3D 프린팅 공정 중 측정 기술

3D 프린팅에는 새로운 측정 기술이 필요하다? MM이 이 문제를 추적하고 해답을 찾아 나섰다. 본지는 제조 공정의 어느 지점에 어떤 측정법을 사용하고 어느 분야를 어떻게 연구할 것인지 조사하였다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

  • 많은 업체들이 각 조형 작업의 점검을 위해, 하나 이상의 장력 측정 샘플을 계획하고 있다.
  • 우수한 품질을 위해 제품의 다공성을 점검해야 한다. 이를 위해 분말 입자 상태를 분석한다.
  • 공정 중(In-situ) 점검은 아직 연구 개발 중이다. 그런데 시장에 첫 번째 공급자가 나타났다.
  • CT를 통해 조형물의 완전한 3차원 묘사가 가능하고, 내부의 결함과 다공 분석이 가능하다.

쉽게 부서지는 약한 재료로 인해, 초기의 3D 프린팅 제품은 많은 이들의 머릿속에 좋은 않은 기억으로 남아있다. 이를 불식시키기 위해, 완성된 3D 프린팅 제품을 품질 점검 차원에서 일부러 부수는 경우가 있었다. 일반적으로 3D 조형물은 균일하게 냉각되지 않으면 변형이 일어난다. 사용자는 품질 점검을 통해 적층 디자인에 따라 재료 절감이 이루어진 곳, 즉 디자인에 의해 또는 의도적으로 공기가 있는 층의 오류를 잊지 말아야 한다.

“우리는 구체적인 주문에서 조형 작업 때마다 각 프린팅의 기계적 및 형태상 특성을 점검하기 위해 품질 점검용 시편을 함께 제작합니다. 이 시편은 조형 공간 내 중요한 위치에 배치하여 매개변수의 위치에 따른 변화를 점검합니다. 하지만 사출 성형에서도 제조사가 정한 재료 특성에 의존합니다. 따라서 기술적 사출 성형품은 품질 요건을 보장하기 위해 항상 검증 단계를 거칩니다.”(Dr. 라이너 네트, Kegelmann Technik 이사)

3D 프린팅의 우수한 품질을 위해 재료의 입자 상태부터 점검한다

적층 가공은 재료를 필요한 만큼만 사용하고 낭비하지 않는다는 장점이 있다. 3D 프린트 공정에서 조형물로 가공되지 않은 분말은 다시 사용할 수 있다. 하지만 이는 간단한 작업이 아니다. 남은 분말을 다시 사용하려면, 이를 거르고 검사한 후 새로운 재료와 혼합해야 한다. 분말 베드법은 분말을 새 분말, 넘친 분말, 조형 공간 분말로 구분하는데, 이 분말들을 품질을 보장할 수 있는 비율로 혼합해야 하고, 이를 위해 정확한 측정과 시험 절차가 필요하다. 새로운 분말은 납품업체에 따라 품질이 일정하지 않으며, 열적 손상이 있을 수 있다. 따라서 금속 분말뿐만 아니라 플라스틱 분말도 유동성 특성을 반드시 점검해야 한다.

분말을 빠르게 점검하고 입자 분포를 확인하려면 Carl Zeiss의 광학 현미경을 이용할 수 있다. 나노미터 단위 해상도의 주사 전자 현미경을 통해 각 분말 입자의 상태를 확인하고, 재료 다공성을 점검할 수 있다. CT(컴퓨터 단층 촬영)로도 분말 베드 밀도를 분석할 수 있다. 이 기술은 제조 공정 후 재료 품질을 점검하는 데에 적합하다.

측정 기술은 재료 검사에서 시작하여 후처리 이후 조형물 최종 검사까지, 적층 가공의 매 단계마다 사용된다.

기계 내부 상황을 점검하여 조형물의 품질과 정확도를 지원한다

프로세스 매개변수는 3D 프린팅의 성공과 완성된 조형물의 품질을 결정한다. 프로세스가 불안정하고 조형 공간의 가열 상태가 균일하지 않으면 불량 제품이 생산된다. 프린팅 공정 중에 기계 내부 상황을 점검하여 조형물의 품질과 정확도를 지원하고, 공정 중 점검을 통해 후처리 검사 작업을 생략할 수 있다. 연구 기관들이 이미 이러한 주제를 다루고 있다.

BAM(연방 재료 연구 및 시험 연구소)는 ‘적층 가공 프로세스 모니터링(ProMoAM)’ 프로젝트에서 레이저 DED(직접 분사 적층) 또는 SLM(선택적 레이저 용융)으로 금속 조형물 프린팅 공정을 연구하고 있다. 시작 질문은 다음과 같다. “프린팅 공정 중에 기포나 균열이 발생하는가? 생길 경우 원인은 무엇이고 어떤 식으로 결함을 피할 수 있는가?” 프로젝트 팀은 이를 확인하기 위해 분광법과 제조 프로세스 점검을 위한 비파괴 시험을 연구하고 있다. “분말 베드법은 조형물이 층층이 제조되기 때문에 제조 프로세스마다 각 층들이 표면을 형성하여 품질을 감시할 수 있습니다.”(Dr. 시몬 알텐부르크 프로젝트 매니저) 이때 열화상이나 광학을 통해 측정한다.

측정 결과는 마지막에 3D 데이터로 취합되고, 이 데이터는 조형물 형상과 일치한다. 전체 데이터는 연구원들에게 조형물 내부 정보와 품질에 대한 정보를 제공한다. 또한 이 데이터를 통해 어느 지점에서 적층 가공법을 개선할 수 있는지 그리고 어디에서 오류가 발생하는지 추론할 수 있다. 오류는 조형 공간 내 온도 분포를 가열 속도와 냉각 속도 분석을 조합하고 온도 구배 분석과 조합하여 산출할 수 있다.

레이저 직접 분사 적층 시스템을 셋업하는 쥬세페 피냐텔리. 시스템 내부에는 프로세스 모니터링 적외선 카메라가 부착되어 있다.

좌표 측정기나 3D 스캐닝을 통해 제품의 치수 안정성을 유지한다.

기업들도 적층 가공 프로세스 점검을 연구하고 있다. Polytec의 Dr. 요헌 쉘은 지난 9월에 열린 EAM(Experience Additive Manufacturing) 박람회 강연에서 공정 중 측정법을 연구했다고 발표했다. 미국 회사인 Sigma는 Formnext 2019에서 Printrite3D 버전 5.1을 소개하였다. 실시간 분석을 위한 SLM 법에 적합한 이 소프트웨어는 용융 배스의 열 측정값을 사용하여 각 조형 층의 이상을 감지하고 예측한다. Printrite3D의 새로운 기능 가운데 하나는 Z 축의 이상을 자동으로 감지하는 것으로, 이 기능은 여러 층으로 확산되는 열적 오류를 식별할 수 있다.

적층 가공된 조형물을 검사하기 위해, 사용자들은 기존 제조법에 사용하는 장치를 사용한다. 위탁 제조사들도 마찬가지이다. 흔히 그렇듯이 사출 성형 부품에서 형태, 위치, 치수 정확도에 대한 요건이 까다로운 주문이 적층 가공에서는 많지 않은 편이다. 이런 경우 사출 성형에서 사용하는 시험 기술과 측정 기술을 사용할 수 있다. 3D 프린팅 후 몇몇 공정은 열처리를 진행한다. 이 과정에서 열 응력으로 인해 특성이 변하거나 보어 홀의 형태, 크기, 위치가 변할 수 있다. 이런 경우 좌표 측정기나 3D 스캐닝은 조형물을 전체 구조에서 치수 안정성을 유지하는 데에 적합하다.

다른 제조사들은 CT(컴퓨터 단층 촬영)을 이용한다. 이는 분말 검사 단계에서부터 사용할 수 있다. CT는 특히 적층 가공한 조형물의 내부 구조를 검사하는 데에 적합하다. BAM(연방 재료 연구 및 시험 연구소)은 동기식 μ-CT를 이용하여 마이크로 단위의 균열과 같은 불균일성과 공동부를 연구하고 있다. 예를 들면 기계적 부하를 조사하고 기계적 부하가 구조물 안전에 미치는 영향 등이다. BAM은 동시에 공정 중(In-situ) 측정으로 오류의 특징을 알아내고 이를 예방하는 경우에 CT를 적극 활용한다.

General Electric이 Formnext 2018에서 컴퓨터 단층 촬영기를 선보였으나, 이 제품은 최종적으로 적층 가공 요건에 적합하지 않은 것으로 나타났다. 적층 가공된 조형물은 1/20mm으로, 종래의 기법으로 제작되는 조형물의 1/40mm 보다 훨씬 조밀하기 때문이다. GE Aviation는 현재 GE의 자회사인 Baker Hughes가 개발한 컴퓨터 단층 촬영 장치를 사용하고 있다.

CT를 통해 공차가 적고 질적으로 우수한 조형물을 얻을 수 있다

Hachtel Werkzeugbau 이사인 슈테펀 하흐텔은 EAM의 강연에서 CT를 이용한 검사 방법을 발표했다. 플라스틱 가공 업체인 이 회사는 2007년부터 CT를 이용하고 있으며 2013년에 적층 가공에 진출하였다. Hachtel Werkzeugbau는 플라스틱 3D 프린팅에서 형태 충실도가 문제가 있고 반복 재현성도 주어지지 않았다. 일 년 전부터 Hachtel Werkzeugbau은 광조형(SLA)과 유사한 방법으로 고점도 수지를 120° C에서 가공하는 Hot Lithografy로 작업하고 진행하고 있다. 또한 조형물을 CT로 검사하고 3D 프린팅을 최적화하였다. “이를 통해 공차가 적고 질적으로 우수한 제품을 얻을 수 있었습니다.”(슈테펀 하흐텔)

CT를 이용하여 조형물의 완전한 3차원 디지털 묘사가 가능하고, 내부를 확인하여 결함과 다공을 분석할 수 있다. “단 한 번의 스캔으로 형태 충실도와 접합 구조를 파악할 수 있습니다.”(슈테펀 하흐텔) Hachtel Werkzeugbau는 이를 통해 시스템과 프로세스를 조정하고 최적화하였다. MM

Formnext

적층 가공에 관심이 있는 사람은 프랑크푸르트 박람회장에서 모든 분야와 수많은 국가의 적층 가공 기술과 표준화, 규격화, 산업 안전, 사업 개발 등 관련 주제를 만나 볼 수 있었다. Formnext는 올해 11월에 다시 열린다.