세라믹을 이용한 적층 가공

세라믹을 이용한 적층 가공은 일반적이지 않다. 세라믹은 산업 응용 분야에서 주목받지 못했던 재료이다. 하지만 맥슨 이 이 분야에 과감하게 뛰어들었다. 물론 장애물이 전혀 없었던 것은 아니다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

  • 세라믹을 사용한 3D 프린팅으로 정교한 디테일과 미세한 기하학적 형상 그리고 중공 구조물을 제작할 수 있다.
  • 적층 제조를 위한 설계 소프트웨어는 세라믹의 요건에 맞게 설계되지 않았다.
  • 성형체인 세라믹 부품은 매우 부드럽기 때문에 청소 과정이 복잡하다.

소형 및 초소형 모터 제조업체인 맥슨의 독일 공장은 세라믹을 이용하여 기어-모터 조합을 위한 샤프트를 100만 개까지 생산한다. 이 세라믹 생산 공장은 독일 남부 프라이부르크 근처 젝사우에 있다. 이곳에는 사출 성형, 압출 및 절삭 기계와 후처리 기계가 배치되어 있으며, 레이저 정밀 기술을 위한 별도의 개발 구역과 품질 보증을 위한 연구실, 제지 및 소결 공정을 위한 공간과 3D 프린터가 있다.

흰색 점성 화합물은 세라믹이라기보다는 밀봉용 실리콘을 떠오르게 한다. 이 세라믹 페이스트는 감광성이라 자외선으로부터 보호해야 하기 때문에, 항상 검은색 플라스틱 상자에 닫아서 보관된다. 이 세라믹 재료는 소결 이후에 기존 공정의 세라믹처럼 거동한다. 맥슨 은 두 가지 세라믹 재료인 산화지르코늄과 산화알루미늄을 사용한다. 산화지르코늄 (ZrO2)은 높은 내마모성과 경도를 제공하기 때문에 산업과 의료 기술 응용 분야에 주로 사용하며, 탄성 계수(영률 또는 인장 탄성률)와 열팽창은 모두 강철과 매우 유사하다. 산화지르코늄은 생체에 적합하다. 두 번째 재료인 산화알루미늄(Al2O3)은 절연이 잘되고 밀도가 낮기 때문에 맥슨 은 전기 공학 응용 분야에 주로 산화알루미늄을 사용한다.

3D 프린터에 대한 맥슨의 요건은 레이저의 품질, 설치 공간의 크기, 요구되는 공차, 재료 특성 및 가격이 맞아야 하고 기계도 빨라야 한다. 맥슨 은 적합한 기계를 찾는 데 2년이란 시간이 걸렸다. 1년 전부터 3D Ceram의 Ceramaker 900을 사용하고 있다. 그리 오래되지 않았지만 이미 첫걸음을 내디뎠고 점차 응용 잠재력을 발견하고 있다.

주입 캐뉼러는 내경을 구현하기 어렵기 때문에 3D로 인쇄되지 않는다.

더 오래 유지해야 한다면

세라믹으로 만든 기어 샤프트는 금속 기어 샤프트보다 마모가 훨씬 적다. 세라믹 레이저 스핀들은 더욱 긴 서비스 수명을 약속한다. 세라믹은 놀라울 정도로 유연하고 탄력적이기 때문에, 맥슨 은 세라믹으로 스프링도 제조하였다. “반면에 세라믹은 매우 잘 부서집니다.”(안드레아스 필립, 맥슨 CIM/MIM 역량 센터장 온도 저항과 절연 그리고 EMC 안전 특성은 산업 및 의료 기술 응용 분야에 모두 중요하다. 이런 이유로 맥슨 이 세라믹 소재의 절연 슬리브를 생산한다. 세라믹은 훨씬 쾌적하고 금속처럼 만지는 것처럼 차갑지 않고 생체 적합성도 높아 신생아를 위한 주입 바늘용 캐뉼러를 이 재료로 만든다.

대부분의 제품은 Philipp의 세라믹 팀에서 사출 성형 또는 압출 공정으로 제조한다. 3D 프린터의 가능성과 장점은 아직 완전하게 테스트되지 않아, 고객은 여전히 신중하다. 또한 세라믹을 이용한 생산은 사출 성형에 적용하기에 너무 비싸다. “우리는 새로운 제품이나 개별 제품에 적층 제조를 사용하고 다양한 변형을 테스트하고 있습니다.”(무사와 카와자, Development CIM/MIM 소속, 맥슨 3D 세라믹 프린팅 전문가) “고객은 주로 프로토타입을 요구합니다.”라고 그는 덧붙인다. 3D 프린팅의 장점 가운데 하나는 풍부한 디테일이다. 맥슨 은 이를 보여주기 위해 체스의 말인 나이트를 제작하였다. 성형체(green body) 가공으로 만든 세라믹 나이트는 깔끔하고 단순한 디자인으로 오히려 바우하우스 오브제를 연상시켰다. 여기에서 섬세한 구조는 불가능하지만 그에 비해 3D 프린팅된 나이트는 갈기와 얼굴 등이 부드러운 형태를 지니고 있다.

맥슨은 3DCeram에서 C900을 선택했다. 이 제품은 2kW UV 레이저로 세라믹 페이스트를 경화한다

수축을 조심해야 한다!

맥슨 세라믹 팀은 적층 가공으로 가능한 디테일과 섬세한 형상 그리고 속이 빈 경량 구조에 감탄했다. 이런 점은 기존의 취약한 성형체에서는 구현하기 어렵거나 불가능하기 때문이다. 하지만 3D 프린팅은 최대 0.2mm의 구멍을 구현하기 어렵다. 이러한 경우 사출 성형으로 구성품을 제조한다. 세라믹 부품에는 날카로운 모서리나 튀어나온 요소도 없다. 이는 쉽게 부서지는 재료 때문이다. 설계자가 세라믹 소재에서 유의해야 할 점은 수축률이다. 열처리에는 부품 부피의 20%가 필요하다. 이는 CAD 프로그램에서 미리 고려할 수 있다. 그럼에도 불구하고 몇 번의 테스트가 필요했다. 소결 중에 발생할 수 있는 왜곡을 방지하거나 최소한 유지하기 위해 지지 구조가 추가되거나 특수 소결 패드를 사용해야 한다.

맥슨은 산을 이용하여 결합제를 용해하는 촉매 디바인딩을 위해 위탁 작업을 한다

소프트웨어 문제

설계 소프트웨어는 두 가지 이유로 문제를 일으킨다. 먼저, 맥슨 세라믹 팀은 데이터 준비 시 5개 시스템으로 작업한다. 고객의 주문은 대부분 Solidworks를 통해 들어온다. 맥슨 세라믹 팀은 이것을 Magics로 옮겨야 한다. Magics는 적층 제조를 위한 Materialise의 포괄적인 소프트웨어이다. 이후 CAD에서 자체 프로그램으로 작동하는 3D 프린터로 옮긴다. 사내 주문인 경우 CAD 데이터는 PTC의 pro/e에서 가져오고 Magics에서 처리한 후 프린터로 전송한다. 하지만 문제는 Magics가 대부분의 기계 중립적 CAD 프로그램과 같이 세라믹용으로 설계되지 않았다는 점이다. “CAD 프로그램에서 3D 프린터로 전송된 부품과 완성된 부품 사이에 오차가 있습니다. 그렇기 때문에 지정된 공차를 달성하려면 일반적으로 여러 번 반복 작업을 해야 합니다.”(무사와 카와자) 그는 레이저 빛의 직경이 35 마이크로미터이지만 조금 더 멀리 산란되어 더 큰 반경의 세라믹 페이스트에 도달하기 때문이라고 생각한다. 그는 3D 프린터 제조업체인 3DCeram이 자체 CAD 소프트웨어를 개발하고 있어, 이 솔루션을 기대하고 있다. 예를 들어, 현재 소프트웨어에서 시간이 많이 소요되는 지지 구조물을 자동으로 계획할 수 있다.

초음파 수조에 담기, 브러시로 손질하기, 디바인딩

3DCerams 프로세스에서 지지 구조는 동일한 재료로 만들어진다. 차이점은 레이저가 이러한 지점에서 적은 에너지로 페이스트를 경화시켜 지지 구조가 실제 구성 요소만큼 강하지 않다는 것이다. 맥슨 은 지지 구조를 제거하기 위해 3단계로 진행한다. 먼저 구성 요소를 초음파 수조에 넣어 지지 구조물이 제거한다. 하지만 전부 제거되지 않고 남는 부분들이 있다. 이는 다시 브러시로 제거하고 세제로 제거한다.

“포스트 프로세싱은 하나의 도전입니다.”(슈테판 칠름, 맥슨 비즈니스 개발 및 품질 엔지니어링 CIM/MIM 책임자) 성형체인 3D 프린팅 세라믹 부품은 매우 부드럽기 때문에 청소 과정이 매우 신중하다. 맥슨은 먼저 압축 공기로 청소한 다음 브러시로 잔여 페이스트를 조심스럽게 제거한다. 형상에 가늘고 긴 구멍이나 막힌 구멍이 있으면 청소는 더욱 어려워진다.

부품을 1차 세척한 후 디바인딩과 소결 과정으로 넘어간다. 3DCeram 프로세스는 결합제를 사용하여 작업한다. 맥슨에는 구성품에서 결합제를 제거하기 위한 세 가지 옵션이 있다. 알코올을 이용한 디바인딩과 촉매를 이용한 디바인딩 그리고 열적 디바인딩이다. 맥슨에 있는 두 개의 소결로는 3D 프린팅 부품에 적합하지 않다. 3D 프린터의 작은 조형판은 큰 오븐에서 거의 사라지기 때문이다. 여기에서 많은 에너지가 소비된다. 맥슨 은 산에 의한 결합제 용해인 촉매 디바인딩을 위해 3D 스크린 인쇄와 같은 위탁 작업을 실행한다. 디바인딩을 위해 선택되는 방법은 결합제에 따라 다르다. 후처리와 마감 작업을 위해 기존 절삭 가공 공정에서 진동 연삭과 디버링 그리고 연마에 이르기까지 세라믹 가공에 다양한 옵션을 제공한다.