혁신적인 노출 전략으로 3D 프린팅의 재창조

2022년 6월 28일 | 읽기 시간: 7분

EOS는 3D 프린팅 프로세스를 개선하기 위해 항상 새로운 기술과 방법을 모색하고 있습니다. 우리 팀은 더 나은 품질의 생산과 에너지 소비 감소를 가져오는 레이저 노광을 위한 흥미로운 새 전략을 개발했습니다.

레이저 노출을 위한 새로운 전략

EOS는 3D 프린팅 프로세스를 개선하기 위해 항상 새로운 기술과 방법을 모색하고 있습니다. 우리 팀은 더 나은 품질의 생산과 에너지 소비 감소를 가져오는 레이저 노광을 위한 흥미로운 새 전략을 개발했습니다.

품질 보증이 중요한 이유는 무엇인가요?

기존 제조 방식에 비해 3D 프린팅의 가장 큰 장점은 효율성입니다. 하지만 비교적 새로운 기술인 만큼 아직 발전할 여지가 많습니다. EOS는 적층 제조(AM) 프로세스를 개선하고 개선하기 위해 항상 노력하고 있습니다. 3D 프린팅 기술과 기법을 발전시키기 위한 지속적인 노력의 일환으로 기존에 모범 사례로 여겨지던 방식에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있는 새로운 노광 전략 방법을 개발했습니다.

이 글에서는 일반적으로 사용되는 3D 레이저 프린팅의 공정과 그에 따른 문제점, 그리고 이러한 문제를 해결하기 위한 연구 결과를 통해 새로운 방법론의 정점에 도달한 3D 레이저 프린팅에 대해 살펴봅니다: 레이저 중심 노출 전략(LCDS)입니다. 사소해 보이는 조정이 어떻게 적층 제조에 중대한 변화를 가져올 수 있는지 알아보려면 계속 읽어보세요.

LPBF 3D 프린팅 작동 방식

적층 제조의 원리는 레이어별 구조가 특징입니다. 3D로 생성된 모델(CAD)을 여러 개의 얇은 층으로 슬라이스하여 3D 프린터로 전송하는 것으로 빌드가 시작됩니다. 프린터에서 재료 분말의 얇은 층이 빌드 플랫폼에 도포되고 강력한 레이저 빔이 컴퓨터로 생성된 설계 데이터(CAD 모델)가 지정한 특정 위치에서 분말을 녹입니다. 그런 다음 빌드 플랫폼을 작업별 높이만큼 낮추고 또 다른 파우더 층을 빌드 플랫폼에 도포합니다. 새로운 재료 층을 다시 녹여 아래 층과 연결합니다. 이 단계는 최종 부품이 구현될 때까지 반복됩니다.

프린터에 사용되는 고정밀 레이저는 정해진 패턴으로 파우더 베드를 가로질러 이동하며 필요한 순간에만 발사되어 디지털 방식으로 디자인된 물체를 형성합니다. 완벽하게 균일한 파우더의 얇은 층이 하나씩 추가될 때마다 레이저는 베드 위에서 동일한 이동 패턴을 반복합니다.

EOS 금속 공정 엔지니어 팀은 레이저 할당 및 이동을 프로그래밍하여 정확도와 제작 품질을 향상시키는 대체 방법을 확립하기 위해 일련의 실험을 수행했습니다. 하지만 이 새로운 방법을 살펴보기 전에 현재 적층 제조 레이저가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 중요합니다.

현재 전략 DMLS

선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 또는 레이저 금속 융합(LMF)으로도 알려진 DLMS 기술은 3D 프린팅 레이저의 일관된 이동 패턴을 사용합니다. 이 패턴을 노출 전략이라고 합니다. 레이저는 파우더 베드의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝(스트라이프 방향이라고 함)으로 이동하며 빌드 플랫폼 위를 좌우로 번갈아 가며 연속적으로 통과합니다(이를 스캔 벡터라고 함). 레이저는 적시성과 효율성을 목표로 방향에 관계없이 각 패스에서 발사됩니다.

기존 종이 프린터와 마찬가지로 레이저는 다른 스캔 벡터를 완성하기 전에 빌드 플랫폼의 한 면, 즉 종이에서 볼 수 있는 '여백'으로 돌아갈 필요가 없습니다. 따라서 인쇄 과정에서 시간을 절약할 수 있지만 몇 가지 잠재적인 문제가 발생할 수도 있습니다.

스패터 형성

레이저가 파우더 베드에 닿으면 재료를 소결하여 고체 물체를 형성합니다. 그러나 높은 에너지 입력과 레이저의 움직임으로 인해 일부 파우더 입자는 충격 지점에서 멀리 떨어져 편향됩니다. 이러한 입자를 스패터라고도 합니다. 공이 떨어진 곳에서 모래 알갱이가 밀려나는 것과 마찬가지로 이러한 입자는 충격 각도에 따라 지정된 방향으로 이동합니다.

노광 공정 동안 레이저는 파우더 베드에 대해 여러 방향과 다양한 각도로 이동합니다. 레이저 이동 방향에 따라 공정 위치에서 다른 양의 스패터가 방출/편향됩니다. 그 결과 파우더 입자가 다른 방향으로 편향되어 임의의 위치에 파우더가 고르지 않게 쌓이게 됩니다.

레이어의 결함

스캔 벡터를 번갈아 사용하면 아직 소결되지 않은 영역을 포함하여 제작 플랫폼의 어느 곳에나 스패터가 발생할 수 있습니다. 이는 파우더 베드의 완벽하게 균일한 표면이 손상되어 레이저가 닿는 영역이 고르지 않을 가능성이 있음을 의미합니다. 스패터 형성량도 중요한데, 스패터의 양이 많을수록 의도한 고체 표면을 형성할 수 있는 재료가 적게 남기 때문입니다.

그 결과 소결의 특정 지점에서 파우더가 너무 많거나 너무 적은 각 층에 작은 결함이 생깁니다. 이로 인해 후속 파우더 층은 이전 층이 고르게 형성되지 않은 부분을 '메워야' 하기 때문에 불균일하게 형성되어 한 층이 이전 층과 제대로 연결되지 않는 지점이 생깁니다. 이로 인해 최종 제품에 결함과 약점이 생깁니다.

솔루션 레이저 센터에 따른 노출 전략(LCDS)

광범위한 실험을 통해 저희 팀은 스캔 벡터와 스트라이프를 번갈아 사용하는 것이 레이저 소결에 가장 효과적인 전략이 아니라는 것을 확인했습니다. 팀은 제작 플랫폼의 작은 단면 영역을 분리하여 각 레이저 중심(플랫폼 위에 레이저를 배치하는 위치)에 대해 스트라이프 방향과 단방향 스캔 벡터의 다양한 조합을 테스트했습니다. 특정 조합은 다른 조합보다 더 높은 품질의 결과를 산출했지만 팀은 해당 레이저 센터에 가장 적합한 조합을 식별할 수 있었습니다.

연구팀은 스트라이프와 단방향 스캔 벡터가 적절한 레이저 중심과 특정 방식으로 정렬되는 노출 패턴을 사용하면 제작 플랫폼 전체에서 불완전성이 감소하고 부품의 균일성이 증가한다는 결론을 내렸습니다. 레이저 센터의 위치가 가이드 기준으로 제안되며, 이것이 바로 이 전략을 "레이저 센터에 따른 노출 전략(LCDS)"이라고 부르는 이유입니다.

이는 아주 작은 결함이 심각한 결과를 초래할 수 있는 항공 공학에 필요한 정밀 부품을 제작할 때 가장 적합합니다. 흥미롭게도 유니티는 이러한 품질 이점을 사용자에게 제공하기 위해 3D 프린팅 소프트웨어에 LCDS 연구 결과를 통합하기 시작했습니다. 조만간 이 새로운 방식을 더 많은 제품에 구현할 계획입니다.