금속 3D 프린팅 지지 구조물을 제거해야 하는 이유는 무엇입니까?

1. 구조를 지원하는 주요 업무와 시간이 지남에 따라 어떻게 변화했는지
열역학 제어를 위한 물리적 장벽
금속 3D 프린팅 과정에서 레이저 또는 전자 빔은 작은 장소에서 매우 높은 온도(2000도 이상)를 생성하므로 재료가 액체에서 고체로 매우 빠르게 변합니다. 지지 구조는 이 과정에서 두 가지 목적으로 사용됩니다. 첫째, 열전도 매체로서 열을 매달린 영역에서 기판으로 빠르게 이동시켜 국부적인 과열로 인해 잔류 응력이 쌓이는 것을 방지합니다. 둘째, 금속의 흐름을 제한함으로써 중력으로 인해 용융 풀이 붕괴되는 것을 방지합니다. 예를 들어, 티타늄 합금 임펠러를 프린팅하는 동안 지지 구조는 서스펜션 각도가 45도 미만일 때 열 응력을 60%까지 줄일 수 있습니다. 이를 통해 부품의 변형 변형률을 32%에서 5% 미만으로 낮춥니다.
프로세스 반복의 피할 수 없는 결과
초기 금속 3D 프린팅 기계는 에너지 밀도를 잘 관리할 수 없었기 때문에 많은 지지 구조물이 필요했습니다. 최신 SLM 장치는 다중 물리 결합 모델링 기술의 개발 덕분에 레이저 출력 밀도를 동적으로 수정하여 "적응형 지원"을 제공할 수 있습니다. 예를 들어 Leiming Laser의 LiM-X260A 장치는 최적화된 스캐닝 알고리즘을 사용하여 5도 -35도의 작은 각도에서 지지대 없이 매달린 구조물을 성공적으로 인쇄했습니다. 이를 통해 필요한 지원 재료의 양이 78% 감소했습니다. 하지만 이 기술은 여전히 ​​특정 유형의 재료와 모양에만 유용합니다.
2. 지지구조물에 여전히 치명적인 결함이 존재함
보이지 않는 재료 특성의 킬러
지지 구조와 인쇄 본체의 재료 인터페이스는 구성 방식 측면에서 서로 매우 다릅니다. 316L 스테인레스 스틸로 인쇄할 때 그리드 지지대와 고체 사이의 교차점에 거친 원주형 결정이 형성될 수 있습니다. 이로 인해 해당 부위가 15%~20% 더 부드러워지고 내구성이 40% 감소합니다. 잔류물을 지지하는 "소형 양극 대형 음극" 효과는 전기화학적 부식을 일으킬 수 있으며, 이는 부식 속도를 3~5배 가속화하기 때문에 항공기 엔진의 터빈 디스크와 같은 중요한 부품에 매우 좋지 않습니다.
형상의 정밀도에 대한 손상 효과
지지 구조와 부품 표면 사이의 접촉점은 0.1~0.3mm 두께의 전이층을 생성합니다. 이 층은 기계적으로 제거할 때 표면 결함이 있을 가능성이 높습니다. 예를 들어, GE Aviation의 연료 노즐에는 직경이 2mm에 불과한 내부 흐름 채널이 있습니다. 잔여 지지대가 있는 경우 흐름 채널 섹션이 8% 이상 구부러질 수 있으며 이는 연료 분무 효과에 직접적인 영향을 미칩니다. 전기화학적 용해와 같은 최첨단-기술을 사용하더라도 전류 밀도가 고르게 분산되지 않으면 0.05mm 수준의 국부적인 부식이 여전히 발생할 수 있습니다.
비용 통제의 약점
지지 구조를 만드는 데 사용되는 재료 비용은 금속 3D 프린팅 총 비용의 약 12%~18%를 차지합니다. 니켈-기반-내열 합금의 가격은 킬로그램당 $2000 이상이고, 추가 재료를 버리는 것은 너무 많은 작업입니다. 후가공 단계의 인건비는 25~30%에 달할 수 있기 때문에 훨씬 더 걱정스럽습니다. BMW IDAM 자동화 생산 라인에서는 여전히 사람들이 제거 프로세스를 도와야 하는데, 이는 전체 프로세스가 자동화되는 것을 막는 주요 병목 현상이 되었습니다.
3. 제거에 도움이 되는 기술의 획기적인 발전과 문제점
정밀 기계 제거의 혁명
와이어 절단 및 밀링과 같은 전통적인 기계 공정에는 두 가지 주요 문제가 있습니다. 첫째, 복잡한 내부 캐비티 구조로 인해 접근하기 어렵고, 둘째, 마이크로미터 수준에서 제어하기가 어렵습니다. Rivelin Robotics의 NetShape 로봇 시스템은 힘 피드백 제어 알고리즘을 사용하여 접촉력을 0.1N 이내로 조절할 수 있습니다. 3D 시각적 포지셔닝 시스템과 함께 사용하면 지지 잔여물을 자동으로 찾아 제거할 수 있어 표면이 더 부드러워지고(Ra6.3μm에서 Ra1.6μm까지) 처리 속도가 10배 빨라집니다.
화학적 에칭의 선택적 혁신
애리조나 주립대학교가 개발한 전기화학적 지지 제거 기술은 차동 전위장 생성을 통해 선택적 용해를 달성합니다. 304 스테인리스강/탄소강 시스템에서는 41wt% 질산용액과 산소의 결합으로 6시간 안에 7mm 두께의 탄소강 지지체를 완전히 제거할 수 있다. 또한 스테인리스 기판의 부식 속도를 0.002mm/h 이하로 유지합니다. 이 기술은 의료용 임플란트 제작에 사용되어 지지대 제거에 걸리는 시간을 48시간에서 8시간으로 단축했습니다.
스마트 알고리즘을 사용하여 개선 방법 예측
벨기에 스타트업 Materialise는 머신 러닝 모델을 사용하여 최고의 지원 구조를 자동으로 구성할 수 있는 Magics라는 소프트웨어를 만듭니다. 시스템은 100,000개의 프로세스 데이터 세트를 통해 학습하고 열 응력이 다양한 형태로 어떻게 확산되는지 예측할 수 있습니다. 또한 지지 밀도와 접촉 면적을 자체적으로 변경할 수도 있습니다. 비행기 구조의 특정 부분을 프린팅할 때 최적화된 지원 방법은 재료 사용량을 42%, 후처리 시간을 65% 줄였습니다.-