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3D 금속 프린팅이 전통적인 금속 제조 기술에 미치는 영향

11월 15, 2024

이 기사에서는 3D 금속 프린팅이 주조, 가공, 성형과 같은 방식에 미치는 영향과 함께 금속 신기술을 생산하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 금속이 어떻게 맞춤형 3D 프린팅 가 공급망과 비용에 미치는 영향, 적용 분야, 기존 방식에 비해 장점과 단점에 대한 전반적인 평가를 제공합니다.

3D 금속 프린팅이 전통적인 금속 제조 기술에 미치는 영향

금속 인쇄 기술

3D 금속 프린팅 기술을 금속의 적층 제조라고 간단히 부릅니다. 적층 제조 기술을 통해 금속 물체를 만드는 과정을 말합니다. 금속 프린팅 기술에 대해 알아야 할 몇 가지 핵심 사항입니다:

프로세스: 일반적인 금속 3D 프린팅 공정은 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM) 방식입니다. 이러한 방식은 여러 층의 얇은 금속 분말이 녹고 융합되어 최종 고체 물체를 형성하는 방식으로 작동합니다.

자료: 사용되는 소재는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 니켈 합금, 구리, 코발트 크롬 합금 등이 있습니다. 활동성이 향상됨에 따라 그 범위가 점점 더 넓어지고 있습니다.

작동 방식: 이 기술은 레이저 또는 전자빔을 사용하여 금속 분말 또는 와이어 층에 에너지를 가하고 접착하여 계획된 디자인을 형성합니다. 이후 각 레이어는 이전 레이어에 단단히 접착되어 최종 부품을 층층이 형성합니다.

주요 금속 3D 프린팅 공정

오늘날 사용되는 가장 잘 알려진 3D 금속 프린팅 방식은 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 전자빔 용융(EBM) 방식입니다. SLM과 DMLS의 경우 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 녹이는 반면, EBM에서는 전자 빔을 사용하여 분말 층을 녹이는 방식입니다. 멀티 젯 퓨전은 선택적 레이저 소결에도 사용됩니다. 더 빠르게 인쇄하고 인쇄 과정에서 다양한 재료를 결합할 수 있다는 점에서 개선되고 있습니다.

금속 3D 프린팅 재료

3D 금속 프린팅에 사용되는 재료는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈 합금, 티타늄 및 구리입니다. 기술이 발전함에 따라 더 많은 산업적 요구와 요청을 충족할 수 있도록 재료 선택의 폭이 넓어지고 있습니다.

제작 기술

전통적인 금속 제조 방법

적층 가공이 등장하기 전에는 선삭, 밀링, 연삭과 같은 가공 공정, 스탬핑, 굽힘, 회전과 같은 성형 기술, 금형에 용융 금속을 주조하는 방식이 원료를 성형하는 일반적인 기술이었습니다. 이러한 감산 및 성형 방법은 대량으로 부품을 제조하기 위해 대량의 재료를 제거하거나 성형하지만 생산할 수 있는 형상과 디자인에 제한이 있습니다.

CNC 가공

CNC(컴퓨터 수치 제어) 가공은 다축 기계에 부착된 절삭 공구를 사용하여 프로그래밍된 G코드 지침에 따라 금속 공작물에서 여분의 재료를 제거합니다. 정밀도를 제공하면서, CNC 가공 는 스와프 폐기물을 생성하며 복잡한 내부 기능 및 경량 디자인 가능성보다는 기본 프로파일 제작에 가장 적합합니다.

금속 주조

샌드, 다이, 인베스트먼트 주조와 같은 주조 기술에는 액화 금속 합금을 금형에 부어 그물 모양에 가까운 부품으로 응고시키는 과정이 포함됩니다. 주조는 소량에서 중량 생산에 적합한 복잡한 섹션을 생산하지만 금형 제작 비용이 발생합니다.

판금 성형

펀칭, 스탬핑, 굽힘, 회전과 같은 공정은 공구 사이에 가해지는 압축력을 통해 금속 시트와 판재를 부품으로 성형합니다. 포밍 매스는 동일한 부품을 효율적으로 제조할 수 있지만 3D 금속 프린팅 기능에 비해 디자인에 한계가 있습니다.

제조 영향

공급망 단축

3D 프린팅 가이드 여러 제조 단계를 단일 프로세스로 통합하여 공급망을 간소화합니다. 더 이상 열간/냉간 가공, 절단, 접합, 조립과 같은 중간 단계가 필요하지 않습니다. 3D 금속 프린팅과 파우더 공급이 가능한 곳이라면 어디에서든 주문형 부품을 생산할 수 있어 긴 제조 리드 타임과 안전 재고 재고의 필요성을 줄일 수 있습니다.

폐기물 및 자재 사용량 감소

3D 금속 프린팅은 필요한 곳에만 정밀한 소재를 층별로 적층하기 때문에 여분의 벌크 재고를 제거하는 감산 기술에 비해 낭비를 최소화합니다. 거의 완전 밀도 부품은 기존 부품보다 5~10% 적은 재료가 필요하며 최대 97%의 금속 분말을 재사용할 수 있습니다. 따라서 에너지와 비용을 절감하는 동시에 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있습니다.

맞춤형 및 다품종 소량 생산을 위한 비용 절감

금속 3D 프린터를 사용하면 기존 대량 제조 공장의 높은 고정 비용을 피할 수 있습니다. 따라서 적층 제조는 비표준 또는 맞춤형 부품의 경우 부품당 비용이 크게 상승하지 않으므로 소량 생산에 매력적입니다. 소량 생산도 저렴하게 진행할 수 있습니다.

디자인 자유도 및 복잡한 형상 증가

적층 기술은 감산 가공 또는 조형 공정 3D 금속 프린팅 기능에 비해 부품 설계에 대한 기하학적 제약이 적습니다. 복잡한 내부 격자 구조, 컨포멀 냉각 채널, 환자 맞춤형 임플란트도 툴링 제한 없이 제작할 수 있습니다. 경량화를 통해 강도를 최적화할 수 있습니다.

금속 인쇄 애플리케이션

항공우주 산업

항공기 및 우주선 제조업체는 3D 금속 프린팅을 통해 터빈 블레이드와 열교환기처럼 점점 더 복잡해지는 소량 부품을 생산할 수 있습니다. 최적화된 설계로 무게를 줄인 부품은 상당한 성능과 연료 절감 효과를 제공합니다. 티타늄과 니켈 합금은 엄격한 기계적 사양을 충족하기 위해 일반적으로 사용됩니다.

자동차 산업

모터스포츠와 고급 자동차는 속도와 맞춤 제작의 이점 때문에 엔진 부품과 같은 응용 분야에서 3D 금속 프린팅 부품을 일찍이 채택하고 있습니다. 대량 생산 자동차 제조업체들도 경량 격자 구조를 활용한 열 차폐와 같은 기회를 모색하고 있습니다. 알루미늄 합금은 인기 있는 소재입니다.

의료 산업

티타늄 및 코발트-크롬 합금의 생체 적합성 임플란트, 보철물 및 수술 도구의 규제 생산은 잘 확립되어 있습니다. 맞춤형 장치는 기성품에 비해 환자 치료 결과와 비용 효율성을 개선합니다.

기타 산업

스테인리스 스틸과 같은 금속을 사용하는 적층 가공은 산업 기계, 석유/가스, 방위, 발전 등의 분야로 확장되고 있습니다. 특수 애플리케이션은 설계의 자유를 활용하고 일반 제조 분야에서는 기존 생산 대비 비용 효율성을 모색합니다.

프로세스 비교

금속 3D 프린팅의 장점

적층 제조는 감산 기술에 비해 더 높은 기하학적 복잡성, 설계 최적화 및 맞춤형 제조를 가능하게 합니다. 공급망 간소화 및 폐기물 감소로 비용이 절감되며, 생산 확장성으로 소량에서 중량까지 생산할 수 있습니다. 복잡한 내부 격자 구조도 가능합니다.

금속 3D 프린팅의 한계

빌드 방향에 따라 전체 기계적 특성이 달라질 수 있습니다. 후처리가 필요한 경우도 있습니다. 대량 생산보다 높은 재료 비용과 긴 제작 시간은 응용 분야를 제한합니다. 대형 부품 크기는 프린터 치수를 초과할 수 있습니다. 표준 단조 합금에 비해 사용 가능한 금속 등급이 적습니다.

기존 제조와 적층 제조의 사용 시기

전통적인 제조 방식은 규모의 경제를 통해 표준화된 대량 부품에 대한 이점을 유지합니다. 복합 주조는 소량의 대형 특수 부품에 적합합니다. 최적의 공정 선택은 부품 설계/재료, 생산 규모/빈도, 표준/맞춤형 형상이 제조 방식에 영향을 미치는지 여부에 따라 달라집니다. 종종 두 가지 방법이 산업 내에서 통합되는 경우가 많습니다.

기술 통합

전통적인 방법과 추가적 방법의 결합

레거시 기술을 대체하는 것이 아니라 프로토타이핑의 3D 프린팅 제조 에코시스템에 통합됩니다. 니어 네트 형상 주조는 CNC 가공을 위한 스톡을 제공합니다. 프린트 몰드는 기존 방식으로 주물을 생산합니다. 감산 방식은 엄격한 공차가 요구되는 반제품 인쇄 부품을 완성합니다. 하이브리드 프로세스는 다중 재료, 다중 속성 결과물을 위해 각 방법의 장점을 활용합니다.

전문 제조업체에 아웃소싱

대형 OEM은 사내 3D 금속 프린팅 기능을 통합하지만, 많은 공급업체는 금속 적층 작업을 아웃소싱하여 이점을 누리고 있습니다. 계약 제조업체는 큰 투자 없이도 고급 제작에 경제적으로 접근할 수 있습니다. 자본 투자. 파트너는 애플리케이션 개발 지원, 생산 최적화, 후처리, 테스트 및 인증 서비스를 제공합니다. 고객은 핵심 역량에 집중하고 전문가는 신제품 출시에 필요한 기술 및 규정 준수를 보장합니다.

결론

두 기술이 빠르게 발전함에 따라 3D 금속 프린팅을 주류 제조에 통합하는 작업이 탄력을 받고 있습니다. 전통적인 제조 방식은 대량 생산에 여전히 중요하지만, 적층 제조는 설계 복잡성, 공급망 효율성 및 맞춤형 소량 부품에 대한 이점을 제공함으로써 산업 전반에서 확고한 역할을 담당하고 있습니다.

재료와 속도 개선으로 기술 비용이 낮아지면서 3D 금속 프린팅은 프로토타입뿐만 아니라 최종 사용 생산 부품에서도 기존 기계 가공과 점점 더 경쟁하게 될 것입니다. 또한 두 제조 방식의 상호 보완적인 장점은 하이브리드 자동화 솔루션을 통해 더 많이 결합되어 사용될 것입니다. 궁극적으로 설계 및 제조 워크플로우를 혁신하는 적층 제조의 혁신적인 능력은 미래 산업 표준과 글로벌 경쟁력에 대한 영향력 상승을 주도할 것입니다.