3D 프린팅을 지배할 기술은 무엇인가?

적층 제조라고도 불리는 3D 프린팅이 점차 첨단 제조의 핵심 구성 요소로 자리잡고 있기 때문에 이를 더욱 발전시키는 것이 중요합니다.

3D printing, also known as additive manufacturing, is rapidly becoming a crucial component of advanced manufacturing processes. As 3D-printed parts and components are frequently utilized in highly demanding applications, such as automotive engines, rockets, and military equipment, any failure in a single component can have catastrophic consequences.

적층 제조라고도 알려진 3D 프린팅은 첨단 제조 공정의 중요한 구성 요소로 빠르게 자리잡고 있습니다. 3D 프린팅 부품 및 구성 요소는 자동차 엔진, 로켓, 군사 장비 등 매우 까다로운 응용 분야에 자주 활용되므로 단일 구성 요소에 오류가 발생하면 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

To mitigate this risk and pave the way for 3D printing to become the dominant manufacturing method, surpassing traditional techniques like melting metal in casts and machining, continuous optimization of the 3D printing process is paramount.

이러한 위험을 완화하고 3D 프린팅이 지배적인 제조 방법이 될 수 있는 길을 열려면 주조 및 기계 가공 시 금속 용해와 같은 기존 기술을 능가하는 3D 프린팅 프로세스의 지속적인 최적화가 무엇보다 중요합니다.

Among the various 3D printing techniques, laser powder bed fusion is particularly suited for precision manufacturing. Researchers at the University of Wisconsin-Madison and Argonne National Laboratory have recently employed advanced X-ray imaging to analyze this process meticulously, uncovering promising avenues to drastically reduce defects during manufacturing. Their findings were published in the International Journal of Machine Tools and Manufacture, under the title “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging”.

다양한 3D 프린팅 기술 중에서 레이저 파우더 베드 융합은 특히 정밀 제조에 적합합니다. University of Wisconsin-Madison과 Argonne National Laboratory의 연구원들은 최근 고급 X-ray 이미징을 사용하여 이 프로세스를 꼼꼼하게 분석하고 제조 중 결함을 대폭 줄일 수 있는 유망한 방법을 찾아냈습니다. 이들 연구 결과는 국제 공작기계 및 제조 저널(International Journal of Machine Tools and Manufacture)에 "고속 X선 이미징을 사용하여 성형 빔을 통해 레이저 분말층 융합에서 결함 완화 처리 메커니즘을 밝히는 것"이라는 제목으로 게재되었습니다.

The Mechanics of Laser Powder Bed Fusion

레이저 파우더 베드 융합의 역학

In powder bed 3D printing, a layer of powder containing the material used for additive manufacturing is spread out in a container. A laser then selectively melts/fuses the powder in the zone that will eventually form the 3D-printed item.

파우더 베드 3D 프린팅에서는 적층 제조에 사용되는 재료가 포함된 파우더 층이 용기에 펼쳐집니다. 그런 다음 레이저는 최종적으로 3D 프린팅 제품을 형성하게 될 영역의 분말을 선택적으로 녹이거나 융합합니다.

Following this, another layer of powder is deposited on top, and the portions that need to be melted and added to the item are once again targeted by the laser. By repeating this process over time, even highly complex shapes and relatively large items can be produced.

그 후, 또 다른 분말 층이 위에 쌓이고, 녹여서 품목에 추가해야 하는 부분이 다시 한 번 레이저의 표적이 됩니다. 시간이 지남에 따라 이 과정을 반복하면 매우 복잡한 모양과 상대적으로 큰 품목도 생산될 수 있습니다.

You can observe laser powder bed fusion in action in this video, along with examples of items that can be made using this technique.

이 비디오에서 레이저 분말층 융합이 실제로 이루어지는 모습과 이 기술을 사용하여 만들 수 있는 품목의 예를 볼 수 있습니다.

This method is not limited to plastics; it can also be used to create items made of metals, including titanium, steel, cobalt-chromium, aluminum, and more.

이 방법은 플라스틱에만 국한되지 않습니다. 티타늄, 강철, 코발트 크롬, 알루미늄 등을 포함한 금속으로 만든 품목을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.

The advantages of this method lie in its ability to create precise geometry, with tolerances of +/- 0.2mm, which are comparable to metal injection molding, and its efficiency in material usage, as the unused powder can be collected back and reused.

이 방법의 장점은 금속 사출 성형과 비교할 수 있는 +/- 0.2mm의 공차로 정확한 형상을 생성할 수 있는 능력과 사용되지 않은 분말을 다시 수집하여 재사용할 수 있기 때문에 재료 사용의 효율성에 있습니다.

Moreover, by simultaneously using multiple lasers, which is typically found in more advanced 3D printer designs, larger parts can be printed quickly.

또한 고급 3D 프린터 설계에서 일반적으로 사용되는 여러 레이저를 동시에 사용하면 더 큰 부품을 빠르게 인쇄할 수 있습니다.

It's important to note that laser powder bed fusion encompasses several sub-techniques, including:

레이저 분말층 융합에는 다음을 포함한 여러 하위 기술이 포함된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

Revealing Mechanisms to Prevent 3D Printing Failures

3D 프린팅 실패를 방지하는 메커니즘 공개

In theory, additive manufacturing of metal parts should yield results equivalent to those obtained from traditional casted parts. However, in practice, issues can arise, such as pores, or “voids,” on the surfaces, and large spatters.

이론적으로 금속 부품의 적층 가공은 기존 주조 부품에서 얻은 결과와 동일한 결과를 산출해야 합니다. 그러나 실제로는 표면의 기공이나 "공극" 및 큰 스패터와 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

Such structural imperfections can lead to the parts breaking, which is unacceptable in critical applications.

이러한 구조적 결함으로 인해 부품이 파손될 수 있으며 이는 중요한 응용 분야에서는 허용되지 않습니다.

“Because we understood the underlying mechanisms, we could more quickly identify the right processing conditions to produce high-quality parts using the ring-shaped beam.”

"기본 메커니즘을 이해했기 때문에 링 모양 빔을 사용하여 고품질 부품을 생산하기 위한 올바른 가공 조건을 더 빠르게 식별할 수 있었습니다."

Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison

Lianyi Chen - UW-Madison 기계공학 부교수

The Ring-Shaped Laser Beam

고리 모양의 레이저 빔

The first modification made by the researchers to their 3D printing setup was to replace the standard laser beam with a ring-shaped laser beam, which was provided by nLight, a laser company specializing in semiconductor lasers.

연구원들이 3D 프린팅 설정에 대해 수행한 첫 번째 수정은 표준 레이저 빔을 반도체 레이저 전문 레이저 회사인 nLight에서 제공한 고리 모양의 레이저 빔으로 교체하는 것이었습니다.

This distinct shape facilitates better circulation of the melted metal within the melt pool overall and results in smaller waves on the surface of the freshly created item, reducing the size and distance traveled by the spatters.

이 뚜렷한 모양은 전체적으로 용융 풀 내에서 용융된 금속의 순환을 더 잘 촉진하고 새로 생성된 품목의 표면에 더 작은 파도를 발생시켜 스패터가 이동하는 크기와 거리를 줄입니다.

Matching Model And Observations

일치 모델 및 관찰

The researchers went on to verify these observations using the high-energy synchrotron X-ray facility at Argonne National Laboratory. They employed this facility to capture high-speed snapshots of the 3D printing process, which allowed them to check whether their mathematical model accurately simulated reality.

연구원들은 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 고에너지 싱크로트론 X선 시설을 사용하여 이러한 관찰을 검증했습니다. 그들은 이 기능을 사용하여 3D 프린팅 프로세스의 고속 스냅샷을 캡처하여 수학적 모델이 현실을 정확하게 시뮬레이션했는지 확인할 수 있었습니다.

3D Printing At A Quicker Pace

더 빠른 속도의 3D 프린팅

Another achievement was the ability of the ring-shaped beam to penetrate deeper into the powder without causing more instability. This led to thicker layers without compromising the strength of the finished product.

또 다른 성과는 고리 모양의 빔이 더 많은 불안정성을 유발하지 않으면서 분말 속으로 더 깊이 침투할 수 있는 능력이었습니다. 이로 인해 완제품의 강도를 손상시키지 않으면서 더 두꺼운 층이 만들어졌습니다.

As the production ultimately requires fewer layers, this speeds up manufacturing and increases the overall productivity of the machine.

생산에는 궁극적으로 더 적은 수의 레이어가 필요하므로 제조 속도가 빨라지고 기계의 전반적인 생산성이 향상됩니다.

An Example of Powder Bed Fusion in Practice

실제로 파우더 베드 융합의 예

This line of work is far from being merely an academic demonstration; it has the potential to directly improve powder bed fusion machinery already used in the industry.

이 작업 계열은 단순한 학문적 시연이 아닙니다. 이는 이미 업계에서 사용되는 분말층 융합 기계를 직접적으로 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

A prime example would be in aeronautics, with the fuel nozzle on General Electric’s GE9X engine, which is used on Boeing 777 aircraft.

보잉 777 항공기에 사용되는 General Electric의 GE9X 엔진에 있는 연료 노즐을 사용하는 항공 분야가 대표적인 예입니다.

The GE9X is the largest turbo-fan engine produced, and the additively manufactured nozzle is five times more durable than previous versions.

GE9X는 생산된 터보팬 엔진 중 가장 큰 엔진이며, 적층 가공된 노즐은 이전 버전보다 내구성이 5배 이상 향상되었습니다.

It's worth noting that such developments are still very recent, with the GE9X design being approved by the FAA in 2020.

GE9X 설계가 2020년 FAA의 승인을 받는 등 이러한 개발이 여전히 매우 최근이라는 점은 주목할 가치가 있습니다.

Even a higher quality powder bed fusion process, as well as a quicker one, could improve the design further while at the same time reducing its costs.

더 높은 품질의 파우더 베드 융합 공정과 더 빠른 공정을 사용하면 설계를 더욱 개선하는 동시에 비용을 절감할 수 있습니다.

The Future of 3D Printing: Advanced Manufacturing Domination

3D 프린팅의 미래: 첨단 제조의 지배

We have previously covered how 3D Printing is consolidating into the future of manufacturing.

우리는 이전에 3D 프린팅이 제조의 미래로 통합되는 방법을 다루었습니다.

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