지지체의 추가 및 제거는 금속 적층 제조(AM) 동안 오랫동안 어려운 과제였습니다. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)을 예로 들면 열 응력으로 인한 변형을 방지하고 용융 풀에서 열을 전도하기 위해 인쇄하기 전에 지지 구조로 모델을 미리 설정해야 합니다. 이러한 브래킷은 전체로서 설계 및 제조의 일부입니다. 건설 후 지지 구조물은 해체되어 폐기되었습니다. 지지대가 없으면 캔틸레버 구조를 특정 경사각(보통 약 45도) 아래에서 인쇄하기가 어렵습니다. 이는 종종 금속 3D 인쇄 시스템 사용자의 옵션을 제한하고 많은 장비 OEM 및 적층 제조 소프트웨어 회사를 가져옵니다. 위대한 도전.
위의 문제를 해결하기 위해 EOS 회사인 Additive Minds의 전문가들은 이제 고정자 링, 하우징, 터보 펌프, 오일 탱크, 열교환기, 밸브 및 임펠러와 같은 지지 구조 없이 3D 인쇄 부품을 생산하는 다양한 공정 최적화 기술을 개발했습니다. 닫힌 임펠러는 가장 일반적인 경우 중 하나입니다. 최적화된 디자인 소프트웨어와 매개변수 패키지를 통해 EOS는 사용자가 훨씬 적은 수의 지지대를 필요로 하는 낮은 각도(때로는 0도)에서 캔틸레버와 브리지를 인쇄할 수 있도록 합니다.
지원되지 않는 적층 제조는 또한 추가 지원을 제거할 필요가 없기 때문에 후처리 단계에서 많은 시간을 절약합니다. 수동 제거의 경우 직원의 시간과 에너지를 다른 작업에 사용할 수 있습니다. 지지 구조 없이 부품을 제조하면 버려지는 것이 없고 부품 및 지지 설계의 모든 측면이 필요하므로 재료 낭비도 줄입니다. 그러나 이것은 쉬운 과정이 아니며 소프트웨어 설계 전문가와 제조업체는 수년간 지원되지 않는 설계 문제를 해결하기 위해 노력해 왔습니다.
이 기사에서는 EOS 전문가들이 지원되지 않는 방법을 사용하여 임펠러를 구성하는 방법을 주로 보여줍니다. 밀폐형 또는 덮개형 임펠러는 많은 산업 분야에서 사용되며 크기, 모양, 재료 및 성능 요구 사항이 매우 다양합니다. 밀폐형 임펠러는 높은 회전 속도, 부식성 매체 및 극한 온도로 인한 기계적 부하와 같은 극한 조건에 노출되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 우주 로켓의 터보 펌프 애플리케이션, 마이크로 터빈의 압축 시스템, 오일 및 가스 애플리케이션의 해수 펌프.
기존 금속 3D 프린팅의 설계 요구 사항 지원
지지대가 있는 3D 인쇄 부품을 설계하는 것은 적층 제조(AM)에 대한 표준 접근 방식이었습니다. 지지대의 수, 크기 및 위치는 다음과 같은 여러 요인에 의해 결정됩니다.
인쇄 중 잔류 응력으로 인해 3D 모델이 변형될 수 있습니다. 이러한 변형을 물리적으로 방지하기 위해 지지대를 추가할 수 있습니다.
부품의 중간 빌드에 영향을 미치는 리코터의 중단은 부품을 진동시키거나 손상을 일으켜 작업이 실패할 수 있습니다. 브래킷은 리코터의 영향으로부터 부품을 보호하는 데 사용됩니다.
지지대를 통한 열 전달을 통해 부품을 냉각하고 제작 과정에서 더 빠르고 성공적으로 성형할 수 있습니다.
3D 프린터가 부품을 만들고 성공적으로 생산하려면 다음을 포함하여 지원 설계에 영향을 미치는 다양한 이유를 고려해야 합니다.
부품 방향은 지지해야 하는 부품의 양을 결정합니다. 일반적으로 더 큰 표면적이 빌드 플레이트에 있지 않도록 부품의 방향을 지정하는 경우 위의 요소를 보상하기 위해 더 많은 지지대가 필요합니다.
45도 이하의 돌출부는 일반적으로 지지 구조가 필요한 것으로 간주됩니다.
채널과 구멍은 크기와 방향이 비효율적인지 여부에 따라 지지 없이 변형될 수 있습니다.
모델 디자인
올바른 전문 지식과 창의적인 문제 해결 기술로 무장한 EOS 팀은 모델을 설계하고 구축하는 새로운 방법을 성공적으로 개발하여 "낮은 딥은 지원을 추가해야 한다"는 선입견을 깨고 탁월한 결과를 얻었습니다. 이 기사에서 지지되지 않는 구조와 DMLS 프로세스의 기능을 설명하기 위해 사용된 임펠러는 EOS Additive Minds에서 직경 150mm, 오버행 각도가 10도 이하인 12개의 블레이드로 설계되었습니다.
부재 경사 방향 및 지지 구조
임펠러는 일반적으로 제거하기 어렵기 때문에 내부 지지대를 피하기 위해 기울어진 방향으로 인쇄됩니다. 그러나 이러한 방향은 일반적으로 제작 시간이 길어지고 표면 품질이 고르지 않으며 부품의 원형도가 저하됩니다. 평면 방향은 더 짧은 제작 시간, 더 나은 진원도 및 정확도, 부품 전체에 걸쳐 더 균일한 표면 품질과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다. 그러나 낮은 오버행은 일반적으로 많은 지원이 필요합니다. 현재 DMLS 프로세스의 경우 35도 미만의 더 큰 오버행을 지원해야 합니다. 재도장력과 내부 부품 응력을 보상하기 위해 용융 풀에서 열을 발산하기 위해 지지대가 필요합니다.
지원되지 않는 설계 최적화
EOS는 고급 모델 설계 기술을 활용하여 내부 지원을 추가할 필요성을 크게 줄입니다. 적층 제조 공정의 설계 최적화도 인쇄의 성공과 관련된 또 다른 중요한 측면입니다. 내부 지원은 주로 조정된 노출 전략을 사용하여 피할 수 있지만 외부 지원 구조가 여전히 필요한 경우가 많습니다.
이 기사의 임펠러 케이스는 단단한 충전재를 사용하는 대신 견고한 플랫폼 연결을 보장하고 시공 중 변형을 방지하기 위해 자체지지 아치와 얇은 벽을 사용하여 부품의 바닥을 수정했습니다. 이를 통해 기존 스텐트보다 적은 재료를 사용하면서도 높은 강도와 향상된 가공성을 제공합니다. 임펠러의 외부 직경은 제작 시 부품에 더 큰 강성을 제공하고 출구 가장자리에서 기하학적 정확도의 손실을 방지하기 위해 닫힙니다. 이 임펠러의 경우 고급 설계를 통해 내부 지원 없이 기계에 최적화되고 자체적으로 지지되면서 재료를 15% 줄일 수 있습니다.
프로세스 최적화
임펠러는 소위 고에너지 DownSkin 방법( 돌출된 표면을 만드는 데 사용되는 노출 유형)을 사용하여 구성됩니다. 기본적으로 이 방법은 다른 DownSkin 매개변수를 조정하는 동안 레이저 출력을 증가시켜 DownSkin 노출의 에너지 밀도 입력을 증가시킵니다. 이것은 특히 느슨한 분말에 돌출부를 만들 때 더 크지만 더 안정적인 용융 풀을 생성합니다. 이 방법은 임펠러를 만드는 데 자주 사용되는 많은 재료(예: Ti64, 316L, AlSi10Mg, In718 등)에 성공적으로 사용되었습니다.
따라서 모든 임계각이 이 최적화된 매개변수의 이점을 누릴 수 있습니다. 지원되지 않는 다른 기술과 달리 고에너지 DownSkin 접근 방식은 빌드 속도를 희생하지 않으므로 지원을 피하기 위한 비즈니스 사례가 필요합니다.
대책이 없는 경우 고에너지 DownSkin 방법은 깊은 용접 풀로 인해 DownSkin 영역에서 z 방향으로 부품이 너무 커질 수 있습니다. 부품은 후처리 또는 디자인 조정을 통해 올바른 크기로 조정할 수 있습니다. DownSkin도 상대적으로 거칠지만 거칠기가 균일하여 연마 흐름 가공과 같은 벌크 표면 마무리 기술에 도움이 됩니다. 또한 다공성이 거의 없으며(아래 이미지 참조) 다공성은 DownSkin으로 제한됩니다. 따라서 전반적인 기계적 특성은 영향을 받지 않으며 EOS에서 개발한 고품질 InFill 프로세스를 계속 사용할 수 있습니다. 따라서 충분한 기계적 물성을 얻기 위해 열간 등방압 프레스와 같은 2차 공정도 필요하지 않습니다.
후처리(Abrasive Flow Machining, AM Metals)
연마 흐름 가공은 흐름 관련 응용 프로그램 및 내부 형상에 사용되는 일반적인 표면 마무리 기술입니다. 연마재는 고정구에 고정된 부품을 통해 밀어 넣습니다. 매체의 연마 입자는 유로를 따라 표면을 갈아서 연마합니다. 내부 표면 마무리를 위한 준비로 폐쇄된 외부 직경은 AFM 공정을 위한 고정구에 맞게 조정된 개방된 직경 및 부품 높이로 가공되어야 합니다. 사전 가공 후 부품이 고정되고 클램프를 사용하여 연마제가 부품을 통해 밀려납니다. AFM 공정 후 임펠러는 최종 크기로 가공됩니다.
AFM(Abrasive Flow Machining) 처리된 최종 부품
3D 프린팅 기술의 지속적인 발전으로 금속 3D 프린팅 부품은 최종 소비자 시장을 향해 계속 발전할 것입니다.