개요
파우더 베드 융합은 열 에너지를 사용하여 파우더 베드의 영역을 층별로 선택적으로 융합하여 부품을 제작하는 적층 제조 공정입니다. 오늘날 생산 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 금속 3D 프린팅 기술 중 하나입니다.
파우더 베드 퓨전에 대한 몇 가지 주요 세부 정보입니다:
- 적층 제조의 통 광중합 제품군에 속합니다.
- 레이저나 전자빔과 같은 열 에너지원을 사용하여 재료 분말을 녹이고 융합합니다.
- 사용되는 분말은 일반적으로 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 니켈 합금, 코발트 크롬과 같은 금속입니다. 일부 공정에서는 폴리머와 세라믹도 사용할 수 있습니다.
- 파우더 베드 퓨전은 기존 제조 방식에 필적하는 기계적 특성을 가진 완전 고밀도 금속 부품을 만들 수 있습니다.
- 기존의 감산 기법으로는 불가능했던 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.
- 항공우주, 의료, 치과, 자동차, 일반 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
- 널리 사용되는 파우더 베드 기술로는 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM), 바인더 분사 등이 있습니다.
파우더 베드 융합 공정
여러 가지 파우더 베드 융합 기술이 개발되었습니다. 주요 기술은 다음과 같습니다:
| 프로세스 | 설명 |
|---|---|
| 선택적 레이저 용융 (SLM) | 고출력 레이저를 사용하여 베드에 있는 금속 분말을 완전히 녹여 융합합니다. |
| 직접 금속 레이저 소결(DMLS) | SLM과 유사하지만 분말 소결이 아닌 완전 용융을 목표로 합니다. |
| 전자빔 용융(EBM) | 전자 빔을 에너지원으로 사용하여 분말을 녹입니다. 진공 상태에서 수행됩니다. |
| 멀티 제트 퓨전(MJF) | 에너지원으로 소결하기 전에 폴리머 파우더 베드에 용융제를 잉크젯으로 인쇄합니다. |
| 바인더 분사 | 액체 결합제를 선택적으로 증착하여 분말 재료를 결합한 후 소결합니다. |
선택적 레이저 용융(SLM) 는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 파우더 베드 융합 기술입니다. 고출력 레이저(예: 파이버, CO2, YAG)가 파우더 베드에 집중되어 용융 풀을 만들고 재료를 융합합니다. 파우더 베드는 각 층마다 낮아지고 새로운 파우더가 그 위에 펼쳐집니다. SLM은 완전 용융을 사용하므로 완전 밀도 부품을 제작할 수 있습니다. 스테인리스 스틸, 티타늄, 알루미늄, 인코넬과 같은 소재가 일반적으로 사용됩니다.
직접 금속 레이저 소결(DMLS) 는 유사하게 작동하지만 분말을 부분적으로만 녹여 입자 사이에 목을 형성하여 고체 부품을 생산하는 것을 목표로 합니다. DMLS는 SLM에 비해 레이저 출력에 대한 요구 사항이 낮습니다.
전자빔 용융(EBM) 은 진공 상태에서 집중된 에너지원으로 전자 빔을 사용하여 금속 분말을 층별로 녹입니다. EBM은 빔이 더 빠르게 스캔할 수 있기 때문에 레이저 기반 공정보다 높은 제작 속도를 제공합니다. EBM은 주로 항공우주 분야에서 티타늄 합금과 함께 사용됩니다.
멀티 제트 퓨전(MJF) 잉크젯 프린팅 헤드를 사용하여 폴리머 파우더 베드에 용융제를 선택적으로 증착한 다음 에너지원으로 소결합니다. MJF는 열가소성 플라스틱의 고속 소결을 가능하게 합니다.
바인더 분사 먼저 액체 결합제를 특정 영역에 증착하여 분말 재료를 결합한 후 소결하여 부품을 치밀하게 만듭니다. 금속, 세라믹 및 폴리머와 함께 사용할 수 있습니다.
파우더 베드 융합 재료
파우더 베드 융합 적층 제조에는 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다:
| 재질 | 프로세스 | 애플리케이션 |
|---|---|---|
| 스테인리스 스틸 | SLM, DMLS, 바인더 분사 | 의료용 임플란트, 툴링, 일반 엔지니어링 |
| 티타늄 합금 | SLM, EBM | 항공우주 및 의료용 임플란트 |
| 알루미늄 합금 | SLM, EBM | 자동차 및 항공우주 경량화 |
| 니켈 초합금 | SLM, EBM | 극한 환경을 위한 터빈 블레이드, 로켓 노즐 |
| 코발트크롬 | SLM, DMLS | 치과 임플란트 및 보철 |
| 폴리머 | MJF, 바인더 분사 | 프로토타입 제작 및 최종 사용 플라스틱 부품 |
| 도자기 | 바인더 분사 | 의료용 임플란트, 항공우주 |
가장 널리 사용되는 것은 다음과 같습니다. 스테인리스 스틸를 사용하여 우수한 내식성과 기계적 특성을 제공합니다. 티타늄 합금 은 강철 및 니켈 합금에 비해 무게를 줄일 수 있어 항공우주 분야에서 인기가 높습니다. 알루미늄 합금 자동차 및 항공우주용 부품 경량화를 지원합니다.
니켈 초합금 인코넬과 같은 소재는 고온 터빈 블레이드와 로켓 노즐에 사용됩니다. 코발트-크롬 합금 는 생체 적합성이 있으며 치과 수복물에 널리 사용됩니다. 폴리머 나일론, PEEK, 폴리아미드처럼 플라스틱 부품을 소결할 수 있습니다. 도자기 지르코니아나 알루미나 같은 소재는 의료용 임플란트에 사용됩니다.
입자 크기 분포, 유동성, 포장 밀도, 융점은 가공성 및 최종 부품 특성을 결정하는 주요 분말 재료 특성입니다.
파우더 베드 융합 애플리케이션
파우더 베드 융합 적층 제조는 항공우주, 의료, 치과, 자동차 및 일반 엔지니어링 산업 전반에 걸쳐 사용됩니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:
| 산업 | 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 로켓 노즐, 에어포일, 인공위성, 드론 |
| 의료 | 정형외과 및 치과 임플란트, 보철물, 수술 기구 |
| 자동차 | 프로토타입 경량화, 맞춤형 툴링 |
| 산업 | 금속 툴링, 채굴 장비, 액체 취급 |
| 아키텍처 | 장식 기능, 파사드, 조명, 가구 |
~ 안에 항공우주파우더 베드 용융은 인공위성 및 무인 항공기와 같은 일회성 부품에 이상적입니다. 터빈, 노즐, 기체 등 경량 티타늄 및 니켈 합금 부품에 사용됩니다.
대상 의료맞춤형 티타늄 및 코발트 크롬 임플란트 및 보철물은 주요 응용 분야입니다. 또한 개인 맞춤형 수술 도구도 가능합니다.
~ 안에 자동차파우더 베드는 경량 프로토타입과 맞춤형 툴링 및 지그와 같은 고정 장치에 사용됩니다. 용도는 산업 장비를 통해 특수 툴링, 지그 및 최종 사용 금속 부품을 구현할 수 있습니다.
~ 안에 아키텍처파우더 베드 융합은 건물과 가구의 장식 및 기능적 요소를 위한 독특한 기하학적 구조를 용이하게 합니다.
파우더 베드 퓨전의 장점
파우더 베드 융합 기술의 몇 가지 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 복잡한 기하학 - 복잡한 내부 기능과 격자를 구현할 수 있습니다.
- 사용자 지정 - 부품을 개별 애플리케이션에 맞게 조정할 수 있습니다.
- 경량화 - 설계 최적화를 통해 구성 요소 무게를 줄입니다.
- 통합 - 어셈블리를 단일 부품으로 결합합니다.
- 높은 강도 - 단조 재료 강도에 필적하는 완전 고밀도 금속.
- 리드타임 단축 - 디지털 파일에서 부품으로 빠르게 전환할 수 있습니다.
- 대량 사용자 지정 - 규모의 경제와 부품 커스터마이징을 결합합니다.
- 지속 가능성 - 감산 프로세스에 비해 낭비가 적습니다.
파우더 베드 퓨전은 복잡한 형상의 고밀도 금속 부품을 맞춤형으로 생산할 수 있어 산업 전반의 경량, 고성능 부품에 이상적입니다. 이 기술을 사용하면 어셈블리를 단일 부품으로 통합하여 제조 및 재고 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 적층 제조를 사용하면 CNC 가공과 같은 기존의 감산 방식보다 재료 낭비가 훨씬 적습니다.
파우더 베드 융합의 한계
현재 몇 가지 제한 사항은 다음과 같습니다:
- 크기 제약 조건 - 빌드 볼륨은 일반적으로 1 입방 미터 미만입니다.
- 표면 마감 - 후처리가 필요한 계단식 효과.
- 빌드 속도 - 대량 생산 방식보다 느립니다.
- 이방성 속성 - 머티리얼 속성의 방향성 변화.
- 표준 - 적격 부품에 대한 코드 및 사양이 부족합니다.
- 소프트웨어 - 디자인 규칙과 파일 준비의 복잡성.
- 비용 - 장비 및 자재 비용은 여전히 상대적으로 높습니다.
최대 부품 크기는 기계의 제작 용적에 의해 제한되며, 개선되고 있지만 여전히 일반적으로 1세제곱미터 미만입니다. 레이어별 공정으로 인해 표면 마감이 좋지 않아 평활화 및 연마가 필요할 수 있습니다.
사출 성형과 같은 대량 생산 기술에 비해 전반적인 빌드 속도는 느립니다. 또한 부품은 제작 방향에 따라 이방성 특성을 나타낼 수 있습니다. 항공우주 및 의료와 같이 규제가 엄격한 산업에서는 적격 인쇄 부품에 대한 표준과 사양이 부족하다는 점도 제약 요인입니다. 최적의 부품을 설계하고 파일을 사전 처리하려면 고급 소프트웨어 전문 지식이 필요합니다.
시스템 및 재료 비용은 여전히 전통적인 제조 방식에 비해 상대적으로 높습니다. 그러나 채택이 증가함에 따라 비용이 낮아지고 있으며 많은 애플리케이션에서 부품 성능, 사용자 지정 및 설계 유연성 덕분에 비용을 정당화할 수 있습니다.
포스트 프로세싱
포스트 프로세싱은 빌드 프로세스 이후에 완성된 부품을 얻기 위해 필요한 단계를 말합니다:
- 분말 제거 - 브러시를 사용하여 녹지 않은 파우더에서 부품을 분리합니다.
- 제거 지원 - 지지 구조물을 잘라내고 표면을 청소합니다.
- 표면 마감 - 샌딩, 연마, 비드 블라스팅을 통한 개선
프로세스 매개변수
파우더 베드 퓨전을 통해 특성, 성능 및 생산성을 최적화하기 위해 조정할 수 있는 몇 가지 주요 공정 파라미터가 있습니다:
| 매개변수 | 일반적인 범위 | 효과 |
|---|---|---|
| 레이저 파워 | 50-500W | 용융 속도, 용융 풀 크기, 깊이 침투력 |
| 스캔 속도 | 100-10,000 mm/s | 응고 속도, 냉각 속도, 미세 구조 |
| 해치 간격 | 50-200 μm | 겹치는 트랙, 밀도, 결합 강도 |
| 레이어 두께 | 20-100 μm | 해상도, 표면 거칠기, 빌드 시간 |
| 스캔 전략 | 섬, 줄무늬, 체스판 | 잔류 응력, 왜곡, 이방성 |
| 프로세스 분위기 | 진공, 불활성 가스 | 산화, 오염, 다공성 |
레이저 파워 는 에너지 입력, 용융 속도, 용융 풀 치수 및 깊이 침투에 영향을 줍니다. 스캔 속도 는 입자 형태와 결함 형성에 영향을 미치는 응고 속도와 냉각 속도를 제어합니다.
해치 간격 스캔 트랙 사이의 간격을 설정하고 레이어 간의 겹침, 밀도 및 결합에 영향을 줍니다. 레이어 두께 해상도, 표면 거칠기 및 총 빌드 시간을 결정합니다.
스캔 전략 (스캔 패턴)은 인쇄 방향에 따라 잔류 응력, 왜곡 및 이방성 특성에 영향을 미칩니다. 프로세스 분위기 는 산화 및 오염 수준을 결정합니다.
파우더 재활용
- 융합되지 않은 분말을 채취하여 체로 쳐서 큰 입자를 제거할 수 있습니다.
- 일반적으로 최대 20주기까지 재사용
- 파우더 비용 대폭 절감
- 신선한 분말을 첨가하여 화학 성분을 보충하고 유지합니다.
- 재사용 임계값을 위해 모니터링되는 속성
파우더 베드 융합 공정에서는 융합되지 않은 파우더를 추가 빌드에 재사용합니다. 파우더를 제거한 후 남은 파우더를 수거하고 체로 쳐서 큰 입자를 제거한 다음 새로운 파우더와 혼합하여 재사용합니다.
일반적인 재사용률은 재료, 입자 크기 변화, 오염 수준에 따라 최대 20회까지 가능합니다. 이러한 재활용은 재료 효율성을 크게 개선하고 전체 부품 비용을 낮춥니다. 재사용된 파우더 비율과 특성을 모니터링하여 재생률을 결정합니다.
품질 관리
파우더 베드 퓨전에 사용되는 몇 가지 주요 품질 관리 방법은 다음과 같습니다:
- 분말의 화학적 분석
- 입자 크기 분포 분석
- 파우더 재사용 추적
- 멜트 풀 모니터링
- 부품 형상 검사
- 기계적 특성 테스트
- 비파괴 검사(예: 엑스레이)
- 내부 결함을 위한 CT 스캔
- 표면 거칠기 측정
입력된 파우더의 화학 성분과 입자 크기 분포를 분석하여 고품질을 보장합니다. 파우더 교체율을 추적합니다. 용융 풀 모니터링과 같은 공정 중 모니터링 시스템은 빌드 중 결함을 감지합니다.
인쇄된 부품의 기하학적 공차를 측정합니다. 기계적 테스트는 공정 파라미터와 제작 방향에 따라 특성을 평가합니다. 비파괴 및 CT 스캔을 통해 내부 결함을 식별합니다. 표면 마감이 평가됩니다. 모든 데이터를 분석하여 공정을 보정하고 최적화합니다.
비용 분석
일반적인 파우더 베드 융합 부품 비용은 다음과 같습니다:
- 기계 감가상각
- 재료비
- 전처리 및 후처리를 위한 노동력
- 구축 시간 및 에너지 소비
- 재사용 가능한 파우더의 양
- 구매 대 비행 비율
기계 장비 비용은 사용량에 따라 예상 수명에 걸쳐 상각됩니다. 자재 비용은 부품 수량과 구매 대비 비행 비율을 기준으로 계산됩니다. 인건비에는 파일 준비, 설정, 파우더 제거 및 마감 단계가 포함됩니다.
에너지 사용량은 제작 시간과 전력 수준에 따라 달라집니다. 재사용 가능한 파우더는 전체 재료 비용을 낮춥니다. 고가 부품의 경우 3:1에서 최대 20:1의 구매 대 비행 비율이 일반적입니다.
공급업체
주요 파우더 베드 융합 시스템 공급업체는 다음과 같습니다:
| 공급업체 | 핵심 기술 |
|---|---|
| EOS | DMLS(직접 금속 레이저 소결) |
| 3D Systems | DMP(직접 금속 인쇄) |
| GE 애디티브 | DMLM(직접 금속 레이저 용융) |
| 트럼프 | TruPrint 금속 3D 프린터 |
| 시스마 | 레이저 금속 용융 시스템 |
| 합산 | FormUp 금속 3D 프린터 |
EOS 및 3D Systems 는 파우더 베드 융합의 초기 선구자였으며 오늘날에도 여전히 리더로 남아 있습니다. GE 애디티브 레이저와 전자빔 기술을 모두 제공하기 위해 Concept Laser와 Arcam EBM을 인수했습니다. 트럼프 및 시스마 또한 산업용 SLM 시스템을 제공합니다. 합산 는 금속 적층 제조에 중점을 둔 미쉐린과 파이브의 합작 회사입니다.
카펜터, 샌드빅, 프렉스에어, LPW 테크놀로지, AP&C 등 파우더 베드 융합을 위한 재료 공급업체도 많습니다.
비용 비교
| 프로세스 | 장비 비용 | 재료비 | 속도 |
|---|---|---|---|
| 파우더 베드 융합 | $100K - $1M+ | $100-500/kg | 5-100 cm3/hr |
| CNC 가공 | $50K - $500K | $5-50/kg | 50-500 cm3/시간 |
| 사출 성형 | $100K - $1M+ | $2-5/kg | 100-1000 cm3/시간 |
파우더 베드 시스템은 산업용 프린터의 경우 $100,000에서 대형 생산 시스템의 경우 $1백만 이상의 높은 장비 비용이 듭니다. 재료 범위는 $100-500/kg입니다. 생산 속도는 기술에 따라 5-100cm3/시간으로 다양합니다.
CNC 가공은 장비 비용이 약 $50,000부터 시작됩니다. 금속 재료 비용은 $5-50/kg으로 더 저렴합니다. 속도 범위는 50-500cm3/시간입니다.
사출 성형 시스템도 $100,000 이상의 비용이 듭니다. 하지만 플라스틱 소재는 $2-5/kg으로 매우 저렴합니다. 속도는 100-1000cm3/시간입니다.
따라서 파우더 베드 용융은 성능에 비해 비용이 더 많이 드는 소량, 고가의 금속 부품에만 비용 효율적입니다.
파우더 베드 퓨전 대 바인더 제팅
| 파우더 베드 퓨전 | 바인더 분사 | |
|---|---|---|
| 재료 | 금속, 폴리머, 세라믹 | 금속, 폴리머, 세라믹 |
| 밀도 | 완전히 밀집된 부품 | 다공성 부품, 침투 필요 |
| 정확도 | 중간, ±0.1%, 후처리 포함 | 중간, ±0.2% |
| 표면 마감 | 보통, 마무리 작업 필요 | 공정하고 레이어드된 질감 유지 |
| 속도 | 느림, 에너지원에 따라 다름 | 에너지원에 구애받지 않는 빠른 속도 |
| 애플리케이션 | 최종 사용 금속 부품 | 툴링, 주조 패턴, 프로토타입 |
- 파우더 베드 융합은 완전히 밀도가 높은 부품을 생산할 수 있는 반면 바인더 분사 부품은 다공성이며 침투가 필요합니다.
- 바인더 분사 정확도는 보통이지만 파우더 베드 융합은 후처리를 통해 더 높은 정확도를 달성할 수 있습니다.
- 파우더 베드 퓨전 표면 마감은 마감 처리가 필요하지만 바인더 분사 방식은 층이 있고 질감이 있는 마감 처리가 가능합니다.
- 바인더 제팅 빌드 속도는 에너지원에 의해 제한되는 파우더 베드 공정보다 훨씬 빠릅니다.
- 파우더 베드는 최종 사용 부품에 더 많이 사용되는 반면 바인더 제팅은 툴링, 주조 및 컨셉 모델에 더 적합합니다.
파우더 베드 융합 대 지향성 에너지 증착
| 파우더 베드 퓨전 | DED | |
|---|---|---|
| 재료 | 주로 금속 | 금속, 폴리머 |
| 지오메트리 | 복잡성 활성화 | 중간 복잡도 |
| 정확도 | 중간에서 높음 | Medium |
| 표면 마감 | 보통, 마무리 작업 필요 | 거친, 더 많은 마무리 |
| 확장성 | 중소형 부품 | 중대형 부품 |
| 입금 비율 | 낮음, 스캔 속도에 따라 다름 | 높고, 더 큰 노즐로 증가 |
- 파우더 베드 융합은 주로 금속에 사용되는 반면, DED는 금속과 폴리머를 사용할 수 있습니다.
- 파우더 베드 융합은 일부 기하학적 제약이 있는 DED보다 더 높은 복잡성을 허용합니다.
- 파우더 베드 융합 시 정확도가 더 높습니다. DED 정확도는 중간입니다.
- DED는 첨가제 비드로 인해 더 많은 마감이 필요한 거친 표면을 만듭니다.
- 파우더 베드 퓨전은 작은 부품을 제작하는 반면 DED는 중간 크기에서 큰 그물 모양에 가까운 부품을 제작합니다.
- DED는 블로우 파우더 방식으로 인해 증착률이 훨씬 높습니다.
따라서 파우더 베드 융합은 일반적으로 적당한 속도로 더 작고 복잡한 형상을 생성합니다. DED는 더 크고 단순한 형상을 훨씬 빠르게 만들 수 있지만 마감 작업이 더 많이 필요합니다.
파우더 베드 융합의 미래
파우더 베드 융합을 위한 향후 개발 분야는 다음과 같습니다:
- 최대 수 입방미터에 이르는 대규모 빌드 볼륨
- 빌드 속도를 높이는 더 빠른 스캔 방법
- 고온 합금, MMC, 폴리머와 같은 확장 재료
- 파우더 베드 융합과 CNC를 통합한 하이브리드 제조
- 자동화된 파우더 제거 및 후처리
- 고급 실시간 모니터링 및 제어
- 더욱 엄격한 자격 및 인증 절차
더 큰 빌드 플랫폼은 더 큰 부품이나 더 높은 생산 처리량을 가능하게 합니다. 새로운 고속 스캐닝 기술은 빌드 속도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 소재 옵션은 특히 고성능 합금으로 계속 확장될 것입니다.
