적층 가공을 통한 조형과 확장 그리고 수리

SLM, EBM, DED, LMD, WAAM, Coldspray

이 약어들에 숨겨진 의미는 무엇이며, 이들 적층 가공이 어떤 목적에 활용할 수 있을까?

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

  • 분말 베드법은 조형 속도가 다소 느리며, 생산 라인에 직접 통합은 어렵다.
  • LMD법은 기계에 따라 금속 분말뿐만 아니라 와이어도 가공할 수 있다.
  • 콜드 스프레이 증착(Cold Spray deposition)법은 콜드 가스 분사에서 시작하였다.

우리는 오랫동안 정보를 얻어 왔으며 사용자들의 경험을 묻고, 충분한 응용 잠재력을 발견하여 직원들과 토의하고 비용을 대략적으로 계산하였다. 이제 생산 설비에 3D 프린터를 확장해야 하는 것은 분명하다. 하지만 어떤 금속 적층법이 적합할 것인가에 의문을 달 수 있다. 흔히 그러하듯, 모든 것은 적용 사례에 따라 다르다. 무엇을 적층 가공하고자 하는지 또는 어떤 목적으로 적층 가공법을 사용하는지가 방법을 결정한다. 여기에는 당연히 조형물 크기와 지오메트리 그리고 생산 개수가 포함된다. 새로운 기계가 생산 라인의 일부인지 아니면 별도로 작동하는지 하는 문제도 많은 적용 사례에서 영향을 끼친다.

정확도 향상 및 후처리 감소

가장 널리 분포된 금속 적층 가공법은 선택적 레이저 용융법(SLM, LBMF)이다. 조형 공간에서 금속 분말이 의도한 위치에서 레이저에 의해 용융된다. 이는 가스 대기, 즉 대부분 아르곤 가스 환경에서 이루어지며, 따라서 생산 라인에 직접 통합할 수는 없다. EBM법(electro beam melting, 전자빔 용융)도 마찬가지이다. 이 방법 역시 분말 베드법에 속한다. “이는 조형 속도가 다소 느리지만, 정밀도가 높아 추후 절삭 작업이 많이 필요하지 않습니다.”(외르크 빌만, Additive Wilmann 설립자) 후처리를 해야 하는 것은 기능면, 표면 그리고 나사산이다. 수동 추가 처리가 (부분적으로) 자동화되었지만 공작물을 정밀하게 배치하고자 하면 영점 클램핑 시스템에 주목해야 한다.

수리와 확장에 적합

절삭 가공과 직접적으로 협력하는 경우, 즉 적층 가공을 생산 라인의 구성 요소로 이용하는 경우 DED(direct energy deposition) 방식을 권장한다. 이 방식은 분말 기반 기술뿐만 아니라 와이어 기반 기술도 수반한다. LMD(Laser Metal Deposition) 방식은 기계에 따라 금속 분말과 와이어를 가공한다. 레이저가 용융 배드를 형성하고 동시에 분말 또는 와이어가 불활성 기체를 이용하여 공급한 후 용융된다. 조형되는 바닥 면이 용융되기 때문에, 기존 부품을 수리하거나 기존 부품에 부착하여 확장하기 위해 사용할 수 있다. “이 기술과 하이브리드 제조를 통합한 기계 제조사들이 있습니다. 따라서 조형품을 한 번의 클램핑으로 완성될 때까지 가공할 수 있습니다.”(외르크 빌만) 최대 2.5kg/h의 조형 속도가 가능하다.

선택적 레이저 용융에서는 항상 조형 작업 후 다시 제거해야 하는 지지 구조가 필요하다.

대형 부품과 확장에 적합

다소 큰 부품을 만들거나 적층 가공으로 확장하려면 WAAM(Wire & Arc Additive Manufacturing) 방식을 추천한다. 이 방식은 금속 와이어가 아크 용접에 의해 최종 윤곽에 가까운 조형물로 가공된다. 용접 노즐을 로봇이 안내하여 다축 이동이 규칙적이다. 많은 제조사들이 이동식 조형 플랫폼을 제공한다. 조형 속도는 4 ~ 11kg/h이다. 이 방식은 후처리가 필요하고, 대부분 표면 처리 전에 절삭 가공이 추가된다. “WAAM 방식은 시스템 간의 인터페이스를 스마트하게 해결하는 것이 중요합니다.”(외르크 빌만) 이 방식의 장점은 와이어가 용접되는 것으로 잘 알려져 있으며 재료도 저렴하다.

콜드 가스 분사에 기원을 두고 있는 콜드 스프레이 증착은 조금 덜 알려져 있지만, 금속 분말을 레이저나 전자 빔으로 용융하는 대신 콜드 스프레이는 빠른 속도로 작업할 수 있다. 분말 입자가 음속의 3배 속도로 기판이나 하부 층에 ‘발사’된다. 이때 충돌에 의해 분말 입자가 변형되면서 결합된다. 따라서 조형물을 매우 빠르게 적층할 수 있지만, 디테일한 성형은 거의 불가능하고, 데이터 편집도 까다로운 것으로 평가된다. 외르크 빌만에 의하면 콜드 스프레이 증착은 밀링 머신과 조합하기 유리하고 열 영향이 작아 조형물의 변형과 응력이 드물다고 한다. 하지만 이 방식은 특별 처리한 분말이 필요하지 않다는 장점이 있다. 외르크 빌만은 한 가지 팁을 제공하였다. “하이브리드 프로세스, 즉 기존 CNC 기계에 적층 가공을 통합한 하이브리드 머신이 매우 흥미롭습니다. 이를 통해 투자 비용과 셧다운 리스크를 줄일 수 있습니다. 이는 절삭 가공이 가능하면서 필요에 따라 적층 가공도 조합할 수 있기 때문입니다.”