#3 🐰 Meltio의 Support Free!

2023. 7. 24.

2023 / 07 / 24 월요일

구독하기 l

더 크게보기

Data 1. 적층 제조에서 서포트의 개념과 제조방식에 따라 달라지는 서포트 종류에 대해 알아봤어요.

Data 2. 일체형 재료를 사용하는 출력 방식에서 서포트를 줄이거나 제거할 수 있는 방법에 대해 알아봤고,

Data 3. 금속 적층 제조에서 사용되는 서포트 구조의 유형과 서포트를 줄이는 것이 왜 중요한지 알아봤고, Meltio의 Support free 기능에 대해 살펴봤어요.

✅개념

▶서포트가 뭐야? 그냥 출력하면 안 돼?

서포트(Support)는 사전적 의미 그대로 지지해주는 '지지 구조'를 말해요.

적층 제조에서의 서포트란 3차원으로 출력되는 출력물의 구조상 돌출된 부분 또는 뒤틀리거나 붕괴될 수 있는 부분을 지지해주는 구조물이에요.

일반적인 서포트의 역할은 대표적으로 2가지가 있어요.

출력물이 빌드 플레이트에 잘 붙어서 성형될 수 있도록 보조하는 역할
중력, 열응력 등 힘에 의한 변형을 분산 시켜주는 역할

🐰층층이: 출력물에 서포트를 달아줌으로써 중력으로 인해 출력물이 변형되는 것을 최소화해준다고 했잖아요? 이해를 돕기 위해 층층이가 VPP방식 출력 사례를 가지고 왔어요.

VPP(Vat photopolymerization:액조광경화)방식에는 두 가지 출력 방식이 있는데요,

첫 번째, 하향식 적층(Top-down)방식은 액체가 출력물 사이의 빈 공간을 채워줌으로써 부력이 형성되어서 상대적으로 가는 서포트만 달아주어도 출력이 안정적으로 나오는 방식이에요.

두 번째, 상향식 적층(Bottom-up)방식은 출력물이 거꾸로 매달린 형태로 제작되기 때문에 재료가 담긴 레진 탱크와의 장력과 중력을 버틸 수 있을 정도의 단단하고 촘촘한 서포트 구조가 필요해요.

그럼 서포트의 역할이 더욱 중요한 출력 방식은 상향식 적층 방식이겠지요?

VPP방식 하향식 적층 ⓒ HDC Co., Ltd.

VPP방식 상향식 적층 ⓒ HDC Co., Ltd.

💪개념+

▶출력 방식에 따른 다양한 서포트 종류

적층 제조방식에 따라 사용할 수 있는 서포트의 종류는 아주 다양해요.

적층 제조방식은 ISO/ ASTM 52900를 기준으로 7가지가 있는데

오늘은 7가지 방식을 출력물과 서포트의 종류가 같은 것과 다른 것! 2가지로 분류해서 알려드릴게요.

🐰층층이: ISO/ ASTM 52900는 2015년 미국 재료시험학회와 국제표준화기구가 발표한 적층 제조의 일반 원리 및 용어를 정리한 국제표준이에요.

🤗출력물과 서포트, 동일한 재료를 사용해!

출력물과 서포트를 동일한 재료를 사용해서 출력해요.

[출력 예시1] 출력물:금속=서포트:금속

[출력 예시2] 출력물:폴리머=서포트:폴리머

폴리머(플라스틱)나 알루미늄, 구리 등 무른 금속 경우 서포트 제거가 상대적으로 쉬운편이지만, 티타늄, 니켈 등 가공이 어려운 금속 소재의 경우 서포트의 제거도 어려워요.

액조 광경화 방식(Vatphotopolymerization,VPP) – SLA , DLP , LCD
에너지 제어 용착 방식(Directenergydeposition,DED)
분말 베드 융해 방식(Powederbedfusion,PBF) – 폴리머 SLS / 금속 DMS, DMLS
판재 적층(Sheet Lamination, SHL)-UAM, LOM

폴리머 SLA 시스템의 서포트 최적화 소프트웨어 e-stage ©Materialise

출력물과 서포트가 동일한 재료로 출력된 파트 ©Formlabs

출력물과 서포트가 동일한 재료로 출력된 파트의 서포트제거 ©Formlabs

😤출력물과 서포트, 다른 재료를 사용해!

2가지 이상의 재료를 사용해서 출력해요. 서포트 재료를 녹는 재료 (Soluble Supports) 또는 상대적으로 무른 재료로 사용할 수 있어요!

[출력 예시] 출력물:카본≠서포트:수용성폴리머

출력물과 서포트가 다른 재료로 출력된 파트의 서포트제거 ©CreatBot

재료 압출 방식의 Soluble Supports ©Cimquest

접착제 분사 방식의 Soluble Supports ©Proto3000

재료 분사 방식의 Soluble Supports ©Proto3000

🔍기술

서포트 없이 출력할 수 있는 방법은 없을까?

(PBF Polymer SLS)

서포트 없이 출력할 수 있지!

분말 베드 융해(PBF)방식 중 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS)공정은 폴리머(Polymer) 분말에 레이저를 조사하며 하향식 적층제조 과정을 반복해요.

리코더의 분말 도포 → 레이저 조사 → 레이어 한 층 하강 → 리코터의 분말 도포

액조 광경화 방식 (Vatphotopolymerization,VPP)은 하향식 적층 제조를 하면서 액체가 출력물 사이의 빈 공간을 채워, 그 부력으로 어느 정도 지지를 해주어 얇은 서포트가 달린다고 했잖아요~?

SLS공정의 경우 액체 대신 분말이 파트 사이사이를 채워줌으로써 중력으로 인한 파트 변형을 최소화해줘요. 그래서 서포트 없이 출력이 가능하답니다!

분말 베드 융해 방식의 출력 과정 ©EOS

(PBF Metal DMS, DMLS)

서포트를 모두 없앨 순 없지만 최소화는 할 수 있어!

직접식 금속 소결(Direct Metal Sintering, DMS)공정, 직접식 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)공정은 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS)방식과 동일한 제조 방식이지만, 폴리머가 아닌 금속 분말을 사용해요.

금속은 플라스틱과는 다르게 가열하면 많은 변수가 발생해서 신경 쓸게 많아요.

우리는 오늘 3가지 항목에 초점을 맞추어서 금속 분말 소결의 특징을 살펴볼 거에요.

1. 분말 재료의 낮은 연전도율

분말 입자의 경우 고체 금속에 비해 열전도율이 낮아요.

적절한 열전도율을 찾기위해 서포트가 접촉되는 하단면인 'Down Skin'의 에너지 밀도를 증가 또는 감소시켜주는 레이저의 파워 조절 작업이 필요하고요.

적절한 파라미터 값의 레이저 파워로 열전도율을 조정하면 더 넓은 면적의 오버행 구조에서도 용융풀(MeltPool)과 서포트를 최소화할 수 있어요.

2. 금속 제조 과정에서 발생하는 잔류 열응력

여러분은 날씨가 갑자기 더워졌다 추워졌다 왔다 갔다하면 기분이 어떨 것 같나요? 둘 중에 하나만 하라고 소리치고 싶지 않을까요?🤪

금속은 열을 받으면 늘어나고 냉각하면 줄어드는 성질을 가지고 있어요.

금속 제조 과정에서 온도 변화가 생기면 물체가 구속된 상태에서 물체 내부에서 원래의 성질을 유지하려고 하는 '열응력'이 발생해요.

적층 제조 과정에서 열응력이 발생하면 금속 모양이 변형되는데 이를 방지하기 위해선 많은 서포트가 필요하고, 그럼 재료 손실과 비효율적인 후가공 과정이 발생하죠.

우리는 이런 열응력 문제 해결과 서포트를 최소화하기 위해서 2가지 방법을 사용할 수 있어요,

- 빌드 플레이트의 온도를 올려주거나 더 두꺼운 플레이트를 사용하거나
- 실시간 열화상 카메라를 통해 레이어 별 열의 분포를 체크하여 레이저가 이동하는 경로(Hatch), 스캔 전략 등을 지정하는 것이죠.

최근 독일의 적층 제조 장비 회사 EOS에서는 실시간으로 열화상카메라(OT)를 사용하면서, 동시에 열분포를 체크하고 필요에 따라 레이저 파라미터값이 자동으로 변경 적용되는 스마트퓨전(Smart Fusion)이라는 소프트웨어를 출시 했어요.

스마트 퓨전은 출력에 대한 시간과 서포트프리 양쪽 모두 만족할만한 결과를 선보이고 있다고해요!

3.리코터, 소재에 따라 다르게 해줘요

리코터는 분말 소결 방식 적층 제조 과정에서 한 층이 적층 될 때마다 움직이는 재료 유지 장치에요. 적층 과정에서 흐트러진 분말을 평탄하게 해주고, 소비된 재료를 보충하여 적층 높이만큼 유지해 주죠.

리코터의 종류는 HSS(금속)리코터 블레이드, 세라믹 리코터 블레이드, 고무 리코터 블레이드, 브러쉬 리코터 블레이드 등 여러 가지에요.

엄밀히 말하면 리코터는 서포트를 줄이기 위한 도구는 아니고 서포트를 잘 출력하기 위한 도구에요.

리코터는 출력하는 서포트 굵기와 소재에 따라 다른 종류를 사용해 주어야 해요.

예를들어 얇은 서포트가 달리는 출력물엔 브러쉬 리코터를 사용해요.

머터리얼라이즈사의 E-Stage소프트웨어를 사용하면 알루미늄, 티타늄 등 일부 소재에 얇은 서포트를 달 수 있고 출력 후 제거를 간단하게 할 수 있답니다.

HSS(금속) 리코터의 경우 Z 축 방향으로 가장 정확한 수치를 출력하지만,

파트가 조금이라도 휘어있다면 리코더와 출력물 간의 충돌이 일어나 출력에 실패해버리는 단점이 있어요😥

금속 리코터 ©EOS

🔌장비

서포트를 줄이기 위한

다양한 연구와 설계법 with Meltio

2가지 소재 사용으로 가공이 쉬운 서포트 달기

대부분의 금속 적층 제조 장비는 1개의 재료만 사용할 수 있어요.

그래서 보다 쉬운 후처리(서포트 제거)를 위해 서포트를 최소화하는 것이 굉장히 중요한데요,

멜티오의 3축 가공기인 M450은 2가지의 다른 금속을 사용할 수 있어요.

이 점을 활용해서 무른 금속인 Mild Steel로 서포트를 생성하면 후가공이 편리해지죠!

그리고 고가의 소프트웨어를 사용하지 않아도 저렴한 슬라이서 프로그램인 Simplify3D를 활용하여 경량화 및 내부 서포트의 역할을 해주는 'Lattice structure'를 적용할 수 있어요.

Simplify3D내부채움 ⓒSimplify3D

멜티오에 적용된 내부채움 구조 ⓒMeltio

다축 시스템으로 완벽한 Support Free 구현!

멜티오의 로봇팔과 턴테이블의 축을 이용해서 오버행 구조물을 서포트 없이 제작할 수 있어요.

서포트가 필요 없는 오버행 구조 제작 ⓒMeltio

멜티오 로봇 인터그레이션은 자유로운 이동이 가능해서, 일반적인 금속 적층 제조처럼 레이어 한 층을 제작한 후 다음 레이어를 제작하는 것이 아니라 각기 다른 방향의 파트를 제작할 수 있어요. 헤드의 이동 경로가 제작된 파트와 충돌하지 않는다면 어떤 형상이든 제작이 가능해요!

서포트가 필요 없는 오버행 구조 제작 ⓒMeltio

금속 적층 제조에 있어서 핵심과제 중 하나는 All In One 파트 제작이에요.

대부분의 금속 제조 장비는 적층 제조에 최적화된 디자인으로 설계를 변형해야해요. 하지만 8축 로봇에 장착된 Meltio 헤드를 사용한다면 기존 금속 적층 제조 공정보다 더 자유롭게 디자인하면서도 저렴한 금액으로 서포트를 최소화해서 All In One 파트를 제작할 수 있어요.

48개의 블레이드를 일체형으로 제작 ⓒMeltio

*크기(only Blade): 500 x 500 x 600mm / *무게: 9,15kg - 칼날만

*재질: 스테인리스 스틸 316L / *인쇄 시간: 26시간 25분

*후가공: 없음 / *인쇄 비용: €114,07

기존 파우더 LMD와 비교하였을 때 부품에 대한 열응력 해소 및 출력 직후의 밀도 등이 개선되어 파트 제작 중 중력으로 인한 처짐을 최소화할 수 있어요.

🧐서팀장: 당연히 파트의 형태상 두께가 더 두꺼워지는 등의 변수로 인해 중력에 의한 휨이 발생할 수는 있지만, 이론적으로는 일반적인 단조 금속에서 휨이 발생하는 형태 및 각도와 동일한 지점까지 버틸 수 있습니다. 즉 제품의 구조상 휨이 발생하는 형태라면 멜티오 로봇으로 제조를 하더라도 동일하게 휨이 발생합니다.

Meltio Engine Robot은 LMD의 장점인 열응력, 제작 직후의 밀도, 기계적 성질의 우수함과 WAAM의 장점인 형상의 자유도 부분을 결합하여 최근 금속 적층 제조에서 가장 큰 이슈인 Support-Free와 가장 근접한 방식입니다.

🧐서팀장: 안녕하세요 HDC 서팀장입니다. 오늘은 금속 적층 제조(AM)분야에서 서포트 제거가 불가능한 형태를 서포트를 달지 않거나 최소화된 구조로 만드는 디자인/설계기술! DfAM (적층 가공 설계)에 대해 이야기해보고자 합니다.

✅금속 적층제조로 제작하기 어려운 구조가 있어요

ⓒ3Dnatives

금속 적층 제조에서 서포트를 달기 위해서는 45°이상의 각도가 필요합니다. 각도가 감소하면 아래쪽을 향한 표면이 거칠어지며 각도가 너무 감소하면 부품이 고장 납니다.

그래서 일반적으로 각도를 45°이상으로 형성해 줘야 하는 정원 및 정사각형 형태는 적층하기 어렵습니다. 특히 Z 축 적층방향에서의 정원은 구현이 불가능하다고 보시면 됩니다. (일반적으로 정원의 직경 6mm 이상에서 서포트가 필요하다고 하나 4mm 사이즈만 되어도 원의 상부에서 변형이 생김)

평면구조를 제작할 때도 서포트나 Lattice structure 간의 간격이 중요합니다. 거리가 멀면 처짐이 발생하거나 출력이 되지 않기 때문인데요,

✅DfAM으로 해결 할 수 있습니다.

DfAM설계중 경량화 구조를 만드는 방법을 적용하면 됩니다. 유사하게는 MEX 방식에서 볼 수 있는 내부 채움의 구조라고 생각하시면 좋을 거 같습니다. 다만, 일반적인 금속 적층 제조에서 이러한 내부 채움의 구조를 구현하는 것은 고가의 소프트웨어로 가능하고, 교육도 이수해야합니다. DfAM에서 중요한 요소인 Lattice structure과 Generative design을 설계할 수 있는 소프트웨어들에 대해서는 다음 시간에 자세히 다뤄보도록 하겠습니다.