재료 압출을 이용한 3D 프린팅

재료 압출은 일반적으로 생각하는 응용 사례보다 훨씬 많은 잠재력을 가지고 있다. 독일 남부의 슈투트가르트 대학교가 이 기술의 가능성을 제시했다.

마틴 볼프(Martin Wolf): 슈투트가르트 대학 ISW 연구원

핵심 내용

  • 재료 압출을 사용하면 여러 재료를 순차적으로 조합하여 가공할 수 있다.
  • 여기에 대부분의 지지대는 필요하지 않다.
  • 강화 섬유도 프린팅 레벨에 제한되지 않고 전체 구성품으로 이어진다.

재료 압출, 즉 플라스틱 필라멘트를 사용한 적층 제조(FDM 또는 FFF)는 프로토 타입과 소규모 시리즈 생산에 쓰이는 방법으로, 그 잠재력이 아직 크게 활용되지 않았다. 대부분의 기계는 인쇄 과정에서 하나 또는 두 개의 서로 다른 재료를 가공하며, 일반적으로 재료 가운데 하나는 수용성 지지 구조물을 만드는데 사용한다. 슈투트가르트 대학의 공작기계 및 제조 장치 제어 기술 연구소(ISW)는 아직 활용되지 않고 있는 새로운 가능성을 제시하고자, 다양한 재료를 결합하여 부품 복잡성을 높이는 방법을 연구하고 있다. 대부분의 적층 공정과는 달리 재료 압출을 이용하면 여러 재료를 순차적으로 조합하여 문제없이 가공할 수 ​​있다. 여기에 결정적인 장점은 열가소성 수지 이외의 재료도 적용할 수 있다는 점이다.

슈투트가르트 대학 ISW는 재료 압출을 사용한 다축 인쇄를 위해 7축과 8축이 있는 2개의 인쇄 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 수평 평면으로 제한되지 않고 자유로운 면을 형성하며 개별 재료를 구성품 형상에 적용할 수 있다. 여기에서 중요한 것은 인쇄할 재료의 특정 기능을 활용하는 것이다. 로터리 축을 사용하여 조형판을 돌리고 기울일 수 있어 복잡하고 필라멘트 속도가 빠른 경우에도 지지 구조가 필요 없으며, 추가 자유도를 지능적으로 사용하여 계단 효과와 강력한 방향 의존 부품 강도와 같은 프로세스 단점을 줄일 수 있다.

섬유 강화 다축 인쇄

이러한 디자인과 재료의 다양성을 누리는 방법으로 연속 강화 섬유로 인쇄하는 것이다. 최대 응력 방향으로 강화 섬유를 삽입하여 부품을 보강할 수 있다. 이미 일부 회사에서 이 기술을 사용하고 있지만 3축 운동학으로 인해 단순하고 평탄한 하중 조건에 제한된다. 다축 프린터의 추가적인 자유도를 통해 거의 모든 하중 조건 또는 중첩된 하중 조건에서 최적화된 방식으로 부품을 제조할 수 있다. 강화 섬유는 더 이상 하나의 레벨에 제한되지 않으며, 유한 요소 시뮬레이션으로 확인된 응력 상태와 그로 인한 하중 경로를 중심으로 전체 부품에서 자유롭게 이어질 수 있다.

이 방법의 특별한 장점은 강화 섬유를 최소량만 부품에 도입하면 되며 열가소성 재료로 여전히 자유로운 성형이 가능하다는 것이다. 이렇게 두 구성 요소의 원료 사용을 최소화할 수 있고, 시간과 돈도 절약된다. 섬유 강화 인쇄를 위한 해당 프로세스는 현재 항공기 제작 연구소(IFB)와 협력하여 구현되고 있으며, 슈투트가르트 대학의 지식과 기술 이전을 통해 자금을 지원받는다.

프린터로 제조하는 연골

슈투트가르트 대학 ISW는 프라운호퍼 경계면 및 생물공정공학 연구소(IGB)와 함께 개별 환자에 맞게 조정된 인공 연골을 적층 제조하여 테스트하고 있다. 이를 위해 컴퓨터 단층 촬영 이미지에서 개별 인골 형상을 먼저 재구성하고 재료 압출을 준비한다. 이 모델을 기반으로 뼈의 단면이 기본 구조로 인쇄되어 후속 코팅을 위한 인쇄 기판 역할을 한다. 코팅은 인공 연골 덩어리로 수행되며, 미가공 상태에서 꿀과 같은 점도를 가지며 특별히 개발된 도징 유닛을 사용하여 부품에 도포된다.

다축 적층 제조의 높은 이동 자유만이 재료가 허비되는 것을 방지한다. 그리고 이런 방식으로 정확한 지오메트리를 만들 수 있다. 곡선형 뼈 형상에 대한 직접 프린팅을 통해 더 나은 표면 품질이 가능하고, 지속적인 필라멘트 오버랩 덕분에 비교적 일관된 재료 구조가 가능하다.

내자외선 재료는 인쇄 헤드에 부착된 UV LED에 의해 공정 중에 제어된 방식으로 경화되며 생산 후 인쇄 기판에서 간단히 제거할 수 있다. 재료 압출과 코팅이 모두 동일한 기계에서 이루어지기 때문에 공정이 대부분 자동화되고, 수동 재클램핑 및 경우에 따른 부품 정렬이 필요하지 않다.

소개한 적용 사례는 다축 재료 압출이 3축 공정의 단점, 지지 구조의 필요성, 계단 효과 및 방향에 따른 구성 요소 강도를 크게 보완한다. 섬유 통합과 연골 덩어리의 중력 지향 압력으로 인한 새로운 가능성도 이 기술의 중요한 이점이 될 수 있다.

다축 재료 압출의 경로 계획은 기존의 적층 공정보다 5축 절삭 가공 경로 계획에 더 가깝다.

경로 계획은 절삭 가공을 연상시킨다

재료 압출을 위한 일반적인 경로 계획 프로그램은 위에 소개한 프로세스에 적합하지 않다. 프로세스가 근본적으로 유사하기는 하지만 훨씬 광범위한 문제를 해결해야 하기 때문이다. 특히 충돌 방지, 공간 내부 및 조형 플랫폼 상에서 프린트 헤드의 배향, 곡면에서 일정한 경로 거리 보장, 그로 인한 레이어 두께의 국부적인 변화가 해결해야 하는 새로운 문제들이다. 경로 끝에서 프린트 헤드의 이동은 현재 인쇄 진행 상황에 따라 충돌 없이 계획되어야 한다. 따라서 다축 재료 압출의 경로 계획은 기존의 적층 가공 계획보다 5축 절삭 가공의 경로 계획에 가깝다고 할 수 있다. 절삭가공에 비해 최종 제품 품질은 경로 계획에 훨씬 크게 좌우된다. 경로 정렬, 강화 섬유와 같은 추가 요소의 통합 및 궁극적으로 곡면 선택이 후속 구성품 특성에 큰 영향을 미치기 때문이다.

현재 ISW의 과학자 팀은 다축 적층 제조의 특수한 요구 사항을 고려하고 다축 2성분 인쇄를 가능하게 하기 위해 오픈 소스 CAD 소프트웨어 FreeCAD를 기반으로 하는 새로운 경로 계획 프로그램을 개발하고 있다. 연골 인쇄와 섬유 통합 인쇄 프로세스는 이미 프로토 타입으로 구현되었다.

MM 용어, 재료 압출

재료 압출(MEX)은 3D 프린터가 용융 가능한 플라스틱을 여러 층으로 쌓는 적층 제조 공정이다. 프린트 헤드 또는 압출기는 플라스틱을 가열하여 직각 경로로 가공물에 적용한다. 이 과정에서 층이 서로 결합되고 재료가 즉시 경화된다. 플라스틱은 과립 또는 필라멘트로 가공할 수 있다. 이 기술은 필라멘트로 가공하는 경우, FFF(Fused Filament Fabrication), FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FLM(Fused Layer Modeling)라고도 한다. 재료는 용융 상태(열간 압출) 또는 반죽 상태(냉간 압출)에서 노즐을 통해 전달되고 가닥으로 증착된다. 이 공정의 장점은 콤팩트 공정, 재료 개방성, 높은 인쇄량 및 다중 압출 가능성을 들 수 있다.