기술자료[SLM 3D프린터 특집 2부] - SLM® 금속 3D프린팅으로 부품을 출력하고자 할 시 고려해야 할 6가지 주요 사항

Prologue


산업용 금속 3D프린터는 적층 하여 최종 금속 부품을 생산할 수 있어 AM : Additive Manufacturing이라고도 불리운다. 그 중 선택적 레이저 용융 기술(SLM: Selective Laser Melting)을 활용한 PBF(Powder Bed Fusion)방식의 금속 3D프린터는 가장 대표적인 AM 장비이며, 세계에서 가장 많이 판매되고 설치된 금속 적층 제조 장비이다. (신기술 컨설팅 및 리서치 전문 회사인 CEDEX Partners사의 통계자료에 의하면 산업용 금속 3D프린터의 출력 방식 중 세계에서 가장 많이 활용되는 방식은 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로써 전세계 메탈 3D프린터 판매량 중 PBF방식이 차지하는 비율이 약 77%로 조사됨.)


사진1. SLM Solutions 본사, 캐딜락 차량의 콘트롤 박스 커버출력물을 확인하는 모습


금속 3D프린터의 기술 발전이 빠르게 진행되어 출력물의 정확도와 품질이 안정화되었으며 CNC 혹은 주조 방식으로 금속 부품을 제작했던 기업들도 이제는 PBF방식의 금속 3D프린터를 도입하여 고부가가치의 부품을 생산하는데 활용하고 있다.


기존 방식으로는 제작할 수 없었던 위상최적화 구조의 경량화 된 부품이나 내부에 쿨링 채널을 보유한 금형을 제작할 수 있기 때문에 금속 3D프린터는 또 하나의 금속 부품을 제작하는 수단으로 자리잡을 수 있었다. 출력물의 품질에 있어서도, 주조 방식으로 제작한 것과 동일하거나 상회하는 99.9%의 고밀도 금속 부품을 출력할 수 있으며 기존 방식보다 더욱 빠르게 금속 부품을 생산하고 더욱 빠르게 설계를 변경하여 확인할 수도 있다. 디지털 데이터를 보유한 작업자는 PC에서 빌드 데이터 준비를 마치고 STL데이터를 장비에 입력하면 바로 생산과정에 진입할 수 있다. 이러한 장점들 때문에 금속 3D프린터는 금속 부품의 제조 과정에서 기존 방식을 뒤엎는 'Game Changer'(게임 체인저)로 불리운다.


먼지 추출 관 (Y자형 커넥터) 대량 생산 사례

  • 활용사 : 핀란드의 EttePlan 회사
  • 제품: Y Connector
  • 사용재료: AlSi10Mg
  • 사용장비: SLM280 60um(레이어두께)
  • 출력시간: 3d 2h 51m
  • 출력개수: 총 150개 Y자형 커넥터를 한 빌드에서 출력!!
  • 해당 사례 상세보기 링크 : https://blog.naver.com/fusiontechnology/221989656199


이렇듯 금속 3D프린팅 방식이 실현 가능한 제조 공정으로서 인식되고 혁신 산업분야인 항공우주, 에너지, 툴링, 의료 및 덴탈 분야에서 적극적으로 도입되면서, 많은 기업들이 선택적 레이저 용융 기술로 금속 부품 생산을 대체할 수 있는지에 대한 가능성을 평가하고 있다.

그럼에도 불구하고 국내 시장에서는 아직도 3D프린팅의 개념을 “누르기만 하면 출력된다!”라는 쉬운 컨셉의 제조 방식으로 접근하려는 경향이 있으며, 실제 도입에 따른 다양한 필요조건을 고려하게 될 수록 쉽사리 도입하지 못하는 어려움을 겪고 있다.


금속 3D프린팅은 생산 방식의 한 종류로써 고품질의 부품을 반복적으로 출력하기 위해 주요 사항들이 고려되어야 한다. 이는 기존 제조 방식과는 관련이 없을 수도 있는 금속 적층 제조 방식만의 특별한 사항들을 말한다. 금속 3D프린팅으로 부품을 출력하고자 고려해야 할 6가지 사항에 대해 알아보자.


첫번째, 출력할 부품의 사이즈가 금속 3D프린팅으로 가능한 크기인지 확인하는 것이 중요하다.


금속 3D프린터뿐만 아니라 모든 3D프린터는 출력 가능한 사이즈의 한계를 가지고 있다. 3D프린팅 업체들은 고객으로부터 “장비의 ‘빌드 사이즈’가 어떻게 되나요?”라는 질문을 첫번째로 받으며, 3D프린터의 모델 별 출력 가능한 사이즈를 알려주고 출력 가능성을 협의한다. 설계한 부품이 X축, Y축, Z축의 mm로 측정된 빌드 사이즈 안에 들어오는 크기여야만 출력이 가능하다는 것은 도입의사가 있거나 출력을 요청하는 사용자에게 매우 간단한 고려 사항일 수 있지만, 금속 3D프린팅에 있어서는 가장 우선적으로 고려해야 할 매우 주요한 사항이다.


 


SLM Solutions사의 SLM® 금속 3D프린터의 경우 4가지의 빌드 사이즈를 가진 라인업이 존재한다. 최소 125x125x125mm의 콤팩트한 빌드 사이즈를 갖춘 소형 부품 제작용인 SLM®125부터 최대 500x280x850mm의 대형 부품을 출력할 수 있는 SLM®800까지 다양한 사이즈를 갖춘 라인업이 준비되어 있다. 빌드 크기에 따라 금속 3D프린터는 가격의 차이가 발생하며 크기가 클수록 고가이다. 사용자는 설계한 부품의 사이즈에 최적화된 빌드 사이즈를 갖춘 장비를 선택할 수 있다. 

 

두번째, 부품에 적용될 금속 재료가 선택적 레이저 용융이 가능한 재료인지를 확인하는 것이 중요하다. 


SLM® 공정은 분말 금속 재료가 빌드 플레이트 위에 20~90um의 얇은 레이어 두께로 균일하게 도포된 상태에서 출력이 시작된다. 고출력 파이버 레이저가 최소 70um 두께의 레이저 빔을 선택적으로 조사하여 분말 재료를 완전히 용융한다. 레이어 별로 레이저 조사 과정을 반복하여 모든 레이어를 용융 시키면 출력물의 빌드 과정이 완성된다. 빌드 과정이 끝날 무렵에는 수천개의 마이크로 두께의 레이어가 용융되어 99.9%의 고밀도 금속 파트를 만들어낸다.



금속 3D프린팅을 도입하거나 출력을 의뢰할 작업자는 이와 같은 과정으로 금속 재료가 용융된다는 과정을 이해하여야 한다. 동시에 금속3D프린터 제조사가 이미 출력이 가능하도록 매개변수를 최적화 시켜 놓은 금속 파우더 라인업을 활용할 수 있는 유연한 자세를 갖춰야 한다. 예를 들자면, 금속 3D프린팅을 도입할 의사가 있는 사용자가 활용하고 싶은 금속 합금 재료가 AL 7075이라면, SLM Solutions에서 이미 출력 테스트를 성공적으로 마치고 공식적으로 판매하고 있는 AlSi10Mg 알류미늄 합금 재료를 대안으로 선택을 할 수 있는 유연성이 필요하다.



사진5. SLM® 출력 가능 금속 합금 재료 라인업


SLM®은 금속3D프린터와 금속 파우더 재료 두가지를 모두 제조하고 개발하는 회사로 유명하다. 특히 금속3D프린터 라인업에 오픈 파라메터 시스템을 갖추어 기존 라인업으로 제공되는 금속 합금 재료 이외의 재료를 고객사와 긴밀히 협력하여 개발할 수 있도록 돕고 있다. 자세히 말하자면, SLM Solutions의 라인업에 없는 새로운 금속 합금 재료를 SLM® 장비에 도포하여 출력 테스트를 진행하고 최적의 매개변수를 개발하는 것을 돕는다. 하지만 여기서도 고려해야 할 부분이 있다.


SLM® 공정을 위해 고객사가 요청하는 새로운 금속 합금 재료의 고품질 파우더를 제작해야 한다. 추가로 고려해야 할 사항은 파우더화 된 신규 금속 합금 재료가 습도와 온도 및 흩날리는 정도에 따라 출력 품질에 큰 영향을 줄 수 있다는 사실도 고려해야 한다. 그만큼 고객사가 원하는 새로운 재료는 개발될 수 있지만 시간이 소요되는 어려운 일이라는 것을 알고 접근해야 한다는 것을 의미한다.


세번째, 해당 부품을 금속 3D프린팅으로 제작하는 것이 기존 제작 방식을 활용하는 것 보다 경제적인 일인가를 따져봐야 한다. 


금속 3D프린터를 도입하여 운영하는 데에 드는 비용이 저렴하지만은 않은 것이 사실이다. 따라서 금속 3D프린터를 도입하는 데에 따져 보아야 할 부분이 있다. 바로 출력하고자 하는 부품이 금속 3D프린터로 출력할 만한 고부가가치를 가졌는지에 대한 충분한 검토가 필요하다. 이는 금속 3D프린팅을 이용한 출력 의뢰를 맡길 때에도 마찬가지다. 굳이 절삭 제조 방식이나 주조 방식을 활용하여도 충분히 경제성 있게 제작이 가능한 설계 부품이라면 굳이 금속 3D프린터로 제작할 필요가 없기 때문이다.


그렇다면, 설계한 부품의 경제성에 맞는 빌드 사이즈와 레이저 파워를 가진 금속 3D프린터는 어떻게 선정해야 하며 해당부품이 금속 3D프린팅을 활용하였을 시 경제성이 있는 고부가가치 부품이라는 것을 판단하는 기준을 어떻게 판단해야 할까? SLM Solutions는 제조 시간과 재료 사용량, 기계 구매 가격, 인력 시간 및 소모품 비용의 사용량을 계산하여 경제성을 따질 수 있는 부품 비용 계산기를 가지고 있다. 금속 3D프린팅을 도입하고자 하는 기업이 부품을 SLM® 방식으로 제조하는 것이 경제적인지 평가하는 데 도움이 된다. 이 비용 계산기를 소개하면 다음과 같다.


사진6. SLM Solutions사의 부품 생산에 대한 비용 계산기

 

 

네번째, 선택한 금속 합금 재료로 출력한 최종 부품의 물성치와 성능이 요구사항에 적합한지 확인해야 한다.


 사진7.출력물을 현미경으로 본 모습

 

SLM® 기술은 여타 후처리를 하지 않은 상태에서도 99.9% 고밀도의 부품을 출력해 내며 주조로 출력한 부품의 대체 가능한 수단으로 여겨진다. 하지만 금속 적층 제조를 통해 생산된 출력물을 현미경으로 확인한다면 절삭제조 혹은 주조 방식으로 생산된 금속과는 다른 자체적인 미세구조를 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 전통적인 금속 부품 제조 방식과는 다른 적층 제조방식으로 생산된 금속 출력물의 특성을 알고 접근해야 한다.


[SLM® 기술로 출력한 금속 출력물의 전형적 특성]

 

  • 표면 마감 : 표면 거칠기는 주조 또는 단조 대비 6um 이내이다.
  • 강도 : 금속 가공재(wrought material)보다 2~4% 낮은 인장강도를 지니며, 주조물(casting)보다는 강도가 높은 편이다.
  • 정확도 : 주조물과 비교하면 SLM®은 빌드 플레이트 전체에 걸쳐 약 50~100um 이내의 정확도를 갖는다.
  • 응력 : 선택적 레이저 용융과정에서 출력되는 파트와 빌드 플레이트에 응력이 발생할 수 있기 때문에 부품의 설계 과정에서 약간의 응력 해소를 위한 지능적 설계가 필요하다.
  • 밀도 : 최대 99.9%의 금속 밀도를 보유한다.
  • 경도 : 선택적 레이저 용융으로 제작된 출력물은 금속 가공재(wrought material)보다 어떤 부분에서는 약간 낮을 수 있어 출력 후 열처리를 통해 재료의 화학적 성질을 변화시켜 경도를 증가시킬 수 있다.

 

다섯 번째, 설계한 부품이 금속 3D프린터에서 출력이 가능한 구조인지 검토해야 한다.


PBF방식의 SLM® 금속 3D프린터는 당신이 설계한 모든 구조의 부품을 출력할 수 있다. 이것은 사실이다. 그렇다고 해서금속 3D프린터의 특성을 고려하지 않은 채 부품을 설계해도 된다는 뜻은 아니다. 당신이 설계한 부품이 금속 적층 제조 방식에 적합하게 설계되었는지를 평가한 후 출력을 진행해야 한다. 특히 부품을 인쇄하는데 드는 비용을 최소화하기 위해서라도 3D프린팅 공정에 맞게 부품을 설계해야 한다.


CNC 제작 방식에 맞추어 설계된 부품을 금속 3D프린터에서 출력하는 것이 비용적인 측면에서 효율적이지 못하다. CNC에 비해 재료 투입 대비 부품 제작 가격이 올라가는 금속 3D프린터의 경우에는 최소 재료의 양을 활용하여 같은 성능을 낼 수 있는 부품을 설계하여야 출력 비용을 아낄 수 있을 것이다. 추가적으로 생각해야 하는 부분은, 생성되는 서포트의 양과 각도가 비효율적으로 생성될 수 있으며 출력 후 서포트를 제거하는 데에 상당한 시간과 인력이 소요될 수 있다. 어떤 경우에는 내부에 생성된 서포트를 제거하지 못하는 경우가 생기기도 한다. 금속 3D프린터에 최적화된 설계가 되지 않았기 때문에 발생하는 문제다.


적층 제조 방식에 맞추어 설계를 한다라는 DfAM(design for Additive Manufacturing)이라는 용어는 적층 제조 방식의 프로세스를 설계자가 이해하고 이에 맞추어 설계를 하였을 때 전통 제조 방식보다 더 나은 디자인과 성능을 갖춘 부품을 출력할 수 있다는 것이다.


바이오닉 디자인를 통해 기존 부품의 강도는 높이면서도 기존보다 경량화 된 부품을 설계하는 것부터 기존에 설계가 불가능했던 내부 쿨링 채널을 갖춘 몰드를 설계하는 일까지 모두 DfAM이 주는 혁신 설계 방법이다. 설계자는 이러한 혁신적인 DfAM 설계방법에 더하여 금속 3D프린터의 출력 방향성을 고려한 설계를 진행할 때 서포트가 아예 생기지 않게 할 수 있거나, 서포트의 각도와 양이 최적화되어 효율적으로 서포트를 제거할 수 있도록 설계할 수 있을 것이다. 또한 출력 중 발생하는 잔류 응력을 최소화하여 출력 중 변형이 올 수 있는 부분을 방지하는 지능적 설계능력도 갖추어야 한다.


Monolithic Thrust Chamber (일체형 로켓 엔진) 제작사례


  • 산업군 : 항공우주 산업
  • 재료 : IN718
  • 적층두께 : 30 µm
  • 빌드타임 : 3일 5시간 34분 (1개)
  • 사용장비 : SLM280


SLM Solutions는 항공우주 산업에서 요구하는 높은 재료 요구사항을 충족시키기 위해서 니켈합금 IN718 재료로 엔진을 제작하였다. IN718은 최대 700℃의 우수한 파괴강도와 인장, 피로 및 크리프 강도를 갖고 있는 니켈-크롬 합금으로 항공기와 가스 터빈 부품뿐만 아니라 로켓 추진 엔진과 같은 고온 응용분야에 매우 중요한 재료라고 할 수 있다. 


만약 기존 절삭 제조 방식으로 가공하게 된다면 경질 재료를 사용해야 하기 때문에 가공자체도 어려울 뿐만 아니라 공구 마모가 심하기 마련. 하지만 3D프린팅 기술, 그 중 SLM 기술을 이용한다면 파우더 형태의 재료를 레이저로 용융 시키는 과정을 거치기 때문에 이러한 기하학적 구조를 보다 쉽고 빠르게 제작하는 것은 그리 어려운 문제가 아니다. 이번 일체형 로켓엔진의 성공적인 활용사례는 항공 우주 회사로 하여금 로켓 시스템의 기능을 최적화하면서 뛰어난 품질을 유지할 수 있게끔 개발과 테스트 및 생산 시간을 대폭 줄임으로써 경쟁력을 높일 수 있는 좋은 기회를 제공한다. 

 

❖'바이오닉 디자인' 이란?


 바이오닉 디자인은 생물의 운동 메커니즘을 모방하여 신소재를 만들어보려는 설계방식이라고 할 수 있다. 자연분석을 통해 생물의 특성과 성격을 제품의 디자인적 요소로 활용하는 것으로써 우리가 흔히 잘 알고 있는 비행기의 날개가 바로 대표적인 바이오닉 디자인 제품이라고 볼 수 있다. 자연에 있는 새의 날개구조를 관찰하고 모방하여 마침내 지금의 비행기 날개를 만들게 된 것이다.


여섯 번째, 출력된 금속 부품에 후처리 과정이 필요한지 확인해야 한다.

 

“버튼을 누르기만 하면 출력된다!” 는 3D프린터의 마케팅적 관점을 가지고 금속 3D프린터의 도입이나 출력 의뢰를 접근하는 것은 매우 위험하다. 설계된 부품이 선택적 레이저 용융 과정에 문제없이 출력이 가능한지를 해석 SW를 통한 사전 시뮬레이션을 진행하여 검증하는 것도 중요하지만 출력이 완료되고 난 이후 진행되어야 하는 많은 후처리 과정을 이해하지 않고 서는 금속 3D프린터를 활용하기란 어렵다. 후처리 과정을 고려하지 않고 설계된 부품은 후처리 과정에서 소요되는 인력 비용과 후처리 장비 사용 비용 및 소요 시간이 매우 커 비효율적일 수도 있기 때문이다. 따라서 PBF방식의 금속 3D프린팅의 후처리 과정을 어느 정도 이해하고 접근해야 한다.   

 PBF방식의 선택적 레이저 용융기술로 출력을 마친 부품은 재료 및 요구사항에 따라 다양한 후처리 과정을 거친다. 첫번째로 이루어지는 빌드 플레이트와의 분리 작업부터 서포트 제거, 열처리, 표면 마감, 프레싱 등 다양한 후처리 과정을 거친다. 후처리 과정 또한 금속 3D프린팅 프로세스의 일부분이며 고려해야 할 주요 사항들은 아래와 같다.


  • 응력(Stress) 해소: 출력 후에 진행되는 열처리 과정은 PBF방식의 금속 3D프린팅에 있어 일반적으로 요구되어지는 사항이다. 출력이 완료된 후 빌드 플레이트에서 특정 부품을 분리하기 전에 빌드 플레이트와 부품을 함께 열처리해 주어 분리할 시 뒤틀리지 않게 해 주어야 한다.


  • 빌드 플레이트에서 분리작업: 출력이 완료된 후 부품을 빌드 플레이트에서 분리해야 한다. 단단하게 고정된 두 금속을 분리하기 위해서는 밴드쏘(띠톱) 혹은 와이어 커팅기가 사용된다. DfAM 설계 방식으로 SLM® 출력 방식에 최적화되도록 설계하여 매우 적은 서포트를 가진 부품의 경우에는 빌드 플레이트에서 손으로 잡고 뗄 수도 있다.   


사진13. 라티스 구조의 원형 구모양 출력물 서포트 제거 모습(글라인더 활용)


  • 서포트 제거: SLM® 출력 과정에서 부품을 고정시키고 지지하며 때로는 열을 방출하고 응력을 최소화하는데 필요한 서포트 구조물은 부품과 동일한 재료로 형성되며 이 구조물은 출력이 완료되고 난 후 제거해야 할 대상이다. 부품이 크지 않으며 금속 3D프린팅에 최적화되어 설계된 부품일 경우에는 작업자가 펜치를 이용하여 서포트를 제거할 수 있다. 반면 제거해야 할 서포트가 매우 많고 큰 부품의 경우에는 밴드쏘(띠톱) 혹은 와이어 커팅기를 사용하여 큰 부분의 서포트를 제거하고 나머지는 글라인더 혹은 펜치를 통해 제거한다. 금속 3D프린팅에서 서포트를 제거하는 일은 시간 소모적인 일일 수 있으며 DfAM 설계를 통해 최소한의 서포트를 생성하여 출력하는 지능적 설계가 필요하다.    


  • 고온 등압 프레스 (HIP : Hot Isostatic Pressing): SLM® 출력 방식으로도 99.9%의 고밀도 부품을 출력할 수 있다. 이에 더하여 높은 기압 속에서 높은 열을 가하는 고온 등압 프레스를 진행한다면 출력된 부품에 남아있는 잔류 다공도를 제거하여 더욱 완벽한 밀도를 가진 부품을 얻을 수 있다. 항공우주 분야의 기업들은 SLM® 혹은 PBF방식의 금속 3D프린터를 활용하는 경우 고온 등압 프레스 과정을 항상 거친다.


 

사진14. 라티스 구조의 원형 구조물의 그릿 블라스팅 처리가 완료된 모습


  • 표면 마감 처리 : 그릿 블라스팅(다각형의 파쇄립을 압축 공기와 함께 금속면에 분사하여 금속 표면에 붙어 있는 스케일을 제거하여 청정화 하는 방법) 혹은 전해연마(금속 합금의 광택도를 얻기 위해 전해액 속에서 높은 전류 밀도로 단시간에 전해하면 금속 표면의 더러움이 떨어지고 광택을 얻는 기술)를 통해 표면의 광택 및 서포트 잔여물을 말끔하게 제거할 수 있다.


사진15.SLM Solutions 본사 - 출력물을 현미경으로 검사하는 모습


  • 품질 검사 : SLM Solutions는 품질 검증을 위해 최종 출력물을 마이크로 CT로 촬영하여 부품 내부의 다공도를 확인하기도 하며 내부 구조가 잘 출력 되었는지도 확인한다. 혹은 설계된 부품을 출력할 시 빌드 플레이트에 인장 강도를 테스트 할 수 있는 금속 바를 하나 더 출력하여 파괴검사를 통해 강도 테스트를 진행하기도 한다. 출력물의 정확도를 테스트할 경우에는 CMM 스캔을 활용하여 요구되어지는 오차 정확도 내에 부품이 잘 출력되었는지 검사를 진행하기도 한다.


SLM Solutions사의 국내 공급사 ㈜퓨전테크놀로지


(주)퓨전테크놀로지는 고객사의 디지털 제조 혁신을 위해 SLM Solutions사의 고도화된 산업용 금속 3D프린터를 판매, 납품 및 유지 보수를 하는 전문 기업이다. ㈜퓨전테크놀로지의 임무는 고객을 위해 전문적인 SLM® 3D프린팅의 이점을 알리고 이를 극대화하여 고객의 요구 사항에 맞는 솔루션을 제공한다. 특히 SLM Solutions사의 고성능 금속 3D프린터의 운영 노하우를 컨설팅하고, 장비에 최적화된 알루미늄(Aluminium), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanium), 코발트(Cobalt) 및 스틸 합금(Steel) 등의 재료를 맞춤형 솔루션으로 제공함으로써 고객사의 디지털 제조 혁신을 돕고 있다.


(주)퓨전테크놀로지는 SLM Solutions사의 국내 유일한 공식 전문 공급사로서, SLM® 금속 3D프린터에 최적화된 설계 방법의 교육과 관련 S/W를 통해 전통적 방식에서는 제작하기 힘든 복잡한 형상 및 위상최적화 설계 또는 라티스 구조의 설계를 지원하며 금속 3D프린팅에 최적화된 DfAM 설계를 통해 고객사의 어플리케이션을 해결하고 경쟁 우위를 확보하는 데 도움을 줄 수 있도록 최선을 다하고 있다.


㈜퓨전테크놀로지 / 031-342-8263 / www.fusiontech.co.kr




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