AM을 처음 사용하세요: 적층 제조 및 주요 기술에 대한 초보자 가이드

2023년 5월 8일 | 읽기 시간: 5 분

흥미진진한 적층 제조의 세계와 이를 실현하는 핵심 기술을 처음 접하시나요? 이 블로그에서 포괄적이면서도 간단한 가이드를 준비했습니다.

적층 가공은 미래 지향적인 제조

엄밀한 의미에서 새로운 기술은 아니지만 3D 프린팅이라고도 불리는 적층 제조(AM)는 최근 몇 년 동안 큰 주목을 받고 있습니다. 여기에는 여러 가지 흥미로운 이유가 있습니다:

• 조직이 첨단 폴리머 블렌드 또는 다용도 알루미늄 합금을 성형하는 데 AM 시스템과 재료를 사용하든, 과거에는 불가능했거나 최소한 달성하기 매우 어려웠던 기하학적 매개 변수에 따라 부품을 만들 수 있는 역량을 갖추게 된 것은 사실입니다.

• 적층 가공으로 제작된 부품은 더 작고, 더 가볍고, 더 적은 수의 개별 부품을 필요로 하는 등 전통적으로 제조된 부품보다 '단순해' 보일 수 있습니다. 그러나 많은 경우 적층 가공으로 제작된 부품은 기존 부품의 성능과 비슷하거나 더 뛰어난 성능을 발휘할 수 있습니다.

• 적층 제조는 다양한 응용 분야에서 그 능력을 입증하고 있습니다. 캐주얼하고 재미있는 제품(러닝화, 하키 헬멧)부터 매우 흥미로운 제품(로켓 엔진)과 정말 중요한 제품(의료용 임플란트 및 수술 장비)에 이르기까지 다양합니다.

• 적층 제조를 도입한 기업들은 시간이 지남에 따라 생산 품질과 효율성이 눈에 띄게 향상되고 출시 기간과 전체 비용이 절감되는 효과를 경험했습니다.

EOS는 3D 프린팅 시스템과 소프트웨어부터 교육 및 컨설팅 서비스에 이르기까지 모든 것을 개발하며 기술 초창기부터 적층 제조 혁명의 일부가 되어 왔습니다. 하지만 적층 가공을 처음 접하는 분이라면 아직은 EOS의 선의에 현혹되지 마시고 이 놀라운 기술의 배경, 프로세스, 응용 분야 및 성공 사례에 대해 자세히 알아보고 싶을 것입니다.

이것이 바로 저희가 여러분과 함께하고자 하는 여정입니다.

적층 제조의 간략한 역사

일부 자료에서는 미국의 엔지니어이자 발명가인 Bill Masters가 출원한 특허(특히 1984년 7월 2일에 출원한 미국 4665492A)를 최초의 3D 프린팅 특허라고 부르기도 합니다. 다른 사람들은 같은 해에 미국에서 출원된 찰스 헐(Charles Hull)의 특허에 이 명칭을 부여하기도 합니다. 두 특허 모두 3D 프린팅의 역사에서 중요한 의미를 지니고 있습니다.

하지만 코다마 히데오가 일본 특허청에 출원한 특허 출원(JP S56-144478)은 마스터스와 헐보다 거의 3년이나 앞서 있습니다: 마스터스가 미국 특허청(USPTO)에 제출한 출원과 마찬가지로 레이저나 자외선(UV) 등의 열을 사용하여 연질 플라스틱을 경화시켜 3D 형상을 만드는 자동화된 프로세스에 대해 설명합니다.

코다마는 자신의 아이디어를 유명 무역 저널에 발표했음에도 불구하고 자금을 유치하지 못해 특허 출원을 포기했습니다. 마스터스는 특허를 내고 보조금을 받아 약 10년간 이 분야에서 일했지만 별다른 주목을 받지 못했습니다.

주목받지 못한 분수령의 해

1984년에는 몇 가지 중요한 적층 가공 공정이 발명되었지만 이러한 초기 혁신이 대규모로 실현되는 데는 시간이 걸렸습니다. 코다마와 같은 마스터들의 설계에는 미래 3D 프린팅 시스템에 필수적인 컴퓨터 수치 제어(CNC)와 컴퓨터 지원 설계(CAD) 프로그래밍의 초기 사례가 포함되었습니다.

또한 올해에는 잠재적 상업성을 지닌 최초의 적층 제조 공정 중 하나인 광조형(SLA)에 필수적인 두 가지 특허가 출원되었습니다.

프랑스 발명가인 알랭 르 메호테, 올리비에 드 위트, 장 클로드 앙드레가 만든 첫 번째 발명품은 출원 직후 스폰서가 포기했습니다. 두 번째 특허는 찰스 헐(Charles Hull)이 출원한 것으로, SLA-1 3D 프린터의 생산을 촉발시켰습니다. SLA-1은 많은 사람들에게 엄청나게 비싼 가격이었기 때문에 다른 초기 3D 프린팅 옹호자들과 마찬가지로 헐도 기존 제조업체들에게 그 잠재력을 설득하는 데 어려움을 겪었습니다. 하지만 헐은 SLA-1의 디자인 파일을 위한 STL도 발명했으며, 이 형식은 오늘날에도 여전히 널리 사용되고 있습니다.

세분화 및 업스케일링

EOS를 비롯한 엔지니어들은 1990년대에 초기 적층 제조 공정인 SLA와 용융 증착 모델링(FDM)을 꾸준히 개선하고 새로운 공정을 개발하기 위해 노력했습니다. 대부분(전부는 아니지만)은 재료 및 바인더 분사, 시트 적층, 레이저 분말 베드 융합(LPBF), 선택적 레이저 소결(SLS) 등 폴리머를 3D 부품으로 성형하는 데 중점을 두었습니다. 이 중 SLS 및 LPBF와 같은 일부는 첨단 금속 가공이 가능했지만 전통적인(감산식) 제조에 적합했습니다. 하지만 마이크로캐스팅과 용사 등의 재료 증착 방법이 개발되면서 금속을 적층할 수 있는 길이 열렸습니다.

CAD 소프트웨어의 발전과 분말 폴리머 및 금속의 부상과 함께 산업용 3D 프린팅 시스템의 개선으로 2000년대 내내 신속한 프로토타입 제작으로 유명해졌습니다. 2010년대에는 적층 제조가 훨씬 더 높은 수준에서 부품 조립을 용이하게 할 수 있을 정도로 확장되었으며, 경우에 따라서는 정확히 "대량 생산"으로 간주할 수 있을 정도로 발전했습니다. 재료 호환성(주로 금속 쪽), 구현에 필요한 초기 비용과 노력, 기술 격차(줄어들고 있기는 하지만), 기존 제조업체의 회의론 등 적층 가공에 여전히 영향을 미치는 몇 가지 한계에도 불구하고 이 기술의 존재와 중요성은 계속 확대되고 있습니다.

주요 AM 기술

생산 시설에 적층 가공을 구현하기 위한 진지한 계획을 세우는 여정의 다음 단계는 주요 적층 가공 기술의 기초를 배우는 것입니다.

이 목록에는 모든 적층 제조 방법이 나열되어 있지 않으며, 아래에 설명된 모든 기술이 EOS 시스템에서 사용되는 것은 아닙니다. 그러나 적층 가공에 대해 가장 정확한 정보를 바탕으로 결정을 내리려면 제품 카탈로그를 넘어서는 주제에 대한 이해가 필요합니다.

통 광중합

오늘날에도 여전히 사용되고 있는 SLA 공정은 아니지만, 통 광중합(또는 단순히 중합이라고도 함)이 가장 일반적인 방법입니다. 이 방법의 이름은 생산에 연료를 공급하는 재료인 액체 포토폴리머 수지가 담긴 통의 이름에서 유래했습니다. '빌드 플랫폼'이 통 안으로 들어갔다가 다시 통 밖으로 나오기를 반복하며, 나올 때마다 UV 또는 레이저 광원이 시스템에 연결된 CAD 소프트웨어의 설계 파라미터에 따라 플랫폼의 수지를 부품을 형성하는 층으로 경화시킵니다. 조립이 완료되면 시스템은 여분의 레진이 제거된 통에서 제품을 제거합니다.

통 중합을 통해 적층 제조된 물체는 다른 적층 제조 방식보다 더 많은 후처리가 필요할 수 있습니다: 부품을 효과적으로 경화하기 위해 추가 UV 또는 레이저 노출이 필요할 수 있습니다. 또한 제작 과정에서 경화 수지가 설계자가 의도한 모양을 형성할 수 있도록 플랫폼에 지지 구조물을 설치해야 하는 경우가 있는데, 이러한 구조물을 사용할 경우 나중에 부품에서 조심스럽게 제거해야 합니다. 전반적으로 통 중합은 빠르고 정확한 공정이지만 완성된 부품이 반드시 성능 저하나 부식에 강하지는 않기 때문에 시판용 부품을 생산하는 것보다 프로토타입 제작에 더 적합할 수 있습니다.

재료 및 바인더 분사

3D 프린팅이 적층 제조의 동의어로 사용되기도 하지만, 재료 분사는 대부분의 다른 적층 제조 방법보다 본질적으로 '프린팅'에 더 가깝습니다. 빌드 플랫폼 위의 노즐은 액화된 재료(보통 폴리머 또는 왁스, 때로는 금속)를 빌드 플랫폼에 반복적으로 떨어뜨려 방출합니다. 자외선은 디자인 파라미터에 따라 층을 형성하고 계획된 물체의 모양을 취하면서 드롭을 경화시킵니다. 재료 분사 방식은 일부 재료에만 호환되므로 그 활용도가 제한적이며, 이 방법의 가장 큰 장점은 낭비가 적고 신속한 프로토타입 제작에 도움이 된다는 점입니다.

바인더 제팅은 분말과 액체를 결합하여 교대로 층을 쌓아 올리는 방식으로, 일반적으로 폴리카보네이트 또는 폴리아미드인 액체가 접착제 역할을 합니다. 이 방법의 주요 장점은 분말 금속 합금과 폴리머 또는 세라믹을 함께 사용하여 부품을 만들 수 있다는 것이지만, 액체 층이 냉각되고 적절한 결합을 형성하는 데 필요한 긴 후처리 시간으로 인해 다소 상쇄되는 단점이 있습니다.

재료 압출

이는 일반적으로 산업적 성공을 거둔 최초의 적층 제조 방법 중 하나인 FDM(용융 증착 모델링)을 의미합니다. 일반 소비자용 3D 프린터 사용자에게 가장 잘 알려진 방식이기도 합니다. 폴리머 또는 플라스틱을 프린터로 끌어들여 가열한 후 노즐을 통해 층층이 쌓아 올리는데, 이 과정에서 설계 사양에 맞게 자동으로 조정됩니다.

FDM을 통한 재료 압출은 폴리머 또는 플라스틱으로만 인쇄할 수 있습니다. FDM 산업용 프린터는 견고한 부품의 기초가 될 수 있는 ABS 플라스틱과 호환되지만 다른 적층 제조 공정과 비교할 때 속도가 느리고 정확도가 적당히 낮습니다. 이것이 FDM 프린터를 생산하는 기업들이 전부는 아니더라도 소비자 시장으로 급격히 방향을 전환한 주된 이유입니다.

시트 라미네이션

판금 및 종이 전용 적층 제조 방법인 시트 라미네이션은 적용 분야가 제한적이지만 고속, 저비용 프로토타입 제작에 유용할 수 있습니다.

이 공정의 금속 버전은 초음파 적층 제조(UAM)라고 하며, 금속 시트(일반적으로 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸 또는 티타늄)의 초음파 용접을 포함합니다. 이와 대조적으로 적층 물체 제조(LOM)는 접착제로 종이 시트를 겹겹이 쌓는 방식입니다. 둘 다 부품 모델을 만드는 데만 적합합니다. 하지만 여러 금속을 사용할 수 있는 UAM의 기능은 설계자와 엔지니어가 예를 들어 구리로 만든 적층 제조 금속 부품이 특정 산업 응용 분야에서 다른 금속과 어떻게 호환될 수 있는지 시뮬레이션하는 데 도움이 될 수 있습니다.

직접 에너지 증착

이름에서 알 수 있듯이 지향성 에너지 증착(DED)은 일반적으로 매우 유연한 자동화된 암 위에 장착된 노즐을 사용하여 열원이 물질에 집중되는 동시에 제작 플랫폼 위에 재료를 층층이 증착합니다. DED에는 다양한 변형이 있으므로 폴리머, 세라믹 또는 금속 재료를 사용할 수 있지만 가장 일반적인 하위 범주인 전자빔 용융(EBM)은 금속 전용입니다.

이 방법은 부품 생산에는 실용적이지 않지만 노즐의 유연성 덕분에 부품 수리를 위한 첨가제 기술로 유용할 수 있습니다. 하지만 DED의 고속 수리로 인해 정확도가 떨어지며, 정확도가 우선시되는 경우 엔지니어는 속도를 희생해야 합니다.

파우더 베드 융합

가장 일반적인 적층 제조 기술 중 일부는 파우더 베드 융합에 속하며, 여기에는 SLS, 선택적 열 소결(SHS), 선택적 레이저 용융(SLS) 및 EBM이 포함됩니다. 이러한 방법의 공통 요소는 분말 폴리머 또는 금속에 의존한다는 점입니다: 파우더는 제작 플랫폼(베드) 아래 또는 옆에 있는 용기에서 롤러나 블레이드로 층을 이룬 다음 가열하여 응고시킵니다.

파우더 베드 융합 방법의 주요 차이점은 다음과 같습니다:

• SLS는 폴리머 또는 플라스틱을 융합(신터링)하여 완성된 부품으로 만듭니다.

• DMLS(직접 금속 레이저 응고)는 분말 금속에 사용되는 SLS 변형입니다.

• SHS는 열전사 프린트 헤드를 사용하여 파우더 베드에서 레이어를 함께 소결합니다.

• EBM은 전자빔이 파우더 베드의 층을 융합할 수 있는 진공 조건에서 금속 분말에만 작동합니다.

파우더 베드 융합은 다른 적층 제조 방식에 비해 다소 느리고 전력 사용량도 상당합니다. 하지만 대부분 산업용 애플리케이션을 위해 예약되어 있기 때문에 이러한 문제가 반드시 문제가 되는 것은 아닙니다. 또한 이 기술의 레이저 기반 변형은 모델이나 프로토타입과 달리 시장에 출시할 수 있는 기능적인 부품을 안정적으로 생산할 수 있습니다.

적층 제조 기술에 대한 EOS의 기여

EOS에서 제공하는 산업용 3D 프린팅 시스템은 각각 폴리머 파우더와 금속 파우더를 위한 파우더 베드 융합 방식인 SLS와 DMLS를 사용합니다. 사실 EOS는 산업용 애플리케이션을 위한 SLS의 대중화에 기여했을 뿐만 아니라 약 30년 전에 금속 3D 프린팅을 위한 DMLS를 발명했습니다. 금속을 이용한 적층 제조가 가능하다고 생각하는 사람이 거의 없던 시절, EOS의 엔지니어와 전문가들은 이를 현실화하기 위해 도구와 방법을 개선해 나갔습니다.

전반적 혁신

적층 제조 업계에서 EOS의 명성은 우리가 개선한 파우더 베드 융합 방법, 우리가 개발한 3D 프린팅 시스템 또는 우리가 자체적으로 개발한 폴리머 및 금속 적층 제조 재료에만 국한되지 않습니다. EOS는 적층 제조에 대한 총체적인 접근 방식을 취하며, 수상 경력에 빛나는 Additive Minds 팀의 프로젝트 컨설팅, 적층 초보자도 디자이너가 되고 엔지니어의 기술을 전문성으로 향상시킬 수 있도록 지원하는 3D 프린팅 과정 등 하드웨어 및 소프트웨어와 함께 적층 제조를 지원하는 신뢰할 수 있는 서비스를 제공합니다.

적층 제조의 세계에 입문하는 여정의 어느 단계에 있든, 자세한 내용을 알아보려면 Additive Minds 전문가에게 문의하세요.