금속 3D 프린터는 3D CAD 데이터를 바탕으로 금속 제품을 적층하면서 제조하는 장치입니다. 본 기사에서는 금속 3D 프린터의 설계상의 장점이나 조형 방법, 사용되는 재질등에 대해 자세하게 해설합니다. 금속 3D 프린터에 의한 기계 가공 부품의 수배에 관심이 있는 분은 끝까지 정독 부탁드립니다
목차
금속 3D 프린터 설계의 이점
우선, 금속 3D 프린터의 설계에 있어서의 이점에 대해 설명합니다.
복잡한 조형이 가능
금속 3D 프린터를 이용하는 가장 큰 장점은 기존의 가공 방법으로는 어려웠던 복잡한 형상의 조형이 가능하다는 점입니다. 중공 구조, 격자 구조, 유기적인 곡면 등 기존의 절삭 가공이나 주조에서는 실현할 수 없었던 디자인을 자유롭게 작성할 수 있습니다. 설계자는 기존의 제약으로부터 해방되어 보다 창조적이고 효율적인 설계를 할 수 있을 것입니다.
이종 금속의 적층
금속 3D 프린터의 이종 금속 적층 기술에 의해, 지금까지 없었던 설계가 가능해졌습니다. 특정 부위에 다른 특성을 가진 금속을 사용하여 제품 전체의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 디포지션(DED) 방식에서는 금속가루의 공급경로를 전환함으로써 마모되기 쉬운 부분에 내마모성이 높은 재료를 적층하는 조형이 가능합니다.
낮은 비용, 단납기
시제품이나 작은 로트품을 단납기, 낮은비용으로 제조할 수 있는 점도 금속 3D프린터의 장점입니다. 기존 제조 방법에서는 필요했던 금형이나 전용 지그가 필요하지 않기 때문에 초기 투자를 줄일 수 있습니다. 또한 디지털 데이터에서 직접 조형하기에 설계 변경에도 유연하게 대응 가능합니다. 이를 통해 제품 개발 사이클을 단축하고 시장 투입까지의 시간을 크게 단축할 수 있을 것입니다.
금속 부품의 수리·보수
금속 3D 프린터는 금형 등 기존 부품이 파손 및 마모되었을 때의 보수에도 활용할 수 있습니다. 손상된 부위에 금속을 적층 조형하여 절삭 가공으로 마감합니다. 금속 3D 프린트에 의한 보수의 장점으로는 수작업이 줄어 수리 기간을 단축할 수 있다는 점, 기존의 TIG 용접에 비해 열에 의한 금형에 대한 손상을 억제하고 금형의 수명을 늘릴 수 있다는 점을 들 수 있습니다.
금속 3D 프린터의 조형 공법
여기에서는 금속 3D 프린터의 대표적인 조형 공법을 5개 소개합니다.
파우더 베팅 퓨전(PBF) 방식
PBF(파우더벳퓨전) 방식은 얇게 깔아 놓은 금속 분말에 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 용융·고화시키는 방법입니다. 고정밀로 복잡한 형상의 제조가 가능하기 때문에 항공 우주 산업이나 의료 기기 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 특히 높은 정밀도와 내구성이 요구되는 부품 제조에 효과적입니다.
디포지션(DED) 방식(지향성 에너지 방식)
디포지션(DED) 방식은 레이저나 전자빔 등의 열원을 이용해 금속 와이어나 금속 분말 재료를 녹이면서 조형 부분에 직접 적층시켜 나가는 방법입니다. 대형 부품 제조 및 기존 부품 보수에 적합하며 항공, 우주, 조선, 건축, 에너지 산업 등에서 활용되고 있습니다. 금속 부품의 보수나 이종 금속의 적층이 가능한 점도 이 방식의 특징입니다.
바인더 제트 방식
바인더 제트방식은 금속분말에 액체결합제(바인더)를 분사하여 층마다 굳혀 제품의 형태를 성형하고 마지막으로 소결공정을 거쳐 완성하는 조형방법입니다. 조형 속도가 빠르고 서포트 재료가 필요 없는 특징을 가지고 있습니다. 복잡한 형상의 부품이나 작은 로트 양산에 적합하고, 주로 보석이나 소형 부품의 시작, 자동차 부품 등에 활용되고 있습니다. 단, 다른 방식과 비교하면 밀도나 강도가 낮기 때문에 주의합시다.
바운드 메탈 디포지션(BMD) 방식(FDM 방식)
바운드 메탈 디포지션(BMD) 방식은 금속 분말과 바인더를 혼합한 필라멘트를 사용한 조형 방법입니다. FDM 방식을 응용한 것으로, 재료를 용융·밀어내면서 적층하고, 그 후, 탈지와 소결 공정을 거쳐 부품을 제조합니다. 오피스 환경에서의 사용이 가능하기 때문에 복잡한 형상의 시작이나 소량 생산에 적합합니다.
아크 용접 방식
아크 용접 방식은 용접 기기를 사용하여 용접 와이어와 실드 가스를 연속적으로 공급하고 적층하는 조형 방법입니다. 기존의 범용 아크 용접 와이어를 사용할 수 있기 때문에 재료 비용을 줄일 수 있습니다. 제조 현장의 부재나 금형의 보조재 등, 공장 용도로 활용되고 있습니다. 실드 가스 선택 및 파라미터 조정으로 재료 특성 및 조형 품질을 제어할 수 있습니다.
금속 3D 프린터에 사용되는 주요 재질
여기에서는 금속 3D 프린터에서 사용되는 주요 재질에 대해 설명합니다.
스테인레스 스틸
스테인리스강은 금속 3D 프린터로 일반적으로 사용되는 재료 중 하나입니다. 내식성, 내열성, 강도가 뛰어나 다양한 용도에 적합합니다. SUS316L과 SUS304 등의 종류가 있어 각각 특성이 다릅니다. 의료기기, 항공우주부품, 공업용부품 등 고품질의 복잡한 형상이 요구되는 분야에서 사용되는 재료입니다.
알루미늄 합금
알루미늄 합금은 경량성과 고강도를 겸비한 금속 3D 프린터의 주요 재료 중 하나입니다. 순알루미늄에 구리, 마그네슘, 실리콘 등을 첨가함으로써 용도에 따른 특성을 조정할 수 있습니다. 항공 우주 산업이나 자동차 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 내식성과 가공성이 뛰어나 복잡한 형상의 부품 제조에 적합하지만 열에 의한 변형에 주의해야 합니다.
순수 티타늄
순수 티타늄은 티타늄의 순도가 높은 재료로 JIS 규격에서는 함유하는 산소와 철의 양에 따라 1종에서 4종으로 분류됩니다. 1종이 99.5%로 가장 순도가 높고 부드러우며 가공성이 우수하지만 강도는 낮습니다. 4종으로 갈수록 강도가 증가하지만 가공성은 저하됩니다. 순수 티타늄은 내식성이 뛰어나고 생체 적합성이 높아 의료 기기나 화학 플랜트 등에 널리 사용되고 있습니다.
니켈 합금
니켈 합금(인코넬 625와 인코넬 718)은 고온 강도와 내식성이 뛰어난 합금입니다. 니켈을 주성분으로 하며 크롬, 철, 니오브, 몰리브덴 등을 포함합니다. 용접성이 양호하여 항공 우주 산업이나 가스 터빈 등의 가혹한 환경에서 사용되는 부품에 필수적인 재료입니다. 금속 3D프린터 조형에도 적합하며, 복잡 형상의 고성능 부품 제조에 활용되고 있습니다.
마레이징강
마레이징강은 금속 3D 프린터에서 널리 사용되는 재료입니다. 니켈, 코발트, 몰리브덴 등을 함유하여 뛰어난 강도와 인성을 발휘합니다. 조형 후 열처리를 하면 고경도를 얻을 수 있으므로 복잡 형상의 금형이나 고성능 부품의 제조에 적합합니다. 가공성이 뛰어나고 용접성이 양호한 것도 특징 중 하나입니다.
금속 3D 프린트 조형품의 2차 가공
3D프린트로 조형한 그대로의 상태에서는 절삭 가공과 비교하면 정밀도나 경도에 과제가 있는 경우가 있습니다. 2차 가공(후가공, 최종 마무리)으로서 3D 프린트 이외의 가공 기술과 조합하는 것으로, 품질을 향상시킬 수 있습니다.
금속 3D 프린팅 조형품을 완성하기 위한 2차 가공을 소개합니다.
표면 처리
금속 3D 프린터로 조형된 부품은 표면에 요철이 남을 수 있으므로 후처리로서 표면처리가 중요합니다. 주로 샷 피닝, 연마, 전해 연마와 같은 방법으로 처리합니다. 그 중에서도 쇼트피닝은 작은 구형 입자를 고속으로 분사하여 표면을 처리하는 동시에 강도도 향상되는 것이 특징입니다. 이러한 처리에 의해 미관 향상, 마찰 저감, 내식성 향상 등의 효과를 얻을 수 있습니다.
정밀도를 높이는 가공
고정밀이 요구되는 경우 금속 3D 프린터로 조형된 부품에 대해 추가적인 기계 가공이 필요합니다. 일반적으로, 3 D프린트 후의 정밀도는 ±0.1 mm 정도입니다만, 보다 높은 정밀도가 필요한 경우, 정밀도를 올리는 기계 가공을 실시합니다. 이 공정에 의해, 3D 프린트의 자유도를 살리면서, 종래의 기계 가공의 정밀도를 실현한 고품질의 부품 제조가 가능해집니다.
도장 가공
금속 3D 프린터로 조형한 부품에 도장 가공을 실시하여 외형이나 내구성을 향상시킬 수 있습니다. 도장은 외관의 아름다움을 높일 뿐만 아니라 내식성 및 내마모성 향상에도 관련이 있습니다. 일반적으로는 기초처리, 프라이머 도포, 본 도장, 클리어 코트 순으로 진행되며 부품의 용도나 환경에 따라 적절한 도료를 선택하는 것이 중요합니다.
조립
조립은 금속 3D 프린터로 조형한 부품을 다른 부품과 조합해 최종 제품으로 완성하는 공정입니다. 3D프린트의 특성을 살려 여러 부품을 일체화하여 조형하면 기존의 조립 공정을 간략화 할 수 있습니다. 또, 이종 재료와의 조합이나 기능 부품의 매립등의 활용도, 조립 공정의 간략화에 작용합니다.
열처리(잔류 응력 제거)
3 D프린터로 레이저 조사한 후 급속히 냉각하면, 금속 부품의 물질의 상태가 변화해, 팽창·수축이 일어나는 케이스가 있습니다. 이 상태 변화는 잔류 응력으로 조형물 내부에 남기 때문에 열처리를 통해 제거해야 합니다. 용체화 처리(고용화 처리)는 잔류 응력의 제거 및 내식성 향상을 위해 실시됩니다. 또 「시효 처리」는 조형물의 경도·인성을 높이는 목적으로 이용됩니다.
금속 3D 프린트 가공의 견적 의뢰는 「meviy 마켓 플레이스」
미스미의 「meviy Marketplace(메비 마켓 플레이스)」에서는, 3 D프린트 가공 서비스를 제공하고 있어 작은 로트(1점)로부터 제조 가능합니다. meviy 마켓 플레이스는, 제조 파트너로부터 모든 기계 가공 부품을 원스톱으로 수고 없이 준비할 수 있는 최대급의 제조업 마켓 플레이스입니다.
신규 계좌 개설 없이 조건에 맞는 파트너와 직접 소통하고 준비할 수 있어 기계 가공 부품 조달의 번거로움을 크게 줄일 수 있습니다.
