강하고 복잡하며 가벼운 금속 부품에 대한 수요가 높습니다. 전통적인 기계 가공이나 주조 방식으로는 이 세 가지를 모두 충족할 수 없는 경우가 많습니다. 이때 적층 제조, 특히 DMLS가 등장합니다. DMLS는 금형이 필요 없고, 낭비를 최소화하며, 빠른 처리 시간을 제공하는 방법을 제공합니다. 하지만 정확히 무엇이며 어떻게 작동할까요?
이 기술은 비용을 절감하고 부품 성능을 개선하며 생산 단계를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 어떻게 작동하고 무엇이 다른지 살펴보겠습니다.
직접 금속 레이저 소결(DMLS)이란 무엇인가요?
직접 금속 레이저 소결은 일종의 금속 3D 프린팅. 레이저를 사용하여 금속 분말을 고체 층으로 녹입니다. 레이저는 디지털 디자인 파일을 따라갑니다. 각 레이어는 최종 부품이 완성될 때까지 마지막 레이어에 융합됩니다.
이 프로세스에는 금형이나 절단 도구가 필요하지 않습니다. 기존 방식으로는 제작하기 어렵거나 불가능한 모양을 만들 수 있습니다. 최종 부품은 튼튼하고 기능적으로 사용할 준비가 되어 있습니다.
DMLS는 1990년대에 시작되었습니다. EOS GmbH가 독일에서 처음 개발했습니다. 당시에는 풀 메탈 부품을 프린팅한다는 개념이 생소했습니다. 수년에 걸쳐 기술이 개선되었습니다.
더 나은 레이저, 더 엄격한 제어, 더 미세한 분말이 공정을 발전시켰습니다. 오늘날 DMLS는 특히 항공우주, 의료, 산업용 공구 등 강하고 가볍고 복잡한 부품을 필요로 하는 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
DMLS의 핵심 원칙
DMLS는 열과 동작을 정밀하게 제어하여 금속 분말을 완전히 밀집된 부품으로 만듭니다. 복잡한 형상을 제작하기 위해 핵심 단계가 어떻게 함께 작동하는지는 다음과 같습니다.
파우더 베드 융합 프로세스
DMLS는 파우더 베드 융용 방식을 기반으로 합니다. 얇은 금속 분말 층이 빌드 플랫폼에 펼쳐집니다. 그런 다음 레이저가 디지털 CAD 파일을 기반으로 선택한 영역에서 파우더를 녹입니다.
한 층이 완성되면 플랫폼이 약간 낮아집니다. 새로운 파우더 층이 펼쳐집니다. 레이저가 이 다음 층을 녹여 아래 층과 융합합니다. 이 사이클은 파트가 완성될 때까지 반복됩니다.
고출력 레이저의 역할
레이저는 DMLS의 핵심 도구입니다. 레이저는 금속 분말을 가열하고 녹이기 위해 집중된 에너지를 전달합니다. 레이저는 입자를 완전히 녹일 수 있을 만큼 강해야 하지만 열이 너무 멀리 퍼지지 않도록 제어해야 합니다.
빔은 각 레이어에서 빠르고 정확하게 이동합니다. CAD 모델을 기반으로 부품의 단면을 추적합니다. 이러한 정밀도 덕분에 미세한 피처와 엄격한 공차를 구현할 수 있습니다.
레이어별 제작 설명
부품은 한 번에 한 층씩 얇게 제작됩니다. 각 층의 두께는 보통 20~60미크론 정도입니다. 각 층이 융합된 후 새로운 파우더 층이 추가됩니다.
이 방법을 사용하면 내부 채널, 격자 구조 및 복잡한 곡선이 있는 부품을 제작할 수 있습니다. 재료를 잘라낼 필요가 없으므로 낭비가 적습니다. 최종 파트는 베이스에서 위로 자라나 완전히 형성됩니다.
DMLS에 사용되는 자료
DMLS는 다양한 금속 분말과 함께 작동합니다. 따라서 엔지니어는 강도, 무게, 내열성 및 비용에 따라 적합한 재료를 유연하게 선택할 수 있습니다.
일반적인 금속 분말(알루미늄, 티타늄, 스테인리스 스틸)
알루미늄 합금은 가볍고 인쇄 후 가공이 용이합니다. 다음과 같은 용도에 적합합니다. 인클로저, 괄호및 열 방출이 필요한 부품.
티타늄은 강하고 가벼우며 부식에 강합니다. 티타늄은 성능과 안전성이 모두 중요한 항공우주 및 의료용 임플란트에 널리 사용됩니다.
스테인리스 스틸은 강도와 내마모성이 뛰어납니다. 습기나 화학물질에 노출되는 공구, 산업용 부품, 구성품에 적합합니다.
이색 및 특수 합금
인코넬은 고온 저항성으로 잘 알려진 니켈 기반 합금입니다. 항공우주 및 에너지 산업에서 흔히 사용됩니다.
코발트-크롬 합금은 치과 및 정형외과 임플란트에 사용됩니다. 생체 적합성이 뛰어나고 마모에 강합니다.
흔하지는 않지만 구리 및 구리 합금도 인쇄할 수 있습니다. 우수한 전도성이 필요한 열 및 전기 애플리케이션에 유용합니다.
머티리얼 속성 및 성능
DMLS 소재는 단조에 가까운 강도를 제공합니다. 올바르게 가공하면 단조 또는 주조 부품 못지않은 성능을 발휘하는 경우가 많습니다.
인쇄된 부품을 열처리하여 경도 또는 내구성을 개선할 수 있으며, 다음과 같은 표면 처리가 가능합니다. 아노다이징 처리 또는 세련 외관 및 내식성에 도움이 됩니다.
재료 선택은 제작 속도, 비용, 마감에 영향을 미칩니다. 부품의 요구 사항을 적합한 파우더와 일치시키는 것이 중요합니다.
DMLS 부품의 기계적 및 물리적 특성
DMLS로 제작된 부품은 강도와 정밀도가 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 이 공정은 주조 또는 가공 부품과 비슷하거나 더 나은 특성을 가진 조밀하고 견고한 부품을 제작합니다.
강도와 내구성
DMLS 부품은 튼튼하고 실제 사용에 적합합니다. 금속 분말이 완전히 녹기 때문에 최종 부품은 조밀하고 높은 하중을 견딜 수 있습니다.
많은 DMLS 소재는 단조 금속의 강도를 충족하거나 능가합니다. 티타늄, 스테인리스강, 니켈 합금은 피로 및 인장 강도가 우수합니다. 따라서 고응력 애플리케이션에 적합합니다.
치수 정확도 및 표면 마감
DMLS는 엄격한 공차를 달성할 수 있습니다. 올바른 설정으로 크기와 형상에 따라 ±0.1mm 이상의 정확한 부품을 생산할 수 있습니다.
표면 마감은 레이어 높이와 파우더 크기에 따라 달라집니다. 대부분의 원시 DMLS 부품은 표면이 약간 거칠습니다. 매끄러운 마감을 위해서는 연마나 기계 가공과 같은 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
다공성 및 밀도 특성
DMLS로 제작한 부품은 99% 이상의 밀도에 도달할 수 있습니다. 이렇게 밀도가 높다는 것은 기계적으로 사용하기에 견고하고 신뢰할 수 있다는 뜻입니다.
그러나 설정에 따라 미세한 다공성이 여전히 존재할 수 있습니다. 열간 등방성 프레싱(HIP)과 같은 열처리를 통해 미세한 기공을 막고 부품 무결성을 더욱 개선할 수 있습니다.
DMLS 설계 가이드라인
DMLS를 위한 디자인은 기계 가공이나 성형과는 다른 사고방식이 필요합니다. 프로세스를 염두에 두면 인쇄 문제를 방지하고 후처리를 줄이는 데 도움이 됩니다.
벽 두께 및 지지 구조
벽이 얇으면 인쇄 중에 뒤틀리거나 실패할 수 있습니다. 최소 벽 두께는 0.5mm가 일반적이지만 구조 부품의 경우 벽이 두꺼울수록 더 안전합니다.
오버행 및 브리징 섹션에는 서포트 구조가 필요합니다. 이러한 서포트는 프린팅하는 동안 파트가 안정적으로 유지되도록 합니다. 나중에 제거해야 하므로 시간과 비용이 추가됩니다. 손이 닿기 쉬운 곳에 배치하면 쉽게 제거할 수 있습니다.
오버행 및 복잡한 지오메트리
DMLS는 복잡한 내부 피처, 격자 구조 및 곡면을 허용합니다. 그러나 수직에서 45도 이상의 돌출부는 종종 지지대가 필요합니다.
완만한 각도, 자립형 곡선 또는 견고한 베이스가 있는 디자인이 더 나은 성능을 발휘합니다. 속이 빈 기능에는 갇힌 가루를 제거할 수 있는 배수구가 있어야 합니다.
부품 오리엔테이션 전략
파트가 빌드 플레이트에 배치되는 방식은 강도, 표면 마감 및 빌드 시간에 영향을 줍니다. 세로 방향은 서포트를 줄일 수 있지만 빌드 시간이 늘어날 수 있습니다. 평평하게 배치하면 빌드 시간이 단축되지만 표면 거칠기가 높아질 수 있습니다.
방향도 냉각 중 스트레스에 영향을 미칩니다. 잘 계획하면 뒤틀림이나 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
DMLS 사용의 이점
DMLS는 기존 방식과 비교할 수 없는 몇 가지 강력한 이점을 제공합니다. 엔지니어가 낭비를 줄이면서 더 나은 부품을 더 빠르게 제작할 수 있도록 도와줍니다.
높은 디자인 자유도
DMLS를 사용하면 엔지니어가 복잡한 형상을 세밀한 디테일로 디자인할 수 있습니다. 내부 채널, 날카로운 각도, 가벼운 격자 구조를 인쇄할 수 있습니다. 이러한 디자인은 기계 가공이나 주조가 불가능한 경우가 많습니다.
재료 효율성
DMLS는 파트 제작에 필요한 재료만 사용합니다. 사용하지 않은 파우더는 수집하여 향후 빌드에 재사용할 수 있습니다. 큰 블록을 잘라내거나 여분의 재료를 금형에 부을 필요가 없습니다.
강력한 기계적 특성
DMLS 부품은 조밀하고 견고합니다. 레이저가 분말을 완전히 녹여 단조 또는 가공된 금속에 가까운 강도를 가진 부품을 만듭니다. 높은 내구성과 우수한 내열성 및 내식성을 기대할 수 있습니다.
빠른 프로토타이핑에서 생산까지
DMLS는 리드 타임을 단축합니다. 툴링이나 주조를 위해 몇 주를 기다릴 필요 없이 며칠 만에 부품을 프린트할 수 있습니다. 따라서 프로토타입 제작 속도가 빨라집니다. 또한 추가 비용 없이 소량 배치 또는 맞춤형 생산을 지원합니다.
한계와 과제
DMLS는 많은 장점을 제공하지만, 계획 및 제작 과정에서 엔지니어가 염두에 두어야 할 몇 가지 과제도 있습니다.
높은 장비 및 자재 비용
DMLS 장비는 고가입니다. 고출력 레이저, 불활성 가스 환경, 엄격한 공정 제어가 필요합니다. 금속 분말은 특히 특수 합금을 사용할 때 비용이 많이 듭니다.
표면 마감 및 다공성 문제
DMLS의 부품은 프린터에서 바로 나온 표면이 거친 경우가 많습니다. 이는 파우더 입자와 레이어가 융합되는 방식 때문입니다. 가공, 연마 또는 코팅과 같은 추가 단계가 필요한 경우가 많습니다.
빌드 크기 제약 조건
DMLS 프린터는 제작 용량이 제한되어 있습니다. 큰 부품은 한 번의 인쇄 작업에 맞지 않을 수 있습니다. 이러한 경우 파트를 분할하여 섹션으로 인쇄한 다음 결합해야 합니다.
긴 냉각 및 처리 시간
프린팅 후에는 열 스트레스를 피하기 위해 챔버 내부에서 빌드를 천천히 식혀야 합니다. 이 냉각 단계는 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 냉각이 완료되면 부품을 제거하고 청소하고 후처리해야 합니다.
DMLS의 애플리케이션
DMLS는 강도, 정밀도, 설계 유연성이 중요한 산업 전반에 걸쳐 사용됩니다. 신속한 개발과 고성능 최종 사용 부품을 모두 지원합니다.
항공우주 및 국방
DMLS는 항공우주 분야에서 가볍고 복잡한 부품을 생산하는 데 널리 사용됩니다. 엔지니어는 냉각 또는 경량화를 위해 내부 채널이 있는 부품을 설계할 수 있습니다.
의료용 임플란트 및 기기
의료 회사에서는 DMLS를 사용하여 고관절, 척추 케이지, 치과 크라운과 같은 맞춤형 임플란트를 제작합니다. 티타늄과 같은 생체 적합성 소재를 지원합니다.
자동차 성능 부품
DMLS는 자동차 제조업체가 속도와 연비를 개선하는 부품을 만드는 데 도움을 줍니다. 터보 하우징, 엔진 브래킷, 경량 구조 부품이 대표적입니다.
툴링 및 사용자 지정 고정 장치
엔지니어는 DMLS를 사용하여 툴링 인서트, 지그 및 맞춤형 픽스처를 인쇄합니다. DMLS를 사용하면 더 빠르게 테스트하고 생산할 수 있습니다. 결과는 강력하고 정확하며 매일 사용할 수 있습니다.
결론
직접 금속 레이저 소결은 레이저를 사용하여 금속 분말로 견고하고 섬세한 부품을 제작하는 금속 3D 프린팅 프로세스입니다. 복잡한 모양, 짧은 리드 타임, 다양한 금속을 지원합니다. DMLS는 항공우주, 의료, 자동차, 툴링과 같은 산업에 유용합니다.
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안녕하세요, 저는 케빈 리입니다
지난 10년 동안 저는 다양한 형태의 판금 제작에 몰두해 왔으며 다양한 워크숍에서 얻은 경험에서 얻은 멋진 통찰력을 이곳에서 공유했습니다.
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케빈 리
저는 레이저 절단, 굽힘, 용접 및 표면 처리 기술을 전문으로 하는 판금 제조 분야에서 10년 이상의 전문 경험을 갖고 있습니다. Shengen의 기술 이사로서 저는 복잡한 제조 문제를 해결하고 각 프로젝트에서 혁신과 품질을 주도하는 데 최선을 다하고 있습니다.
