닫기

3D 금속광조형 복합가공 기술

  • 등록 2015.03.03 09:41:35
URL복사

1. 개요

최근 3D 프린팅이 차세대 생산 기술 중 하나로 주목받고 있다. 세계경제포럼에서는 2013년 10대 유망기술 중 하나로 선정하기도 했다.


3D 프린팅은 플라스틱 액체 또는 분말과 같은 원료를 사출해 3차원 모양의 고체 물질을 자유롭게 찍어내는 기술을 말한다. 즉, 대상 물체를 3D 그래픽 설계 프로그램으로 생성한 후에 3D프린터를 통해 분말(Powder), 액체(Photo-polymer), 선(Polymer Wire) 형태의 원료로 사출해서 소재를 무수히 층층이 쌓아 만드는 부가가공(Additive Manu-facturing) 기술이다.


지금까지 3D 프린팅 기술은 시제품 제작을 목적으로 1980년대부터 연구가 계속되어 왔다. 미국에서 개발된 쾌속조형(RP : Rapid Prototype) 기술은 제품의 CAD 데이터로부터 수지, 종이, 광경화성 수지, 금속 등의 재료를 이용하여 제품을 직접 만들 수 있는 새로운 개념의 공정으로, 광조형법(SLA : StereoLithography)이란 이름으로 개발된 공정을 비롯하여 현재는 수많은 공정이 이미 상용화되어 있다.


적층조형 기술은 크게 RP와 RT으로 분류할 수 있다. RT(Rapid Tooling : 쾌속툴링)이란 3D CAD, CT, MRI Scan, 3D 스캐닝 데이터로부터 바로 실물 형상을 만드는 기술이고, RP를 이용한 방법에는 DMLS, SLS, FDM 등과 같이 금속분말이나 와이어 상태의 소재를 용융하여 적층하거나, LOM 등과 같이 판재를 적층하여 열선으로 절단하는 직접식과 쾌속조형에 의해 제작된 원형으로 부가적인 공정(반전, 소결 등)을 거쳐 금형 인서트를 제작하는 간접식이 있다. 


이런 방식으로 RT는 크게 금속을 직접 용융시켜 적층하는 직접식과, 바인더를 사용하여 먼저 형상을 제작한 후 로에서 후처리 작업(소결)을 하여 최종 강도를 얻는 간접식 두 가지 방법으로 구분할 수 있다.
대표적인 금속 적층 제조기업으로 미국의 3D SYSTEMS와 독일의 EOS가 있다. 독일의 EOS는 레이저 기반 금속 적층 제조기업 중 가장 큰 시장 점유율을 차지하며, 대표적인 모델로는 EOS M 계열 모델이 있다. 400 W급의 파이버 레이저를 이용하고, 최소 20um 정도의 레이어 적층 분해능을 가진다. 


또한 125mm Cube 형상 제작을 기준으로 24~48시간 정도 소요되며, 적층 완료 후 표면 조도는 9um(Ra) 수준이다. 주요 소재는 코발트합금과 니켈합금, 스테인리스 소재 등이 가능하며, 적층할 수 있는 최대 제품 크기는 250mm×250mm×325mm이다.
3D 프린팅 기술은 3D 프린터, 3D 모델링 소프트웨어, 소재가 3위 일체되어야 한다.


2. 3D 금속광조형 복합가공기

(1) 공정 소개
전용 금속분말 계량-Base Plate 세팅-분말 도포(0.05mm/층)-레이저 소결-반복 적층조형-NC 가공-주변 분말 제거(재활용)-후가공(Base plate와 부품 분리)-검사-완료
① 금속분말 계량 및 설치



② 가공기 수평도 검사 및 Base Plate 세팅



③ ‌분말 도포(0.05mm/층)-레이저 소결-반복 적층조형-NC 가공



④ 주변 분말 제거 (재활용)



⑤ 후가공 (Base plate와 부품 분리)



⑥ 기타 필요 계측기 및 공구



(2) 금형용 분말 재료의 특징
① 기계적 특성



② 조형밀도: 99.5% 이상
③ 용접 육성: 가능
④ 금형 예상 수명
- Glass 섬유 없는 수지: 50만 쇼트 이상
- Glass 섬유 있는 수지: ~30만 쇼트



(3) 금속광조형 복합가공법의 특징
① 사용 공구: 최소 R0.3mm



② ‌가공 정도: ±25μm
(치수 정밀도 : 약 100mm당 5μm)
③ 표면 조도: Rz 10μm (Rz 5μm 실험)


(4) Base plate 위에 조형
① 조형 완료 후 base plate 제거 작업 필요 (후가공)
② ‌필요에 따라 플레이트부도 금형 구조의 일부로서 설계 제작



(5) 조형시 Base Plate 휨 발생
① ‌휨의 최소화를 위해 베이스 플레이트를 두껍게 하여 조형 시 사용 필요
② 조형 크기: 100×160×45mm 금형으로 실험
③ 휨 : 0.3mm 정도 (Base plate 두께: 30mm일 경우)
④ 대처 방법 : 조형 후 Base plate 바닥면 연마

(6) 언더컷 부분의 조형



돌출 형상의 경우 조형할 수 없으므로 형상의 변경 또는 별도의 서포트가 필요하다. 언더 컷 부분은 절삭할 수 없으므로 조형한 표면이 그대로 남는다.
(7) 냉각수관에 대해



수관을 배치할 때는 분말의 과잉 경화로 수관의 막힘, 수관으로부터 누수 가능성 때문에 제한이 있다. 수관의 상부는 모델대로 조형할 수 없기 때문에 형상의 변경이 필요하다.


(8) 미세 구멍 또는 미세 홈 구조와 최소 가로폭



미세 홈부 구조의 높이는 가스빼기를 원활하게 하기 위해 3mm 이하로 한다. 성형 시 수지가 막히는 것을 고려하여 미세 홈부는 교환 가능한 부품으로 하는 것이 바람직하다.
또한 이 가공기에서 사용할 수 있는 절삭날의 최소 지름은 ?0.6의 볼 엔드밀이므로 홈 폭의 최소 지름은 0.67mm 이상으로 한다.


3. 과제

① ‌금속 3D 프린팅 기술로 금형을 제작하면 공구 작동 오차 감소, 생산성 향상, 복잡한 형상 가공 등의 이점이 있지만, 금속 3D 프린터가 중소기업이 구매하기에는 고가이며 금형 제작에 쓰이는 금속분말도 kg당 약 25만원으로 매우 비싸다. 또한 가공기 제조사가 판매하는 금속분말을 사용하지 않을 경우 품질을 보장할 수 없다는 문제가 있다.
② ‌3D 프린터로 금형을 제작할 경우 표면이 거칠고 후가공이 필요하다는 단점을 NC 가공으로 보완했지만, Base plate와 제품 간의 분리를 위해 와이어컷 가공 등이 필요하다는 단점이 있다.
③ ‌준비 시간 및 가공 시간이 길다. 다음 그림과 같은 형상을 조형하는데 조형 시간이 약 2시간 소요됐다. 준비 시간은 상황에 따라 더 걸릴 수 있다.



④ ‌돌출부나 언더컷 부분은 별도의 서포트나 설계상 대책이 필요하다.
⑤ ‌금형 내부의 냉각통로와 같은 절삭가공으로는 제작이 어려운 형상을 제작할 수 있지만, 설계상 형상을 보완할 필요가 있다. 예를 들면 형상 적응형 냉각터널을 적층조형 방식으로 냉각 채널을 제조할 경우, 자유로운 냉각회로를 어느 곳에서나 설치할 수 있고 코어와 캐비티 형상에 가장 적합하게 냉각수 통로를 제작하여 삽입시킬 수 있으며 균일한 냉각온도 분포로 제품의 휨을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
적층조형 방식의 가공 방법으로는 금속분말을 레이저로 3D 데이터를 따라 선택적으로 조사하여 소결하는 SLS 방식과 금속 와이어를 이용한 FDM, DMLS, SLA, LOM 등의 RT 방식이 있다.
⑥ ‌미세 분말을 취급하므로 작업자의 안전 수칙과 작업 환경의 관리가 요구된다.


문영대 _ 대동전자






주요파트너/추천기업