3D 프린팅기술 개요
1. 개요
쾌속조형(RP : Rapid Prototype)기술이란 제품의 3D CAD Data로부터 수지,종이, 광경화성 수지, 종이 및 금속 등의 재료를 이용하여 제품을 직접 만들수 있는 새로운 개념의 공정으로, 광조형법(SLA : StereoLithography)이란 이름으로 개발된 공정을 비롯하여 현재는 수십 가지의 공정이 상용화 되고 있다.
3차원의 형상을 2차원의 얇은 판의 집합으로 변환하여 순차적으로 한층씩 적층해 나감으로써 복잡한 3차원의 형상을 빠른 시간에 조형가능한 기술이다.
목적은 설계된 제품의 디자인 검증과 2차공정을 위한 원형제작에 응용되어 제품개발을 위한 소요시간 및 비용절감
1) 공정원리
1단계 : 3D 모델링 및 STL화일 생성
2단계 : 공정계획수립
조형방향결정
필요한 경우 지지대의 위치와 갯수 결정 (안정성고려)
슬라이싱 방법 결정 (한층의 조형두께 만큼 수직방향으로나눈다.)
이동경로결정 (형성된 각층의 데이터를 이용하여 레이저, 노즐 등 투사/절단 장비,
XYZ이동테이블 및 적층/접착 장치의 이동경로를 결정한다. )
3단계 : 제품의 조형
생성된 데이터를 쾌속조형장치에 입력하여 실제 제품을 조형하는 단계
슬라이싱된 한층에 대하여 형상을 생성하고 동시에 이전층(Previous layer)에 접착하는 과정을 반복하여 제품을 조형 제작한다.
2) 특징
① 단면데이터를 생성시킬 수 있는 3D 데이터만 있으면 별도의 공정계획 없이 쉽게
공구경로 데이터의 생성이 가능하다.
② 재료제거 가공이 아닌 재료 부가가공이다.
③ 공작물의 고정을 위한 지그와 고정구가 필요 없다
④ 금형없이 복잡한 제품도 쉽고 빠르게 제작 할 수 있다.
3) 쾌속조형공정(Rapid Prototyping Tech) 의 종류
크게 박판 적층 조형 공정과 후판 적층 조형 공정으로 구분 한다.
① 박판 적층조형공정 (Thin Layered Rapid Prototyping)
- 용착(Chemical bonding)을 이용한 공정
Deposition : FDM, SDM, MJM, BPM
Photocuring : SLA, Object, SGC
- 소결(sintering)을 이요한 공정
SLS, EOS, CAM-LEM
- 접착제(Gluing, Adhesion)를 이용한 공정
LOM, 3DP, VLM-S, JP5
② 후판 적층조형공정 (Thick Layered Rapid Prototyping)
- 레이저 절단(Laser cutting)
CAM-LEM, LASER CAMM,
(Computer Aided Manufacturing of Limited Engineering Materials : CAM-LEM )
- 열선 절단의 이용 (Hotwire cutting )
VLM-S, TLOM, SMII
(Thick Layered Object Manufacturing : TLOM)
- Waterjet cutting : SM2000, Trusurf
두께가 두꺼워 져서 더욱 두드러지는 측면의 계단 형상의 단차를 제거하기 위해
경사를 부여하여 임의의 3차원 형상을 제작하려는 연구가 진행되고 있다.
경사면을 가진 층을 사용할 경우 경사층을 절단하기 위해
4축 및 5축 제어기가 필요하여 제작비를 증가 시키는 요인이 되나 다음과 같은 장점이 있다.
a. 3D CAD 모델의 표면 정밀도를 향상시키고 후처리
소요시간을 줄일 수 있다.
b. 비교적 단순한 부품을 제작할 때 더 두꺼운 층을
제작할 수 있기 때문에 전체 조형시간을 줄일 수 있다.
2. 광조형법 (SLA): Stereo Lithography)
(1) 개요
광조형법이란 액체상태의 광경화성수지 (Photo sensitive liqid polymer)에 레이저 광을 선택적으로 조사하여 한층씩 조사해 나가는 방법
(2) 공정원리
a. 평판형태의 받침대가 들어있는 용기 안에 광경화성수지를 채운다 (이때 수지의 표면과 받침대의 표면은 서로 일치 시킨다. )
b. 공정이 시작되면 받침대가 수지 표면에서 일정한 간격 만큼 수지 안으로 잠긴다.
그러면 얇은 한 층의 광경화성 수지가 깔린 셈이다.
c. 이 층위에 레이저 광선을 제작하고자 하는 제품의 단면 형상대로 조 사하면 조사된 부분은 수지의 특성상 경화 되면서 받침대에 붙게 된다. 반면 레이저가 조사되지 않은 부분은 액체상태를 그대로 유지한다. 이때 단면정보는 STL 파일로 얻어진다. 이 과정을 계속 반복하여 원하는 제품을 얻을 수 있다. 경화되지 않은 수지는 재사용이 가능하다.
d. 적층이 끝난 제품은 아직 완전히 경화(curing)가 끝난 상태가 아니므로 가열로에
넣어 일정시간 동안 경화시킨다. 이 과정에서 수지의 특성상 휨이나 비틀림 변형이
발생하여 제품의 정밀도가 떨어질 수 있다.
③ 특징
상대적으로 정밀도가 우수하고 얇고 미세한 형상도 잘 제작할 수 있어 두개골형상, 자동차 실린더 블록 등 공정의 주요 사례를 들 수 있다.
④ 데이터 처리
3D Data로부터 2D 단면 Data를 얻기 위해 “3D Lightyear” 라는 소프트웨어를 사용한다. 층 두께를 0.025mm까지 제작할 수 있다.
3. 용착조형공정 (FDM : Fused Depostion Manufacturing)
(1) 공정원리
선(Filament)형태의 열경화성 수지재료가 가열된 노즐을 통과하는 동안 용융되며 이때 노즐은 제품의 CAD 모델의 단면 데이터를 따라 이동하면서 용융재료를 압출하여 붙이는 방식(압출조형공정)으로 입체형상을 제작하는 공정이다. (그림)
(2) 특징 및 용도
a. 지지대 (support)의 재료가 수용성이라 좁은 공간 구조에서도 사용할 수 있다. ABS 부품의 지지대를 수용성 수용액에 담그기만 하면 화학적으로 분해되어 지지대의 흔적도 없이 매끈하게 유지될 수 있다.
b. 기계장치가 간단하고 구입가격과 유지보수비가 저렴하다.
c. 재료가 ABS수지로 절삭등 추가가공이 가능하다.
d. 운용시스템이 간편하고 스풀형태 재료의 장.탈착이 쉽다.
f. 레이저를 사용하지 않으므로 성형속도는 상대적으로 SLA에 비해 떨어진다.
g. 치수가 큰 대형부품의 조형이 어렵다.
h. Fan, 기능성부품 등의 제작에 사용된다.
(3) 데이터 처리
a. Maxum 사양 (2000년에 개발된 사양)
노즐의 최대 직경 : 0.635 mm
b. 층 두께 : 0.25mm
최대부품제작크기 : 600x500x600
c. 3차원 CAD 데이터로부터 2D 단면 데이터를 얻기 위해
“Insight” 소프트웨어를 사용한다.
4. 선택적 레이저 소결공정 (SLS: Slective Laser Sintering)
① 공정원리
균일크기의 고체분말을 한층씩 균일하게 도포한 후 제품단면의 형상대로 레이저 광선을 조사하여 고체분말을 용융 결합시켜 3차원 형상을 제작하는 공정을 말한다. 이때 레이저광선이 조사되지 않는 부분의 분말은 재사용이 가능하다.
(고체분말 도포- 롤러 균일화– 레이저광선 용융합 – 3D형상 – 소결)
(그림)
② 특징 및 용도
a. 사용하는 분말의 크기가 조도를 결정하게 되며, 고본자 재료 분말을 사용하기 때문에 기능성 부품을 직접 제작할 수 있는 장점이 있다.
b. 시작 금형을 직접 제작 가능하다.
고분자가 표면에 코팅된 금속분말을 사용하여 시작 금형을 직접 제작할 수 있다. 이 경우 소결과 용침의 후처리 공정을 거치게 된다.
c. 상대적으로 강도가 우수하여 지지대를 필요로 하지 않는다.
d. 조형속도: 성형시간이 빠르다.
e. 장비가 비싸고 노즐을 비롯하여 고가의 부대장비가 필요하다.
f. 오디오 프런트 판넬, 금형 인서트 등에 사용된다.
오디오 프런트 판넬은 DTM 나일론의 엔지니어링 플라스틱
(공업용 수지)으로 만들어져 있고, 금형 인서트는 Rapid steel 2.0
Metal로 내구성 있는 금속 재질로 만들어 진다. 따라서
SLS공정은 사용되는 재료에 따라 다양한 분야에 적용되고 있다.
g. SLS 공정에서는 소결재로 코팅된 재료를 사용하기 때문에
금속분말이나 모래 등도 재료로 사용할 수 있으며 이런 재료들로
사용된 파트는 강도면에서 우수하여 지지대(서포트)가 불필요 하다.
h. 의장부품이나 기능부품의 시작품을 만들 수 있다.
③ Sinterstation 2500 PLUS기의 사양사례
a. Data 처리
3차원 CAD Data로부터 2D 단면Data를 얻기 위해
“Sinterstation system application” 이라는 소프트웨어를 사용한다.
b. 최대 부품제작크기 : 375 X 330 X 450mm
5. 박판재료적층공정 (LOM : Laminated Object Manufacturing)
(1) 개념
열을 가하면 붙는 접착제를 바른 종이를 한장씩 적층하여 가열된 로울러로 붙인 후 레이저 광선을 원하는 형상의 외곽선을 따라 조사하여 절단하는 것을 반복하여 제품을 만드는 방법이다.
(2) 공정원리 (그림)
종이 (접착제) – 가열로울러 압착-레이저 광선 조사(형상) – 형상절단 – 적층 &반복
(3) 공정순서
a. 한쪽면에 접착제가 코팅되어 있는 종이를 이전 층위로 이송한다.
b. 가열된 로울러를 이용하여 압착 후 이전 층위에 붙인다.
c. 레이저 광선을 이용하여 접착된 종이 위에 제품의 해당 단면의 외곽선을 조사하고 나머지 외곽 바깥부분은 바둑판 형태로 조사한다.
d. 이 과정을 반복하여 전과정이 끝나면 바둑판 형태로 절단된 부분은 4각기둥의 형태로 제품의 주변에 붙어있게 된다.
e. 이 사각 기둥을 제거하면(decubing) 제작된 최종형상을 얻을 수 있다.
(4) 특징 및 용도
a. 조형공정시간이 길다. (가공속도)
b. 제작된 형상이 나무와 같은 성질을 같고 있어 후가공이 비교적 용이 하다.
c. 비교적 치수가 큰 형상의 제품 제작이 유리하다.
d. 지지대 구조물이 필요 없다.
꼭 맞는 형상의 지지재료 블록 안에 부품을 만들기 때문에 제작 중 부품의 전체 형상을 자신의 중량에 의한 변형으로부터 예방할 수 있어 안정 시킬 수 있다.
e. 형상모델을 각층으로 얇게 썰 때 자주발생 되는 고립된 섬형태의 윤곽(Island contours)에 대하여 걱정할 필요 없다.
f. 그러나 적층이 완료된 후 불필요한 부분의 재료를 제거 하는데 조심스런 수작업 과정이 요구되며 섬세한 부분이 부서지기 쉽다.
g. 닫혀있는 속이 빈 구조물은 외벽에 의해 내부에 갇혀 있는 재료를 제거할 수 없기 때문에 부품으로 만들 수 없다.
h. 불필요한 재료의 제거가 곤란한 상황은 좁은 통로, 막힌 구멍, 내부 동공등에 가지 확대 된다.
(5) LOM-203H기의 사례
a. 층 두께0.1067mm
b. 최대제품제작크기 815x550x500mm
c. data 처리
3차원 데이터로부터 2D CAD를 얻기 위해 “LOMslice”라는 소프트웨어를 사용한다.
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