하이브리드 금속 제조의 힘: 3D 프린팅과 전통적인 방법의 활용

하이브리드 금속 제조는 적층 가공과 감산 공정을 통합하여 금속 부품 설계와 생산을 최적화합니다. 이 문서에서는 3D 프린팅, 기계 가공, 성형 등을 결합하여 향상된 특성을 지닌 복잡한 맞춤형 금속 부품을 원하는 산업 전반에서 새로운 디자인을 구현하는 방법을 자세히 설명합니다.

하이브리드 금속 제조: 전통과 기술의 결합

제조에 대한 새로운 접근 방식

기존의 하이브리드 금속 제조는 금속과 금속이 결합된 3D 프린팅 3D 프린팅과 적층 가공은 기존 제조 방식에 사용되지 않았던 새로운 형상을 개발할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 이러한 새로운 기술 역시 빌드의 크기와 복잡성, 가능한 해상도, 재료 특성 등의 제약이 있습니다.

두 세계의 장점 결합

제안된 접근 방식은 기존 금속 가공 기술과 시너지 효과를 내기 위해 적층 가공을 사용하는 것입니다. 복잡한 내부 구조는 3D 프린팅 부품 더 큰 빌드 볼륨 내에서. 복잡한 외부 표면을 고정밀로 가공할 수 있습니다. 최적화된 특성을 가진 다양한 합금을 함께 접합할 수 있습니다.

이러한 하이브리드 접근 방식을 통해 새로운 기능을 개발하고 부품 성능을 개선할 수 있습니다. 통합 설계를 통해 복잡한 조립 단계를 줄이거나 없앨 수 있습니다. 더 가벼우면서도 강도가 높은 부품은 재료비를 절감하고 지속 가능성을 향상시킵니다.

하이브리드 금속 제조의 미래는 특정 부품 요구 사항에 따라 이러한 기술을 효과적으로 혼합하는 데 있습니다. 연구자와 업계 모두 금속 제조를 한 단계 더 발전시키기 위해 새로운 하이브리드 워크플로우를 적극적으로 모색하고 있습니다.

배경 및 정의

이 백서에서는 3D 프린팅으로 알려진 적층 제조(AM)를 재료 층을 쌓는 공정을 통해 3차원 부품을 제작하는 기술로 정의합니다. 금속 적층 가공의 경우 고출력 레이저 또는 전자 빔으로 재료를 녹여 금속 분말을 층별로 결합하는 과정을 거칩니다. 기존의 금속 가공 방식에는 절단 절곡 및 피어싱과 같은 기계적 작업이 포함됩니다. 주조, 단조, 절곡 등의 제조 공정은 성형 또는 기계적 압력을 통해 금속을 성형하는 것이 특징입니다. 용접 및 납땜과 같은 접합 기술은 분리된 금속 부품을 서로 융합합니다.

하이브리드 금속 제조는 이러한 적층 제조 방식과 기존 방식을 전략적으로 결합합니다. 적층 가공은 다른 방법으로는 불가능한 복잡한 내부 형상이나 경량 격자 구조에 사용됩니다. 전통적인 가공은 고정밀 표면과 엄격한 공차를 제공합니다. 고강도 및 높은 내식성과 같은 자동차 애플리케이션에 사용되는 합금을 손쉽게 결합할 수 있습니다. 이러한 접근 방식의 통합은 각 방법의 장점을 활용하면서 그 효과를 극복하여 다음과 같은 용도에 사용할 수 있는 기능성, 고성능, 비용 효율적인 제품을 생산합니다. 항공우주, 전자 제품, 의료및 기타 산업.

하이브리드 제조를 위한 동기 부여

하이브리드 금속 제조 기술을 채택하는 데에는 몇 가지 주요 동기가 있습니다:

• 기존 방식만으로는 불가능했던 복잡한 형상의 부품과 구성 요소를 생산할 수 있습니다.
• 적층 기술을 통해 강도, 경량 또는 기능 요구 사항에 맞게 내부 기능을 최적화할 수 있습니다.
• 외부 표면과 움직이는 부품의 정밀도와 공차가 더 엄격해지려면 전통적인 가공 능력이 필요합니다.
• 고강도 또는 내식성을 가진 합금과 같이 다양한 용도에 최적화된 다양한 금속 소재를 결합할 수 있습니다.
• 전반적으로 기존 방식에 비해 저렴한 비용으로 향상된 기능을 갖춘 구조물을 설계하고 제작할 수 있습니다.
• 검토 범위

이 리뷰에서는 하이브리드 금속 제조의 현재 연구와 응용에 대한 개요를 제공합니다. 혁신적인 새로운 워크플로우에 결합되고 있는 주요 적층 기술과 기존 기술을 간략하게 설명합니다. 항공우주 및 바이오 의학과 같은 산업에서 복잡한 금속 부품을 제조하기 위해 다양한 방법론을 결합한 사례도 분석할 것입니다. 이 비전의 한계와 구현 과정에서 발생할 수 있는 몇 가지 문제점도 중점적으로 다룰 예정입니다.

이 리뷰의 목적은 차세대 하이브리드 금속 제조의 현재 기술 현황을 제시할 뿐만 아니라 이 백서에서 논의할 하이브리드 방식이 허용할 수 있는 미래의 발전에 대해 논의하는 것입니다.

하이브리드 제조의 분류

하이브리드 금속 제조에는 전통적인 기술과 통합된 단계에 따라 몇 가지 주요 분류가 있습니다:

• 후처리 하이브리드는 가공과 같은 감산 방법을 사용하여 적층 제작 부품의 표면 마감을 개선합니다.
• 네트에 가까운 형상 하이브리드는 미세한 디테일을 3D 프린팅하기 전에 초기 전통적인 형상을 통해 적층 리드 타임을 줄이는 것을 목표로 합니다.
• 다중 재료 하이브리드는 서로 다른 특성을 가진 서로 다른 적층 제조 합금을 결합합니다.
• 공차가 허용되는 하이브리드는 밀링 또는 선삭의 정밀도를 활용하여 기술 도면에 맞게 AM 프리폼을 가공합니다.
• 토폴로지 하이브리드는 해당 아키텍처의 AM 및 기존 결합을 통해 내부 구조를 최적화합니다.
• 하이브리드 금속 제조 기술

개발 타임라인

1980년에 뿌리를 둔 금속 적층 가공은 먼 길을 걸어왔습니다. 최초의 관련 기술 SLS 및 상호 연결 폴리머 바인더를 사용한 금속의 3D 프린팅. 분말 베드 융합 및 지향성 에너지 증착의 현대화는 2000년대 들어 상용화되었습니다. 최근에는 고성능 합금의 적층 제조는 물론 다중 재료 및 복합 재료의 적층 제조가 가능해졌습니다. 다중 재료 3D 프린팅.

AM 공정의 분류

금속 적층 제조 기술에는 크게 분말 베드 융합과 지향성 에너지 증착 공정이라는 두 가지 하위 그룹이 있습니다. 파우더 베드 융합 공정에서는 레이저 또는 전자빔과 같은 열 에너지 수단을 통해 금속 분말을 얇은 층으로 연속적으로 도포하여 금속 분말을 서로 결합합니다. 새로운 파우더 층이 증착된 후 서로 융합됩니다. 지향성 에너지 증착은 집중된 열 에너지(레이저 또는 전자 빔)를 재료(분말 또는 와이어)에 집중시켜 층층이 증착될 때 융합시킵니다.

파우더 베드 융합 공정

선택적 레이저 용융(SLM)과 전자빔 용융(EBM)은 파우더 베드 용융 공정의 두 가지 기본 접근 방식입니다. SLM에서는 레이저가 파우더 베드를 스윕하여 주어진 입자를 다른 입자와 융합합니다. EBM에서는 집중된 전자 빔을 사용하여 금속 분말을 잘 녹여 융합합니다. 구성 요소는 3D 모델 데이터의 다양한 계층 수준에서 층류 방식으로 구성할 수 있습니다.

직접 에너지 증착 공정

지향성 에너지 증착(DED) 공정에는 레이저 엔지니어링 네트 성형(LENS) 및 전자빔 자유형 제작이 포함됩니다. A 융합 증착 모델링 열 에너지원은 재료(예: 금속 와이어 또는 분말)가 증착될 때 융합하는 데 사용됩니다. 이 공정을 통해 기존 부품에 재료를 증착하여 수리하거나 하이브리드 금속을 제조할 수 있습니다. 지지 구조물 없이 부품을 직접 제작할 수 있습니다.

여러 열 에너지원을 사용하는 하이브리드 적층 제조

레이저 및 전자빔과 같이 여러 개의 집중된 열 에너지원을 활용하는 하이브리드 적층 제조 방식에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이를 통해 다양한 에너지-재료 상호 작용의 장점을 결합할 수 있습니다.

레이저 지원 GMA-DED / PA-DED

GMAW-DED 또는 PAW-DED는 가스 금속 아크 또는 플라즈마 절단 토치를 사용하여 용접 재료를 증착합니다. 동축 레이저는 증착 속도와 제어를 높이기 위해 추가적인 국소 가열을 제공합니다. 이를 통해 반응성 합금의 증착을 개선하고 이종 재료의 증착을 가능하게 합니다.

레이저 지원 GTA-DED

GTAW-DED는 재료 증착을 위해 가스 텅스텐 아크 용접 토치를 사용합니다. 레이저가 용접 풀에 추가 가열을 제공하여 형상 제어를 개선합니다. 이를 통해 구리와 같이 전도성이 높은 용접하기 어려운 합금의 적층 가공이 용이해집니다.

분석 및 과제

이중 에너지 입력을 활용하면 설계 유연성이 높아지지만 프로세스 제어 및 최적화 측면에서 복잡성이 증가합니다. 에너지 커플링, 시퀀싱 및 포지셔닝과 같은 요소를 고려해야 합니다. 다중 소스 가열로 인한 잔류 응력과 왜곡도 분석이 필요합니다. 향후 연구에서는 이러한 첨단 하이브리드 금속 제조 방식에서 재료 성능을 완전히 특성화하는 것을 목표로 하고 있습니다.

재료 제거 공정이 포함된 하이브리드 적층 제조

재료 제거와 하이브리드 금속 제조를 통합하면 설계 공간이 확장되고 부품 품질이 향상됩니다. 이 작업은 일반적으로 적층 후 수행되지만 빌드 도중에 통합할 수도 있습니다.

제조 시퀀스 중 통합

일반적인 접근 방식은 적층 가공 전에 기판 또는 베이스 플레이트를 황삭 가공하는 것입니다. 이를 통해 후속 증착 시 안전한 고정을 위한 초기 파트 형상과 클램핑 표면을 설정합니다.

또는 중요한 피처의 초기 '프리폼'을 적층적으로 구성한 다음 감산 도구를 사용하여 추가 형상을 만들 수 있습니다. 예를 들어 복잡한 냉각 채널을 최종 치수로 가공하기 전에 레이저 금속 증착을 통해 거칠게 가공할 수 있습니다.

형상 증착 제조(SDM)와 같은 일부 기술은 수직 증착 층 사이에 밀링을 사용합니다. 이렇게 하면 거친 경사면을 다듬고 다음 증착을 위한 위치 정확도를 유지할 수 있습니다.

또한 공정 중 가공 기능을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 개폐식 툴 헤드는 빌드 중에 서포트 구조를 제거하거나 증착 궤적과 형상을 실시간으로 수정할 수 있습니다.

과제 및 솔루션

자료를 통합하면 퇴적된 자료가 손상되거나 성능이 저하될 위험이 있습니다. 레이저 커팅 기술 윤활유와 냉각수는 합금과 반응하거나 약화시키지 않도록 신중하게 선택해야 합니다.

후가공을 위해 부품을 정확하게 배치하려면 픽스처의 견고성이 매우 중요합니다. 공정 중 접근 방식에는 긴밀하게 조정된 멀티 헤드 시스템이 필요합니다. 국부적인 가열-냉각으로 인한 잔류 응력은 부품 안정성을 더욱 복잡하게 만듭니다.

이를 해결하기 위해 많은 하이브리드 금속 제조 공정에서는 기계적 스트레스를 피하기 위해 초음파 또는 레이저 절삭과 같은 비접촉식 가공 방법을 사용합니다. 또한 실시간 프로세스 모니터링을 통해 다양한 제조 단계에 대한 피드백 제어가 가능합니다.

성형 공정을 사용한 금속 하이브리드 적층 제조

열처리 프로세스

적층 제조된 부품은 내부 응력을 완화하고 입자 구조를 개선하기 위해 용융 및 어닐링 열처리를 거치는 경우가 많습니다. 일부 하이브리드 금속 제조 기술에서는 국소 열처리를 적층 제조 공정에 직접 통합하기도 합니다.

예를 들어 레이저를 이용한 직접 금속 증착은 용융 풀 영역에서 재료가 응고되는 즉시 용해시킬 수 있습니다. 이를 통해 수율 강도를 개선하고 취성과 같은 문제를 해결할 수 있습니다.

HIP 및 콜드 워킹

열간 등방성 프레싱(HIP)은 다공성 증착 재료를 이론 밀도에 가깝게 밀도화하여 특성을 향상시킵니다. 일부 접근 방식은 격자 구조를 보존하면서 하중을 받는 영역과 같은 영역을 선택적으로 밀도화하기 위해 HIP 미드 빌드를 사용합니다.

냉간 압연, 샷 피닝 및 기타 표면 처리도 통합되어 대량 가공으로 인한 왜곡 없이 공작물 경화 효과를 얻을 수 있습니다.

벌크 성형 공정과 통합

단조

개방형 다이 또는 폐쇄형 다이 단조는 적층 성형된 프리폼을 그물 모양 또는 그물에 가까운 부품으로 통합하고 변형하는 데 사용됩니다. 초기 적층 가공 설계는 결함 없이 효과적인 성형을 위해 재료 배치를 최적화합니다.

굽힘 및 회전

시트 라미네이션 또는 선형 증착 기술을 통해 원통형 또는 원뿔형 하이브리드 금속 제조 부품을 나중에 유동 성형과 같은 회전 또는 절곡 작업을 통해 성형할 수 있습니다.

시트 성형 공정과 통합

설계된 이질성을 가진 시트 소재를 적층 가공한 다음 기존의 스탬핑 또는 하이드로포밍 방법을 사용하여 복잡한 3D 형상으로 성형할 수 있습니다. 적층 패터닝을 통해 달성한 강성 등급은 성형 연성을 향상시킵니다.

성형 프로세스를 통한 조인팅과의 통합

압출 기반 AM을 사용하면 하이브리드 금속 제조 하위 어셈블리의 단조와 유사한 접합 및 성형이 가능합니다. 초기 프로파일을 적층적으로 증착한 다음 국부적인 열과 압축을 사용하여 연속적으로 접합하고 통합할 수 있습니다. 이를 통해 복잡한 통합 금속 프레임워크.

결론

하이브리드 금속 제조는 적층 가공과 전통적인 금속 가공 기술의 강점을 모두 활용하는 빠르게 진화하는 분야입니다. 제조업체는 부품 생산의 여러 단계에서 다양한 공정을 전략적으로 통합함으로써 최적화된 성능으로 기하학적으로 복잡한 금속 부품을 제작할 수 있습니다. 하이브리드 워크플로우를 통해 달성할 수 있는 맞춤형 설계의 자유와 재료 특성은 가공 금속 제품의 적용 가능성을 지속적으로 확장하고 있습니다.

그러나 이 접근법의 기능을 완전히 실현하려면 아직 더 많은 개발이 필요합니다. 멀티 헤드 동기화, 결합된 입력을 위한 공정 제어 방법론, 견고한 고정 솔루션에 대한 더 많은 연구를 통해 부품 품질과 제조 반복성을 높일 수 있습니다. 통합 가공 경로의 수요에 맞게 새로운 금속 합금 배합과 열처리 절차도 필요할 수 있습니다. 중요 산업에서 하이브리드 금속 제조 부품을 인증하기 위한 표준은 지속적으로 개발되어야 합니다.

자주 묻는 질문

Q: 일반적인 하이브리드 제조 워크플로에는 어떤 것이 있나요?

A: 일반적인 접근 방식에는 복잡한 코어 및 인서트의 하이브리드 금속 제조와 외부 표면의 전통적인 기계 가공, 용접으로 결합된 다양한 합금의 적층, 성형, 열처리 또는 결합을 3D 프린팅 프리폼과 통합하는 방식이 있습니다.

Q: 하이브리드 제조의 장점은 무엇인가요?

A: 다양한 하이브리드 금속 제조 기술에 대한 부품 설계를 최적화하고, 다중 재료 통합을 통해 특성을 개선하며, 조립 단계를 줄이고, 단독 적층 방식에 비해 더 엄격한 공차를 얻을 수 있습니다.

Q: 하이브리드 제조에는 어떤 어려움이 있나요?

A: 다양한 프로세스를 통합하면 손상이나 성능 저하가 발생할 위험이 있고, 다단계 가열/냉각으로 인한 잔류 응력을 해결하기가 복잡하며, 긴밀하게 동기화된 멀티 헤드 시스템은 프로세스 제어 개선이 필요합니다.

Q: 어떤 산업에서 하이브리드 기술을 채택하고 있나요?

A: 주요 분야에는 강도, 복잡성 및 맞춤화에 대한 요구 사항이 혁신적인 금속 제조 방법을 주도하는 항공우주, 의료, 자동차 및 에너지가 포함됩니다.