적층 기술, 분말 베드법에서 분말 제거하기

적층 조형 후 분진 제거 작업이 이루어진다. 분말 베드법에서는 손으로 털거나 흡진기를 이용하여 부품에서 잔여 분말을 제거한다. 보다 간단하고 보다 깔끔해야 효과가 있다는 점을 위탁 제조업체 Toolcraft가 확인하였다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

생산 공장 우측에 캐빈이 설치되어 있다. 이 캐빈에는 조형 작업 후 부품 분말 제거를 위한 세척기가 들어 있다.

불량 품질에 대해서는 누구든지 불평하기 마련이다. Toolcraft는 이 분야에서 새로운 사업을 시작하기로 결정하였고, 현재도 이 주제에 많은 노력을 기울이고 있다. 금속 위탁 제조업체인 Toolcraft는 2005년경에 3D 프린팅 제품의 후처리 공정을 주문받았다. 당시의 3D 프린팅 부품 품질은 산업적인 기술 성숙도에 도달하기 위해 요구되는 바가 상당히 많았습니다.(크리스토프 하우크, Toolcraft 대표) 따라서 이 업체는 2011년에 적층 가공을 직접 실행하기 위해 Concept Laser의 M2 Cusing을 구매하였다. 최근 Toolcraft는 총 9대의 Concept Laser, EOS, Trumpf의 SLM(선택적 레이저 소결) 시스템을 구비하고, 20여 명의 직원들을 이러한 기술을 데이터 처리에서 후처리까지 적용하였다. 또한 적층 가공 홀을 새로 건축하였다. 적층 가공 생산을 중앙화하였다는 것 외에, 산업 안전 조치를 모든 과정에 포함하였다. 예를 들어 시간당 여섯 번씩 공기를 교체하여, 분말 입자로부터 직원들을 보호하는 공기 정화 시스템을 설치하였다. 또한 조형 작업 후 분말 제거와 같이, 공정 별 작업 단계를 삽입하거나 추가 배치하였다.

분말 제거는 레이저 용융과 플라스틱 버전, 선택적 레이저 소결에서 수작업으로 이루어지는 경우가 많았고, 자동화가 크게 이루어지지 않았었다. 최근에 이르러서야 분말 베드법에서 잔여물을 기계적으로 제거하는 것이 사업 모델로 인식되었다. 이 분야는 Solukon이 전문 업체이며, 이 회사는 2014년에 첫 번째 분말 제거 캐빈을 출시하였다. Toolcraft는 이 업체로부터 두 대의 기계 SFM-AT800과 SFM-AT300을 구입하였다.

회전과 진동으로 분말 제거

조형공간에서 필요한 경우 안전 장갑에 손을 넣어 수작업으로 직접 분말을 제거할 수 있다.

레이저 용융 시스템이 조형 작업이 완료된 이후, 부품을 덮고 있는 잔여 분말은 적합한 언팩 스테이션에서 집진 작업을 통해 제거된다. 부품 외부에 붙어 있는 대부분의 분말이 이렇게 제거된다. 하지만 부품의 내부에서도 분말을 제거하는 과정은 그리 쉽지 않은 작업이다. 이를 위해서 작업자는 부품을 다음 공간으로 옮겨, 그곳에서 조형 플레이트는 Solukon 기계에 설치된다. 금속 분말을 안쪽에 있는 공동부에서 분말을 제거하기 위해, SFM-AT800은 자신의 두 축을 이용하여 조형 플레이트를 좌우로 돌리고 흔들어 잔존 분말을 제거한다. 이 공정은 분말 제거 공정이라기 보다 차라리 세척 공정에 가깝습니다. 이 공정을 진동과 회전을 조합하여 효율적으로 만들었습니다.(우베 슐마이스터, Toolcraft 금속 레이저 용융 부문 책임자) 축 움직임을 프로그래밍하고, 사용자는 다양한 부품 위치를 저장하여 소프트웨어가 이를 결합할 수 있다. 이를 위해 소프트웨어는 부품 데이터 모델을 이용한다. 이를 통해 복잡한 형상의 공동부에 남아 있는 분말을 제거하고 조밀한 지지 구조물에 잔여 분말이 남지 않도록 보장하고, 부품이 정해진 위치에서 유지되도록 프로그래밍할 수 있다. 예를 들어 고정된 장갑에 손을 넣어 작업자가 불활성 가스나 압축 공기를 이용하여 잔존물을 제거하거나 세척할 수 있다.

잔여 분말 재활용 가능

잔여 분말은 프로세스 챔버 바닥에 있는 호퍼로 떨어지고, 듀얼 밸브 시스템을 통해 오염되지 않도록 탱크에 모인다.

Toolcraft는 Solukon 기계로 분말 제거 공정을 확대하기 전에 전통적인 제트 프로세스에서 제거하는 것과 유사한 방법을 채택하였다. 이 같은 경우 분말을 다시 사용할 수 없었습니다.(우베 슐마이스터) 하지만 분말을 다시 사용하는 것은 적층 가공의 장점 가운데 하나이기 때문에. Solukon 기계로 분말을 제거하면서 우리는 상당량의 분말을 다시 획득할 수 있었습니다.(우베 슐마이스터) 세척 중 떨어져 나온 분말은 바로 프로세스 챔버 바닥에 있는 호퍼로 떨어지고, 거기에서 듀얼 밸브 시스템을 통해 오염되지 않도록 탱크에 모으거나, 프로세스 챔버를 직접 재료 재가공 유닛과 연결할 수 있다. Toolcraft는 두 가지 형태 모두 가지고 있으나, 현재는 탱크를 사용하는 방법을 주로 이용하고 있다. 이 업체는 자체 재료 연구소도 운영하고 있어, 혼합 분말의 품질을 현장에서 바로 점검할 수도 있다.

Solukon의 기계가 제공하는 불활성화는 공정 안전에 기여한다. 불활성화란 공기 중의 산소가 가스를 통해 대기 중의 폭발 위험성을 제거되는 과정을 말한다. Toolcraft에서는 분말이 분말 제거기로 들어가는 도중에 주변 공기에 노출되어, 불활성화는 여기에서 폭발 방지에 기여한다. Solukon에 따르면 불활성화는 재활용되는 분말 품질도 개선할 수 있다고 한다.

SFM-AT800은 치수 800 mm × 400 mm × 550 mm의 최대 무게 300kg인 부품에, AT300은 최대 300 mm × 300 mm × 350 mm에 최대 60kg의 부품을 수용할 수 있다. Toolcraft가 수주하는 부품 길이는 10 ~ 400mm로 크기뿐만 아니라 부품 형상 복잡도나 지지 구조물의 개수 그리고 부피와 같은 요소들도 세척 시간을 좌우한다. Toolcraft에서는 세척 작업 당 최대 2시간의 분말 제거 시간을 포함하여 계산한다. 또한 자동화된 프로세스는 일정하고 재현 가능한 결과를 제공하고, 그 혜택을 전체 공정이 누립니다.(슐마이스터)

SFM-AT에서 분말이 제거되고 나온 부품 모델. 이 시연 부품은 Formnext 즈음에 VDMA의 공동 프로젝트에서 Toolcraft와 Altair가 함께 개발하였다.

조형 작업에서 세척까지 프로세스 전체를 자동화하기 위해 Solukon이 기계를 준비하였다. 자동 루프를 통하거나 옵션인 자동 개폐 도어를 통해 로봇이 기계에 재료를 장착하고 제거할 수 있다. 공압식 신속 클램핑 시스템도 자동 시스템으로 교체할 수 있고 모든 것을 OPC UA로 제어한다. Toolcraft도 자동화된 적층 가공이 기본적으로 바람직하다고 생각하지만, 각 단계를 전부 자동화하는 것은 아니다. 하루에 두 번 정도 시스템을 로드하고 언로드 한다면, 이를 위해 로봇은 필요하지 않습니다.(Toolcraft 대표 하우크) Toolcraft는 주문에 따라 유연하게 대응할 수 있어야 했다. 전자동 프로세스가 이를 방해할 수도 있다. 하지만 언팩 공정을 Solukon의 세척과 연결하는 것과 같은 합리적인 개선 방안이 있으며, 바로 이런 점이 하우크가 바라는 점이다.