결과의 제품 생산이 가능하다. 가공 중에는 원래 부품 형상과 같은 공차가 유지되며, 복잡한 형상의 부품을 프로그래밍 없이 가공할 수 있으며 내식성도 향상된다. 중에는 원래 부품 형상과 같은 공차가 유지되며, 복잡한 형상의 부품을 프로그래밍 없이 가공할 수 있으며 내식성도 향상된다.

Forplan은 디버링 엑스포에서 입자 유동 연삭 시 특별한 특징을 제시했다. 이 업체는 적층 가공 부품의 마무리를 위해 연마재로 마그네틱 펜을 제공한다. MM 과의 인터뷰에서 슈테판 뫼리는 이를 통해 제품을 손상시키지 않고 소결 분말을 제거할 수 있다고 설명했다. 그에 따르면, Forplan은 이 시장에서 유일한 이 후속 처리 공급 업체라고 하였다.

이 믹서 부품의 윤곽은 입자 유동 루프를 사용하여 평활과 폴리싱이 가능하다.

블라스트 역시 적층 가공 부품 후처리 과정에서 선택하는 방법 가운데 하나이다. 네덜란드 제조업체 Leering Hengelo는 표준 마감 3D 텀블러 XL을 선보였다. 이 장치는 회전 바구니에서 일련의 플라스틱 또는 금속 부품을 분사하기 위해 특별히 개발되었다고 한다. 많은 수의 3D 프린팅 제품을 10분 단위로 처리할 수 있다. 바스켓의 회전 각도를 자동으로 조절하고 롤링 움직임을 제어할 수 있어, 부드럽고 재현 가능한 공정을 보장한다. 통합 이온화 유닛은 공정 종료 시 제품에 분말이 남지 않는다. 캐빈은 Atex 인증을 받았다.