AM 애플리케이션은 다중 재료 인쇄로 폭발적으로 증가합니다.

May 24, 2023

적층 제조(AM)는 기계, 방법 및 재료의 지속적인 개선 덕분에 산업 전반에 걸쳐 다양한 기회를 창출합니다. 그리고 기존 제조 공정을 통해 구축된 다중 재료 설계와 마찬가지로 작지만 성장하고 있는 다중 재료 3D 프린팅 분야는 AM의 힘을 훨씬 더 많이 발휘하고 있습니다.

다중 재료 시스템은 기능적 구배 구조, 복합재, 새로운 합금, 전기 및 전자 부품을 만드는 새로운 방법과 같은 변형을 가능하게 합니다. 이 방법은 관절 임플란트, 로봇 팔 끝 그리퍼 및 회로 기판과 같은 다양한 장치를 만드는 데 사용됩니다.

또한 실무자 중에서 과학자를 끌어낼 수도 있습니다. "복합 재료 3D 프린팅을 사용하여 A 재료를 여기에 약간, B 재료를 저기에 선택적으로 증착하면 어떻게 될까요?" 디지털 제조 시장인 Xometry Inc.(메릴랜드주 노스 베데스다)의 애플리케이션 엔지니어링 이사인 Greg Paulsen은 다음과 같이 말했습니다.

Paulsen은 "우리가 디지털 재료라고 부르는 것을 만들 수 있습니다. 단단한 재료에 약간의 고무 같은 재료를 첨가하여 그 재료가 더 부드럽고 유연하게 작용하도록 만들 수 있습니다"라고 Paulsen은 말했습니다. "또는 반대 방향으로 가서 아주 부드러운 고무에 약간의 단단한 재료를 추가하여 좀 더 단단하게 만들 수도 있습니다. 그리고 갑자기 한 번의 프린트나 실행으로 다음과 같은 물체를 만들 수 있습니다. 시뮬레이션된 오버몰드를 가질 수도 있고 동일한 프린트에 다른 속성을 만들 수도 있습니다."

그러나 주의할 점이 있습니다. Paulsen은 그 새로움으로 인해 현재까지 대부분의 복합 재료 응용이 연구 및 학계로 이관되어 이 분야가 "상대적으로 새로운 분야"라고 특징지었습니다.

그는 혼자가 아닙니다. 금속용 LPBF(레이저 분말 베드 융합) 프린터를 만드는 독일 Herzogenrath의 Aconity3D GmbH는 다중 재료 고객을 주로 학계에 있는 "얼리 어답터"라고 설명했습니다. 사실, 복합 재료 인쇄가 산업 프로세스로 자리매김함에 따라 지금까지 아이디어에서 현실로의 기술 이전은 급류보다는 물방울에 가까웠습니다.

AM에서 서로 다른 두 가지 재료를 인쇄하고 후처리하려면 해당 재료의 특성을 주의 깊게 평가해야 합니다. 리소그래피 기반 세라믹 3D 프린터를 만드는 뉴욕주 트로이 소재 Lithoz America LLC의 부사장인 Shawn Allan은 "확실히 무제한은 아닙니다."라고 말했습니다.

고온 소결 공정과 후속 냉각 과정에서 두 재료가 호환되는지 묻는 질문에 Allan은 이 질문에 대해 몇 가지 생각을 했습니다. "우리가 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다. 이러한 재료가 서로 결합되어 있습니까? 왜냐하면 일부 재료는 발사할 때 서로 잘 연결된 상태를 유지하기를 원하지 않기 때문입니다."라고 그는 말했습니다. "우리가 살펴봐야 할 가장 큰 요인 중 하나는 열팽창 불일치입니다."

두 재료 간의 불일치가 심각할 경우 가공 과정에서 부품에 내부 잔류 응력이 축적될 수 있습니다. Allan에 따르면 이로 인해 재료가 박리되거나 "에너지적으로 튀어나오게" 됩니다. 즉, 폭발합니다!

팽창계는 소결 시 열팽창과 수축을 모두 측정합니다. 결과적으로 사용자는 두 재료가 어떻게 자체적으로 작동하는지 평가하고 서로 겹치는 방식을 식별하여 "이것이 잠재적으로 함께 사용하기에 좋은 조합인지에 대한 느낌"을 얻을 수 있다고 Allan은 말했습니다.

두 개의 세라믹을 결합하는 것 외에도 Lithoz는 세라믹에 금속을 추가하는 작업을 진행하고 있습니다. "그러면 일반적으로 별도로 제작되거나 스크린 인쇄를 통해 두 가지 작업을 수행해야 하는 재료를 통해 전도성 경로를 배치할 수 있는 능력이 있습니다"라고 Allan은 말했습니다. "하지만 절연체를 통해 전도성 트레이스를 인쇄할 수 있습니다. 그런 식으로 전기 부품 설계가 가능해졌습니다."

세라믹 내부에 금속을 인쇄하는 실제 응용 분야에는 화학 공정을 위한 산업용 반응기와 수술 중 소작 장치가 포함될 수 있습니다. 그러나 세라믹은 일부 금속이 녹지 않고 견딜 수 있는 것보다 소성하는 동안 훨씬 더 높은 온도가 필요합니다.

"누군가가 세라믹을 알루미늄과 결합하려고 한다면, 그것은 작동하지 않을 것입니다... 왜냐하면 알루미늄은 600°, 아마도 660°C에서 녹기 때문입니다. 그러나 우리는 세라믹이 발화할 수 있는 가장 낮은 온도가 약 1,000°라는 것을 발견했습니다. C." 앨런이 말했다. "그리고 그것들은 일반적으로 금속과 잘 작동하도록 설계된 특수 유리 세라믹입니다."