#4 🐰 글로벌 No.1의 금속AM Support Free 노하우를 공유합니다.

2023. 8. 7.

🐰 글로벌 No.1의 금속AM Support Free 노하우를 공유합니다.

2023 / 08 / 07 월요일

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Data 1. 서포트 없는 금속 적층 제조 공정을 개발해 온 EOS사의 연구 과정을 살펴보고,

Data 2. EOS사가 개발한 소프트웨어 SmartFusion과 최적의 Support free 설계 사례를 살펴봤어요.

Data 3. DfAM을 할 수 있는 소프트웨어 nTop와 3-matic에 대해 알아봤어요.

✅개념

▶ 한 번 더 살펴봐요! 서포트를 최소화하기 위해 고려해야 할 3가지

분말 소결 AM(금속 적층 제조) 분야에서 서포트 양을 최소화하는 것은 비용 절감에 큰 영향을 주기 때문에 전 세계적으로 이목을 끌고 있는 주제에요.

그럼, 서포트를 줄이기 위해 고려해야 할 요소엔 무엇이 있을까요?

첫째, 열전달

금속 분말은 고체 물질에 비해 열전도율이 낮아요. 그래서 변형된 영역이 발생할 경우 에너지 파라미터 값을 조정해 주어야 해요.

둘째, 잔류 열응력

열응력은 출력물의 일부분에만 에너지가 집중되어서 온도 변화가 급격하게 일어나거나 방금 응고된 층과 이미 냉각된 층 사이의 온도 차이로 인해 발생해요.

잔류응력이 발생할 경우 금속 모양이 변형되는데 이런 문제는 두꺼운 서포트를 달기, 빌드 플레이트 온도 올리기, 더 두꺼운 플레이트 사용 등으로 해결할 수 있어요. 실시간 열화상 카메라로 레이어 별 열분포도를 체크해서 변형을 최소화하는 방법도 있답니다.

셋째, 리코터의 힘

서포트 굵기와 소재에 따라 적절한 종류의 리코터(분말 재료 유지 장치)를 사용해주어야 출력을 원활히 할 수 있어요.

🐰층층이: 지난 삼차원 #3 Meltio의 Support Free!에서 자세하게 다뤘어요.

PBF 출력불량 사례 ©The International Journal of Advanced Manufacturing Technology

만약, 파트마다 다르게해주어야하는 위 세 가지 요소를 고려하지 않고 제조할 경우

등의 문제로 출력이 정상적으로 이루어지지 않아요.

🔍기술

EOS, 서포트로부터 자유로워지고 싶어!

라떼는 말이야,

각도 개선과 리코터 교체를 통해 서포트를 줄였어

분말 소결 AM 공정에서 서포트 각도를 조절하는 것은 어려운 일이에요. 특히 과거에는 출력파트의 각도가 45° 미만이면 무조건 서포트를 달아주어야 했는데요, 지난 2021년 EOS는 'Support-free stator ring' 출력 사례 연구를 통해 13° 까지는 서포트 없이 출력할 수 있는 프로세스를 개발했어요.

Support-free stator ring ©EOS

Stator ring은 직경 240mm에 각도가 13°까지 내려가는 형태에요. EOS는 이 물체를 서포트 없이 출력하기 위해 테스트를 진행했어요. 먼저, 조정된 DownSkin 파라미터 값과 부드러운 탄소 섬유 브러시 리코터를 사용했더니 출력 과정 중 특정 방향에서 블레이드 가장자리가 변형되어 리코터 브러시 홀더가 손상되었고, DownSkin 표면이 많이 그을었어요.

Support-free stator ring이 출력되고 있는 파우더베드(왼쪽),

그으른 DownSkin(중앙), 출력 후 손상된 리코터블레이드 홀더(오른쪽) ©EOS

그 이후 다양한 파라미터 값으로 DownSkin의 그을림 정도를 체크했고, 리코터의 종류를 하드 공구강 블레이드(HSS)로 변경했어요. 그 결과 20° 미만의 각도의 물체를 출력할 때는 특정 노출 백터 방향을 제한하는 것이 핵심인 것을 확인했고, 10°까지 성공적인 테스트를 마쳤다고 해요.

파라미터값에 따라 달라지는 DownSkin의 그을림 정도 ©EOS

10°의 각도를 가진 물체의 성공적인 테스트 작업 ©EOS

DownSkin 파라미터 값을 조정하기도 했었고

조금 더 옛날로 거슬러 올라가볼까요? 2019년에는 출력 공정을 모니터링하고 각 레이어마다 파라미터 값을 개발했어요.

서포트를 최소화하면서 깨끗한 DownSkin을 출력할 수 있는 값을 도출하기 위해서 EOS 내부 작업 프로세스에 따라 파라미터 값을 유기적으로 조정해가며 최적화된 값을 찾는 방식이죠.

고급 DownSkin 노출을 개발하기 위한 작업 프로세스 ©EOS

높이가 다른 디스크가 있는 실린더(왼쪽)와 파라미터값 개발을 위한 실린더 샘플(오른쪽) ©EOS

파라미터값 변수를 평가하기 위한 Eostate Meltpool 모니터링 데이터 ©EOS

이 테스트 과정은 출력 파트가 열전달을 고르게 받을 때까지 반복하고, 서포트 제거의 용이성과 열처리 전 잔류 응력을 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖는 값을 찾을 때까지 계속되요. 이때, 리코터는 하드 공구강 블레이드(HSS)를 사용해서 가장 까다로운 경우로 시뮬레이션하고, 적절한 값을 찾았다면, DfAM(적층 가공 설계)로 마무리해서 출력하는 거죠.

Magics 소프트웨어를 활용해 DfAM 적용 파트 제작 ©EOS

파라미터값 변수를 적용한 출력 파트 ©EOS

결과적으로 EOS는 각 문자의 직경이 50mm인 EOS 로고와 직경이 100mm이고 8000mm²에 가까운 디스크, 그리고 직경 50mm, 중앙에 20mm 구멍이 있는 디스크 세 가지 출력물 모두 서포트 없이 출력하는데 성공했어요. 서포트가 없는 대신 DownSkin의 거칠기가 증가했지만 형태는 완벽에 가깝게 출력되는 것을 알 수 있어요.

번거롭지만 DfAM까지 하면 서포트를 최소화할 수 있었어

AM 공정에서 파트의 구조 상 어쩔 수 없이 서포트는 달아야 하는데~😢

이대로 출력하면 구조상 서포트를 제거할 수 없는!!! 형태를 출력해야 할 때😱

어떻게 해야 할까요? 이런 경우에 DfAM(적층 가공 설계)를 통해 서포트를 아예 달지 않거나 최소화된 구조로 디자인/설계를 해요.

출력해야하는 Impeller디자인 ©EOS

예를 들어 오버행 각도가 10°까지 내려가는 12개의 블레이드를 가진 직경 150mm의 Impeller는 내부 구조상 출력 후 서포트 제거가 불가능해요. 그래서 파트의 기능적인 부분에 이상이 없다면 DfAM을 통해 서포트가 달리지 않아도 되는 외형으로 바꾸어주면 경제적이에요. 그럼 어떤 모양으로 변형해야 서포트를 달지 않아도 될까요?

서포트가 달려야 하는 기존 모델링(왼쪽)과 DfAM을 적용한 모델링(오른쪽) ©EOS

DfAM을 적용한 Impeller ©EOS

Impeller의 바닥을 아치 모양의 얇은 벽으로 만들어 서포트가 없어도 빌드 플레이트와 단단히 연결 되도록 디자인하는 방법이 있어요. 다만, DfAM이 적용되었다고 해서 출력이 바로 되는 건 아니에요. 앞서 말했던 적합한 DownSkin 파라미터 값을 찾는 과정이 필요하답니다.

번거롭긴 하지만 이 모든 과정을 거치면 서포트가 없어도 형태가 무너지지 않는 DownSkin을 가질 수 있어요.

고품질의 DownSkin을 가진 Impeller ©EOS

🔌소프트웨어

요즘 누가 직접 계산해요?

스마트퓨전이 알아서 해준다고요~

Smart Fusion ©EOS

2023년 EOS는 실시간 지능형 열 관리 기능을 갖춘 PBF 공정 솔루션 'SmartFusion' 소프트웨어를 상용화하기 시작했어요.

스마트퓨전이 뭔데?

PBF 공정 과정에서 파우더 베드에 흡수된 레이저 에너지를 측정하고 조정함으로써 제조를 더 빠르고 효율적으로 할 수 있게 도와주는 소프트웨어에요.

기존의 출력 모니터링 시스템에 알고리즘 기술을 접목해서 출력 공정을 레이어 별로 모니터링해주는 광학 단층 촬영(OT)카메라가 함께 작동한다고 해요.

스마트퓨전을 사용하면 불필요한 서포트를 최소화할 수 있고, 결과적으로 출력 시간을 절약 할 수 있어요. 또한 재료의 사용량과 후처리 과정에서 발생하는 재료 손실량을 줄여줘서 부품당비용(CPP)를 낮출 수 있는 게 큰 장점이에요.

🐰층층이: 한국에는 2023년 7월 이후 정식 출시될 예정이라고 해요.

광학 단층 촬영으로 찍힌 레이어 이미지©EOS

EOS는 스마트퓨전을 이용해서 Stator ring을 다시 제작했어요. 스마트퓨전의 지능형 열관리 기능을 이용하면 얕은 오버행 구조에서 과열을 방지할 수 있어요.

스마트퓨전으로 제작된 Stator ring(층 두께: 왼쪽 부분 80μm, 오른쪽 부분 40μm)의 ©EOS

EOS의 표준 고성능 공정인 IN718 40μm으로 45° 미만의 표준 서포트를 달아서 인쇄했을 때와 동일한 공정(thermal on)이지만 서포트가 없는 경우 그리고 80μm 공정으로 스마트 퓨전(thermal on)을 사용해 인쇄했을 때를 비교해 보면 스마트퓨전을 이용했을 때 기존 공정에 비해 59%나 출력 시간이 단축된 것을 알 수 있어요.

왼쪽부터 45°미만의 표준 서포트를 달았을 때→

동일한 조건에서 서포트 없이 제작 → 스마트퓨전 이용 했을 때 빌드시간 비교 ©EOS

특히, 스마트퓨전을 이용해서 제작한 Stator ring은 DownSkin의 표면상태가 훌륭하고, 크로스컷을 살펴봤을 때 블레이드의 다공성 증가가 없다는 점이 엄청난 장점이에요.

스마트퓨전으로 제작한 40μm Stator ring의 표면 거칠기 ©EOS

EOS에서는 완벽한 SupportFree를 실현하기 위해 3가지 핵심 솔루션을 제공하고 있어요.

Plug&Play Solution: 출력물 형상, 용도 등에 따라 다른 파라미터 값을 EOS에서 표준화하여 판매하는 솔루션이에요
SupportFree Softwate Tools: 서포트 프리를 실현할 수 있게 도움을 주는 스마트 퓨전과 같은 소프트웨어를 판매하고,
Additiveminds: EOS에서 보유한 서포트 프리 출력 노하우와 소프트웨어 사용법 등을 교육해 줘요

EOS에서 SupportFree의 세 가지 핵심 ©EOS

🧐서팀장: 안녕하세요 HDC 서팀장입니다. 오늘은 지난 시간에 이야기 나누었던 DfAM (적층 가공 설계)를 할 수 있는 소프트웨어에 대해 알아보겠습니다.

✅ 제품 디자인에 특화된 nTopology

©nTopology Inc

미국의 nTopology사에서 개발한 소프트웨어 'nTop'은 적층 제조 파트의 내부 채움 설계 소프트웨어입니다. 통합 시뮬레이션 도구 사용을 통해 파트 모델 전 과정을 제어할 수 있고, 적층 제조에 최적화되어 재료 사용 및 생산 비용을 최소화해주는 기능을 가지고 있는데요, 특히 스무딩 자동화를 통해 깨끗하고 편집 가능한 기하학 구조를 생성해주는 등 디자인 기능에 특화되어있는 소프트웨어입니다. nTop의 대표적인 특징 몇 가지를 살펴보시죠.

경량화: 격자 구조를 사용하여 사용 목적에 최적화된 기계적, 열적 특성을 가진 부품 설계
현장 최적화: 산업분야별로 최적화된 경량화, 특성, 고유한 미학을 활용하는 제품 제작
디자인: 생산 환경에 적합한 디자인을 탐색해 대량생산에 최적화된 디자인 생성
열관리: 격자 균일화로 시뮬레이션 및 설계 프로세스의 속도 향상

다양한 격자 구조 ©nTopology Inc

적층제조를 통한 설계 자동화의 적용 ©nTopology Inc

현장에 최적화된 경량화 및 DfAM구조 ©nTopology Inc

EOS는 Siemens NX로 모델링을 하고 nTopology로 내부 채움 구조를 설계해서 서포트가 없는 크리스마스트리를 제작했습니다.

나무 2개를 결합하여 출력하는 부분 ©EOS

출력된 나무들 ©EOS

설계 제약 속에서 파트의 무게를 가능한 가볍게 만드는 경량화는 중요합니다. nTop은 산업 기술 엔지니어의 설계 자유도를 최대한 보장하면서 제조 공급망을 최적화할 수 있는 차세대 설계 소프트웨어입니다.

✅ 기능적인 내부채움에 특화된 머터리얼라이즈

©Materialise

Materialise는 3D프린팅 소프트웨어, 3D모델링 및 프린팅 제조 서비스, 의료 기기 사업을 하는 벨기에 회사입니다. 그중 DfAM에 최적화된 소프트웨어 3-matic를 소개합니다. 3-matic은 STL 파일을 CAD처럼 편집/디자인 할 수 있는 소프트웨어입니다. 설계와 편집을 모두 STL 파일에서 편집할 수 있고, AM 출력에 최적화된 설계를 할 수 있습니다.