스테인레스 3D프린터 - seuteinleseu 3Dpeulinteo

이 글에서는 금속 3D프린팅 주문 제작 사례를 소개합니다. 알루미늄(AL), 스테인레스(SUS) 등 다양한 금속 불만 입자를 활용한 SLS 방식의 3D프린터를 활용하여 출력한 시제품 제작 사례들입니다. 일반적으로 적층 가공 방식 하면 필라멘트라고 부르는 롤형태로 보빈에 감겨진 열가소성 수지를 압출부(nozzle)에 삽입하여 고온에서 녹여 실처럼 새어나오는 가늘고 얇은 소재를 쌓아올려서 제품의 형상을 구현하는 FDM 방식을 많이들 떠올리십니다.

그러나 3D프린터도 매우 소재와 적층 방식에 따라서 매우 다양한 종류로 분류되고 있으며 AL이나 SUS와 같은 금속 재료 역시 SLS 방식의 3D프린팅을 통하여 시제품 제작을 위한 다품종 소량생산 형태로 주문제작이 가능합니다. 물론 기존의 CNC 가공과 같은 매우 높은 정밀도와 표면조도를 구현할 수는 없습니다. 그러나 금속 3D프린팅의 장점은 기존의 절삭 가공 방식으로 표현할 수 없는 매우 다양하고 기하학적인 표현이 가능하여 가공 가능한 디자인의 범위가 매우 넓고 다품종 소량생산에 유리하여 제품 개발 과정에서 샘플 작업이 필요할 때 활용하기 매우 좋은 방법입니다.

알루미늄 금속 3D프린팅 주문 제작시 유의 사항으로는 SLS 방식의 특징에 대해서 이해하실 필요가 있습니다. SLS 3D프린터 분말 소결 방식을 사용합니다. 이는 분만 가루를 녹여서 입자간의 결착을 진행하여 재료를 적층하여 제품의 형상을 구현합니다. 이와 같은 제작 방식의 특성으로 우리 눈에는 보이지 않는 입자간의 미세한 단차들이 존재하며 수축과 팽창이 반복되기 때문에 이 과정에서 표면 조도의 저하와 치수의 오차가 발생하게 됩니다. 그렇기 때문에 매우 고정밀도가 요구되는 산업 현장에서는 활용성이 다소 떨어지는 부분이 있습니다.

스테인레스 등 메탈 소재를 활용한 금속 3D프린팅 주문제작 사례들을 살펴보면 지금 드리는 말씀이 어떤 의미인지 좀더 쉽게 이해하실 수 있을것 같습니다. 보시는 사진과 같이 좌측은 CNC 가공품이고 오른쪽은 SLS 방식의 3D프린터로 제작된 AL, SUS 3D프린터 출력물입니다. 육안으로 보도 품질차이가 확연하게 눈에 들어옵니다. 표면 조도라고 하는 것은 매끈한 정도라고 이해하시면 됩니다. 높을 수록 더 부드럽고 매끈하며 CNC 가공품은 1차로 가공된 원재료를 깍아서 제품의 형상을 구현하기 때문에 표면 품질의 저하가 거의 발생하지 않습니다.

그러나 금속 3D프린팅은 제품 내부에 들어있는 알루미늄과 스테인레스와 같은 금속 분말을 적층하여 제품을 제작하기 때문에 제작 과정에서 표면 조도의 저하가 CNC 가공품과 비교했을때 극심한 차이를 낼 수 밖에 없습니다. 그렇기 때문에 제품 개발 단계에서 시제품을 생산하고자 할때 금속 3D프린팅 주문제작 방식을 활용할때는 사전에 이와 같이 CNC 가공품과 분말 소결 방식을 적용한 금속 3D프린터 출력물의 차이점을 명확하게 이해하고 사용하실 것을 추천합니다.

기존의 절삭 가공 방식을 활용하여 구현하기 어려운 디자인을 대체하기 위한 방안 중 하나로 알루미늄이나 스테인레스 재질을 이용한 금속 3D프린터가 활용되고 있다는 점을 꼭 기억하시고 제품 제작을 진행하실 것을 권장합니다. 다만드러는 FDM부터 SLA, 폴리젯 등 다양한 적층 가공 방식을 활용하여 제품 개발 단계에서 요구되는 플라스틱 및 금속 시제품 제작에 도움을 드리고 있습니다. 견적 문의시에는 제작하고자 하는 가공품의 설계 도면과 함께 소재 정보, 요구 수량 및 기타 항목(ex 정밀도, 예산, 납기일 등)을 빠짐없이 기재하여 제공해주세요.

지금까지 알루미늄(AL), 스테인레스(SUS) 재질을 활용한 금속 3D프린팅 주문 제작 전 반드시 알아두어야 하는 CNC 가공품과 3d프린터 출력물의 차이점에 대해서 소개드렸습니다. 다만드러 홈페이지를 방문하시면 보다 다양한 작업 사례들을 만나보실 수 있습니다.

센서의 데이터는 이 다리의 '디지털 트윈'에 입력됩니다. 이 다리의 '디지털 트윈'은 물리적으로 제작 설치된 이 다리와 동일하게 디지털상에서 구축하여 마치 쌍둥이 같다는 의미입니다. 물리적 다리의 성능 및 상태를 디지털 트윈과 비교하여 테스트하게 될 것이며, 이는 3D 프린팅된 강철의 장기적인 상태와 실제 환경에서의 사용, 향후의 새로운 건설 프로젝트에서의 사용에 대한 질문에 답하는 데 도움이 될 것입니다.

토목 및 환경 공학부의 Leroy Gardner 교수는 "3D 프린팅된 금속 구조물은 보행자의 교통량을 감당할 수 있을 만큼 크고 튼튼한 구조물은 이전에 건설된 적이 없습니다. 우리는 이 구조물과 그 구성품을 출력 공정 전반에 걸쳐 테스트하고 시뮬레이션해 보았는데, 최종적으로 대중에게 공개되는 것을 보게 되어 매우 기쁩니다." 라고 말하였습니다.

<설치하는 모습, 이미지:MX3D>

<3DGURU Opinion>

MX3D 홈페이지에서 보면, 이 프로젝트는 2015년에 시작하여 올해 설치가 끝났네요. 6년정도 걸린셈입니다. 2016년 당시에는 세계 최초의 3D프린트한 다리가 될 것이라고 많은 주목을 받았지만, 스페인, 중국 등에서 이미 3D프린팅으로 다리를 만들었습니다. 하지만, 스테인레스 스틸 소재, 즉 철을 소재로 만든 최초의 3D프린팅 다리라는 타이틀은 얻게 되었네요. 단순히 다리를 제작설치하는것으로 끝나지 않고, 여러가지 센서를 다리에 부착하고 디지털 트윈 기술을 활용하여, 세계 최초로 설치된 금속 소재를 활용한 3D프린팅 다리의 상태를 계속 모니터링하여 추후에 제작할 3D프린팅 다리 설계에 도움을 줄 수 있다는 것도 좋은 시도라고 보여집니다.

몇년전에 MX3D에서 공개한 동영상입니다.

참고) MX3D, Imperial 대학

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최근에는 3D 프린터 기술 발달에 의해 집이나 강철 다리, 스텔스기 금속 부품까지 3D 프린터로 만들어지고 있지만 일부 물질은 3D 프린터 중 온도 변화에 의해 특성에 변화해 버리기 때문에 출력에 사용할 수 없었다. 미국국립표준기술연구소 NIST와 위스콘신대학 매디슨, 아르곤국립연구소 연구팀이 기존에는 곤란했던 17-4 PH 스테인리스강(SUS630) 특성을 유지하면서 3D 인쇄하는 방법을 개발했다.

17-4 PH 스테인리스 스틸 크롬 함유량은 17%, 니켈 함유량이 4%인 것으로 명명된 스테인리스강 일종이며 부식하기 어렵고 강도도 높은 게 특징이다. 이 때문에 염분을 포함한 해수에 노출되는 선박이나 원자력 산업, 제지산업, 그 외 정밀 기계 부품 등에 널리 이용되고 있지만 지금까지 금속 3D 프린터로 17-4 PH 스테인리스를 취급하는 건 곤란했다.

금속 3D 프린터에선 일반적으로 깔린 금속 분말을 용접하거나 금속을 녹여 적층시켜가기 때문에 공정 중 금속이 급속 냉각된다. 이 극단적인 온도 변화에 의해 재료 내 원자 배열이 시프트해버려 결정 구조가 변화해 재료 본래 특성이 없어져 버리는 일이 있다고 한다. 17-4 PH 스테인리스강에 있어선 합금 급냉에 의해 얻어지는 마르텐사이트(martensite)라는 조직이 특성 열쇠가 되지만 마르텐사이트를 유지한 채로 금속 3D 프린터로 성형하는 건 어려운 일이었다.

따라서 연구팀은 금속 3D 프린터 중 온도 변화로 무슨 일이 일어나는지 밝히기 위해 싱크로트론 X선 회절 XRD라는 수법으로 내부 구조 변화를 분석했다. 연구팀은 XRD에선 X선이 물질과 상호작용해 물질 고유 결정 구조에 대응하는 지문과 같은 신호를 형성한다고 설명했다.

연구팀은 아르곤국립연구소 고에너지 X선 광원 시설(Advanced Photon Source)을 이용해 3D 프린트 중 17-4 PH 스테인리스강에 있어선 결정 구조 변화를 맵핑해 분말 금속 조성이라는 제어 요인이 프로세스 전체에 미치는 영향을 분석했다.

실험 결과 철과 니켈, 구리, 크롬을 포함한 스테인리스강 조성물을 제어해 기존 방법으로 제조된 17-4 PH 스테인리스강 특성을 유지하면서 3D 인쇄할 수 있는 게 판명됐다. 또 기존 조성물에서 강철 냉각과 재가열을 필요로 하는 강도를 증가시키는 나노입자 형성이 3D 프린팅만으로 가능하다는 걸 확인했다. 3D 인쇄한 17-4 PH 스테인리스강은 기계적 시험에 의해 기존 17-4 PH 스테인리스강과 동등한 강도를 갖는 게 확인됐다고 한다.

연구팀은 합금 3D 인쇄에선 조성 제어 키라며 초당 1,000∼1,000만도라는 폭넓은 냉각 속도로 일관되게 마르텐사이트를 유지하는 17-4 PH 스테인리스강이 되는 걸 나타낸다고 밝혔다.

3D 프린팅 중 결정 구조를 분석하는 XRD 기반 접근법은 17-4 PH 스테인리스강 외 합금에서 3D 프린트에 최적화하고 3D 인쇄된 물질 품질을 예측하는 컴퓨터 모델 개발에도 도움이 될 수 있다. 연구팀은 만든 17-4 PH 스테인리스강은 신뢰도와 재현도가 높기 때문에 상업적 장애물이 낮다며 구성에 따라 제조업체는 기존 제조 부품과 마찬가지로 17-4 PH 스테인리스강을 인쇄할 수 있다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.