Direct Metal 레이저 소결(DMLS)을 위한 다양한 리코터 구성의 사용 사례

2021년 9월 30일 | 읽기 시간: 7분

블레이드 재코팅의 다양한 옵션과 관련하여 적층 제조(AM) 커뮤니티에서는 소프트 또는 하드 재코팅 솔루션을 사용할지 여부에 대해 항상 논쟁이 있어 왔습니다. 여기에서는 다양한 사용 사례와 소프트 및 하드 리코팅의 장점과 단점에 대해 간략히 설명하고자 합니다. 

하드 리코터

EOS 시스템의 표준 옵션은 하드 리코터로, 파트 품질과 반복성 측면에서 이점이 있기 때문입니다. 단단한 블레이드는 일관된 레이어 두께를 보장하고 노광 중에 용융 풀에서 배출되어 후속 레이어에서 융착 부족의 위험 요소가 될 수 있는 부품 표면의 스패터를 제거할 수 있습니다. 하드 블레이드는 모양과 강성으로 인해 재코팅 중에 파우더를 압축하여 더 높은 밀도의 파우더 베드를 제공합니다. 모든 EOS 표준 공정 파라미터는 부적합한 공정 파라미터에 매우 민감하기 때문에 하드 리코터 블레이드로 개발되었습니다. 따라서 안정적인 공정을 제공하는 강력한 공정 파라미터로 공정 창을 쉽게 좁힐 수 있습니다.

하드 리코터는 소프트 리코터에 비해 내마모성이 우수하여 장시간 제작 작업 시에도 일정한 리코팅 특성을 보장합니다. 따라서 파트 전체의 특성이 더욱 일관되게 유지됩니다. 하드 리코터는 일반적으로 소프트 리코터보다 더 비싸지만, 비용 분석 시에는 수명이 길고 유지보수에 필요한 양이 줄어든다는 점도 고려해야 합니다.

규제가 엄격한 업계에서는 폴리머 소프트 리코터의 마모로 인해 파우더가 오염되고 내포물이 발생할 수 있기 때문에 폴리머 소프트 리코터에 대해 유보적인 입장을 표명해 왔습니다. 예를 들어, 항공우주 산업에서는 특히 엔진에 실리콘이 포함되지 않도록 하고자 합니다. 그러나 이것이 일반적인 배제 기준은 아닙니다.

하드 리코터의 장점을 활용할 수 있는 일반적인 응용 분야는 기계적 특성이나 치수 정확도 측면에서 반복 가능한 품질이 가장 요구되는 부품과 부피가 큰 부품으로, 소프트 리코터는 장시간 제작 작업 시 너무 빨리 마모될 수 있는 경우입니다.

하드 리코터의 가장 큰 문제점은 강성입니다. 부품이 리코터와 접촉하면 소프트 리코터가 부품의 변형에 적응하지 못해 작업이 중단될 위험이 높습니다. 예를 들어 잔류 응력으로 인한 지지 실패 또는 부적합한 공정 파라미터로 인한 과열로 인해 부품과 리코터 간의 접촉이 발생합니다.

그러나 고품질 부품이나 연속 생산의 경우 이러한 단점이 장점으로 작용할 수도 있습니다. 소프트 리코터로 제작 작업이 완료되더라도 결국에는 손상이나 불완전성이 존재하여 부품을 폐기해야 할 수 있습니다. 열처리나 기타 후처리 단계를 거친 후에야 손상이 발견되어 더 많은 비용이 발생할 수 있는 위험이 있습니다. 최악의 경우 결함을 전혀 감지하지 못하면 작동 중 오작동으로 이어질 수 있습니다. 하드 리코터로 작업이 중단되더라도 적층 가공 엔지니어는 설계, 서포트 또는 공정 파라미터에 문제가 있다는 직접적인 피드백을 받고 다음 반복 과정을 거쳐야 합니다.

또 다른 단점은 블레이드의 강성으로 인해 재코팅 중 모든 마찰력이 부품에 전달된다는 것입니다. 이러한 사실은 높은 종횡비의 경우 제작성을 제한합니다. 재코팅하는 동안 마찰력으로 인해 부품이 구부러지거나 파우더 베드를 방해하는 진동이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 부품의 열 상황을 고려한 공정 파라미터를 조정하여 부분적으로 완화할 수 있지만, 길고 얇은 디자인에서는 여전히 제한 요소가 될 수 있습니다.

그러나 의료용 격자 구조와 같은 미세한 물체는 공정 파라미터를 조정할 때 하드 리코터를 사용하여 깨지기 쉬운 부품을 상당히 쉽게 제작할 수 있습니다. 힙컵은 구조는 미세하지만 고품질이 요구되는 부품으로 하드 리코터의 장점을 입증할 수 있는 좋은 예입니다.

EOS 머신에 사용할 수 있는 하드 리코터에는 두 가지 유형이 있습니다: HSS(고속 강철)와 세라믹입니다. 사용되는 재료에 따라 어떤 리코터 구성을 선택해야 하는지가 달라집니다. 대부분의 재료의 경우 HSS 블레이드가 사용되는데, 이는 경화되더라도 블레이드가 여전히 약간의 연성을 보이기 때문입니다. 따라서 세라믹 리코터보다 부품과 접촉한 후 노치가 파손될 위험이 낮습니다. 그러나 거친 작업 후 지지대 고장 등으로 인해 노치가 발생한 경우 블레이드를 교체할 필요는 없지만 조심스럽게 연마할 수 있습니다.

자화 가능한 재료인 경우 세라믹 타입의 리코터 블레이드를 선택해야 합니다. 그렇지 않으면 파우더가 블레이드에 달라붙어 재코팅 중에 줄무늬가 생길 수 있습니다. EOS 포트폴리오의 이러한 소재는 CX, PH1, 17-4PH 또는 MS1과 같은 강철입니다. HSS 블레이드와 달리 세라믹의 깨지기 쉬운 특성으로 인해 잠재적인 노치를 연마할 수 없습니다. 그러나 이 소재는 내마모성이 매우 뛰어납니다.

소프트 리코터

소프트 리코터 옵션의 가장 큰 장점은 리코팅 시 부품에 가해지는 리코터 힘을 줄일 수 있다는 점입니다. 리코터가 더 유연하기 때문에 마찰력이 너무 높아지면 리코터가 양보하거나 부품이 변형되어 파우더 베드에 달라붙는 경우 부품의 프로파일에 어느 정도 적응할 수 있습니다. 따라서 소프트 리코터의 장점과 함께 제공되는 두 가지 주요 사용 사례가 있습니다:

1. 고종횡비 부품과 깨지기 쉬운 피처를 더 쉽게 제작할 수 있습니다. 
2. 리코터 잼으로 인한 작업 중단 확률이 낮아집니다. 특히 프로토타이핑에서는 부품 품질 보장보다 단기적인 결과가 더 중요한 경우가 많습니다. 그렇기 때문에 많은 서비스 제공업체가 촉박한 납기 일정을 맞추기 위해 일반적으로 소프트 리코터를 사용합니다. 또한 작업이 중단될 때마다 제조 비용이 증가합니다.

소프트 리코터의 주요 단점은 위에서 하드 리코터와의 비교에서 이미 간략하게 언급했습니다. 전체 빌드 높이에서 일관된 리코팅 동작을 보장할 수 없기 때문에 리코터의 마모가 증가하면 장시간 빌드 작업 시 파트 속성에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 빌드 플레이트에 대한 부착 불충분 등으로 인해 파트가 변형되는 경우 작업은 계속되지만 치수 정확도와 관련하여 파트가 사양을 벗어날 가능성이 높습니다. 따라서 성공적인 작업 완료가 반드시 사양을 충족하는 부품을 의미하지는 않습니다.

그럼에도 불구하고 소프트 리코터는 유용한 도구이며 그 필요성은 애플리케이션에 따라 달라집니다. 위에서 언급한 것과 같은 특성을 가진 특정 애플리케이션에 가장 경제적인 솔루션이 될 수 있습니다: 높은 종횡비, 깨지기 쉬운 기능 또는 단기간에 결과물이 필요한 경우.

EOS는 세 가지 소프트 리코터 옵션을 제공합니다. 이미 수년 동안 사용되어 온 탄소 섬유 브러시 리코터와 위에서 언급한 폴리머 리코터 두 가지 유형이 있습니다. EOS M 290: 실리콘 및 니트릴 부타디엔 고무(NBR).

브러시 리코터에는 홀더에 장착된 짧은 탄소 섬유 모음이 장착되어 있습니다. 폴리머 블레이드에 비해 작은 장점이 있을 수 있지만 가격이 더 비쌉니다. 부품과 접촉하는 경우 섬유가 어느 정도 옆으로 구부러질 수 있기 때문에 리코터가 영구적으로 손상 될 확률은 폴리머 옵션보다 약간 낮습니다. 또한 부품이 일정량의 섬유와만 상호 작용하기 때문에 마찰력의 영향이 더 국소화되어 깨지기 쉬운 부품을 제작하는 데 더 우수합니다. 

두 가지 폴리머 리코터 유형은 EOS M 290, 대형 프레임 시스템 EOS M 400 및 EOS M 400-4에도 사용할 수 있습니다. 가장 쉽게 구분할 수 있는 방법은 색상입니다. 실리콘 블레이드는 투명하고 NBR 블레이드는 검은색이지만 특성 및 사용 사례 측면에서도 차이가 있습니다. NBR 리코터 소재는 최대 80°C까지 사용하도록 지정되어 있고 실리콘 소재는 더 높은 온도의 제작 작업에 적합합니다.

새로운 폴리머 소프트 리코터 옵션의 기능을 보여주기 위해 EOS M 290 문자가 있는 고종횡비 파트 몇 개를 제작하여 도전 과제를 더욱 높였습니다. 최대 종횡비가 66(직경 2.5mm, 높이 165mm)인 트리 지지대를 만드는 데 Materialise Magics를 사용했습니다. 상단의 EOS M 290 글씨는 Materialise 3-matic 소프트웨어의 도움으로 디자인되었으며, 내부에 볼륨 그래프가 있는 메시 기반 격자로 구성되어 있습니다. 또한 EOS 로고의 미세한 서포트는 완전 자동화된 서포트 생성을 가능하게 하고 서포트에 필요한 재료를 절약하고 데이터 준비 시간을 크게 단축할 수 있는 Materialise e-Stage로 제작되었습니다. 그런 다음 모든 것이 EOS 알루미늄 AlSi10Mg와 새로운 AlSi10Mg 60 µm 코어 프로세스를 사용하여 EOS M 290 에 프린팅되었습니다.

결론

각 리코터 유형에 적합한 사용 사례가 있습니다. 하드 리코터는 반복 가능한 품질에 대한 요구가 가장 높은 부품의 표준 옵션으로 간주되는 반면, 소프트 리코터는 종횡비가 높은 부품을 가능하게 합니다. 또한 결함의 위험보다 리드 타임이 더 중요한 경우 소프트 리코터가 선호됩니다. EOS는 하드 리코터와 소프트 리코터를 모두 제공하므로 애플리케이션에 가장 적합한 것을 쉽게 선택할 수 있습니다.