지원 없이 구축

2021년 9월 30일 | 읽기 시간: 5분

지지대 없이 또는 최소한의 지지대로 건축하는 것은 금속 분말 베드 융합의 뜨거운 주제입니다. 그 이유는 분명합니다: 바로 비용 절감입니다. 서포트의 수는 후처리뿐만 아니라 제작 시간 및 재료 소비에도 영향을 미칩니다.
 

단계별 가이드

이 글을 구성하기 위해 디자인 씽킹 접근 방식을 사용하겠습니다. 우선 디자인 측면을 강조하고 싶습니다.

정의
애플리케이션에 대한 지원을 피하려면 지원의 목적에 대해 스스로에게 물어봐야 합니다. 지원의 세 가지 이유는 다음과 같습니다:

• 열 전달
• 잔여 스트레스
• 리코터 포스

열 전달: 고체 소재에 비해 파우더의 열전도율이 낮기 때문에 돌출된 영역에서는 에너지 투입을 조정해야 합니다. 이전 글에서 살펴본 바와 같이, 다운스킨 노출 전략과 최적화된 공정 파라미터를 통해 열 전달 문제를 완화할 수 있습니다.

잔류 응력: 금속 분말 층 용융은 일반적으로 저온 공정이라고 부르며, 잔류 응력은 물리 법칙의 결과입니다. 응력은 국부적으로 집중된 에너지 투입으로 인한 온도 구배와 방금 응고된 층과 그 아래 이미 냉각된 층 사이의 온도 차이로 인해 발생합니다. 또한 재료 수축은 이전에 응고된 재료에 의해 부분적으로 억제되어 왜곡을 초래할 수 있습니다.

제작 온도를 높이거나(산소 픽업이 증가한다는 단점이 있음) 특수 스캔 전략(기계적 특성이나 생산성에 단점이 있음)을 사용하여 잔류 응력의 원인을 해결하는 것보다 발생하는 영향을 보완하는 것이 더 쉽습니다. 해결책은 사전 변형 또는 가능하면 변형이 덜 발생하는 디자인입니다. 아래에서 에디티브 웍스의 앰피온으로 시뮬레이션한 두 가지 예를 확인할 수 있습니다: 평평한 판과 거꾸로 뒤집힌 원뿔입니다. 두 부품의 치수는 모두 비슷합니다(직경 50mm 대 50 x 50mm). 원뿔이 기하학적 구조로 인해 변형이 더 적다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 원뿔은 한 지점에서 시작하여 z 방향으로 계속 커지고 있습니다. 또한 x-y 레이어의 원형 모양은 자체 안정화 작용을 합니다.

리코터 힘: 리코팅 중에는 파우더가 퍼지는 동안 부품에 힘이 작용합니다. 부품이 베이스 플레이트에 연결되지 않은 경우 리코터에 의해 부품이 닦여집니다. 형상과 공정에 따라 이러한 힘은 더 크거나 작을 수 있습니다. 특히 선조 부품의 경우 소프트 리코터를 사용할 수 있지만, 하드 리코터만이 일정한 층 두께를 보장할 수 있습니다. 경험으로 알 수 있습니다: 하드 리코터로 제작할 수 있다면 소프트 리코터로도 쉽게 제작할 수 있습니다. 그래서 다음 실험에서는 하드 리코터(HSS 블레이드)로 제작했습니다.
 

Ideate
리코터 힘의 영향을 줄이기 위한 일반적인 솔루션은 예를 들어 리코팅 중 인장 바의 진동을 줄여 인쇄 작업의 안정성을 높이기 위해 높은 인장 바에 자주 사용되는 프롭 서포트를 들 수 있습니다. 프롭 서포트의 개념을 더 발전시키면 쉘을 사용하여 부품을 보호하고 안정화할 수 있습니다. 따라서 베이스 플레이트에 연결할 필요가 없습니다.

간단한 예로 원뿔부터 시작하겠습니다. 간격이 0.2mm인 간단한 부울은 부품과 쉘이 융합되는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 큰 간격을 제공합니다.

프로토타입
이 콘은 EOS M 290 로 제작되었으며 손으로 쉽게 분리할 수 있습니다.

셸의 부피가 부품의 부피보다 크다고 주장할 수도 있습니다. 따라서 가장 유리한 설정을 찾기 위한 추가 최적화가 필요합니다. 처음에는 전체 부품을 감쌀 필요 없이 특정 영역만 감쌀 수 있습니다. 부품과 쉘 사이의 마찰은 키가 큰 부품의 경우에도 제자리에 고정하기에 충분해야 합니다. 또 다른 아이디어는 부품을 쌓고 앞의 부품을 다음 부품의 쉘로 사용하는 것입니다.

테스트
이제 좀 더 고급 디자인으로 넘어가 스태킹까지 통합해 보겠습니다. 크리스마스 시즌이 다가오고 있으니 Siemens NX로 디자인하고 nTopology로 포주한 크리스마스 트리는 어떨까요? 거꾸로 뒤집으면 트리가 자립하고 트리 줄기가 다음 트리를 위한 껍질 역할을 할 수 있습니다. 격자와 솔리드 부품 사이에 x-y 방향으로 0.1mm의 작은 겹침이 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 원활한 연결을 보장하기 위한 것입니다.

nTopology 전문가용: 아니요, 격자를 메시로 내보낸 것이 아니라 사진용입니다.

구현
공감에서 테스트까지 처음 5단계는 제 글에서 다루었지만, 애디티브 마인드가 구현에 대한 지원도 해드릴 수 있습니다. 이미 최소한의 지원만 사용하거나 전혀 사용하지 않는 예시도 있습니다.