신기술을 이용한 3D 금속 인쇄의 혁명

3D 금속 인쇄는 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering)로 알려져 있으며, 직접 금속 레이저 용융(Direct Metal Laser Melting)은 추가적인 혁신입니다. 금속 3D 프린터는 서로 겹쳐진 20-60 마이크론 두께의 금속 분말 층을 부드럽게 하는 레이저 바를 가지고 있습니다. 이 분말 금속은 전체 형상 단계에 걸쳐 퍼지고, 이후 아래층을 선택적으로 용융합니다. 이 추가 층 공정은 금속 부품이 금속 분말의 침대에서 성장할 수 있도록 허용합니다. 이 과정은 분말 침대 융합을 사용하는 다른 폴리머 기반 3D 프린터와 유사합니다.

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금속 3D 인쇄는 현대 제품 개발에서 특별한 위치를 차지하고 있습니다. 복잡한 최종 사용 부품의 즉각적인 조립을 고려하며, 일반적인 제조 기술을 위한 도구 제작을 촉진하고, 비용과 리드 타임을 줄입니다. 이 기술은 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 및 선택적 레이저 용융(SLM)으로도 알려져 있습니다.

3D 금속 인쇄의 혁명

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그라츠 공과대학교의 연구자들은 금속 부품의 추가 제조를 위해 레이저 대신 LED를 사용하는 새로운 유형의 3D 프린터를 개발했습니다. 이 혁신적인 기술은 금속 분말 활용, 생산 시간, 장치 비용 및 후처리 작업을 최적화할 수 있습니다. 팀은 또한 그들의 3D 금속 인쇄 기술에 대한 특허를 신청했습니다.

3D 프린터는 선택적 레이저 또는 전자빔 용융과 같은 기술을 사용합니다. 이 과정은 금속 분말을 용융한 다음 구성 요소를 형성하기 위해 개발합니다. 새로운 방법은 선택적 LED 기반 용융(Selective LED-based Melting, SLEDM)이라고 하며, 분말 침대 기반 제조 공정의 두 가지 주요 문제를 해결합니다.

그 주요 문제는 대량 금속 부품의 시간 소모적인 생산과 수동 조정의 번거로움입니다. SLEDM은 조명 전문가 Pre가 특별히 조정한 LED를 특징으로 하는 고급 LED 빔을 사용하며, LED 빔의 직경을 집중할 수 있도록 하는 복잡한 렌즈 시스템을 준비합니다.

렌즈 시스템은 용융 과정 중 LED 빔의 크기를 0.05mm에서 20mm로 조정할 수 있게 합니다. 조정 가능한 LED 중심은 구조 내에서 그릴 작업을 수행하지 않고도 단위 시간당 더 큰 부피를 용융할 수 있게 합니다. 내부 그릴 작업 구조의 부족은 구성 요소의 생산 시간과 연료 전지 또는 의료 기술 생산 시간을 20배 줄입니다.

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이 과정은 다른 금속 용융 시스템과 달리 부품이 위에서 아래로 조립되며, 부품이 노출되고 필요한 분말 양이 최소화됩니다. 기본적인 후처리는 인쇄 과정 중에 수행될 수 있습니다. 현재, 생체 흡수성 금속 임플란트가 프린터를 사용하여 제작되고 있으며, 예를 들어 마그네슘 합금으로 만들어진 나사를 사용하여 뼈를 치료할 수 있습니다. 이러한 임플란트는 골절이 함께 자라면 몸 안에서 분해되어 나사를 제거하기 위한 추가 수술이 필요하지 않습니다.

SLEDM 덕분에 이러한 임플란트의 생산은 수술실에서 직접 사용할 수 있게 될 것입니다. “LED 빛은 강력한 레이저 소스보다 수술에 덜 위험하다,”라고 Haas는 말합니다.

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이 기술은 다른 금속 용융 공장과 달리 위에서 아래로 부품을 추가하는 새로운 설계된 생산 공장과 결합되어 있습니다. 따라서 부품은 노출되고, 필요한 분말 양이 최소화되며, 필수적인 후처리는 인쇄 과정 중에 완료될 수 있습니다. “현재 방법으로 필요한 시간 소모적인 수동 재작업, 예를 들어 거친 표면을 매끄럽게 하고 지지 구조를 제거하는 것이 더 이상 필요하지 않으며, 이는 더 많은 귀중한 시간을 절약합니다,”라고 Haas는 말합니다.

선택적 LED 기반 용융(SLEDM) – 즉, 고출력 LED 광원으로 금속 분말을 집중적으로 용융하는 새로운 기술의 이름은 TU Graz의 생산 공학 연구소 소장인 Franz Haas가 이끄는 팀이 3D 금속 인쇄를 위한 새로운 기술을 개발하고 현재 특허를 신청했습니다. 이 기술은 선택적 레이저 용융(SLM) 및 전자빔 용융(EBM)과 유사하며, 금속 분말을 레이저 또는 전자빔을 사용하여 용융하고 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 SLEDM은 이러한 분말 침대 기반 제조 공정의 두 가지 주요 문제를 해결합니다: 대량 금속 부품의 시간 소모적인 생산과 수동 후처리의 번거로움.

향후 계획 및 응용 분야

SLEDM 공정의 시연기가 현재 그라츠 의과대학의 K-Project CAMed에서 고려되고 있으며, 여기서는 2019년 10월에 임상 3D 인쇄를 위한 첫 번째 연구소가 개설되었습니다.

다음 초점은 지속 가능한 이동성, 즉 연료 전지용 양극판 또는 배터리 시스템용 부품의 생산에 있습니다. “우리는 SLEDM을 사용한 추가 제조를 전기 이동성을 위해 경제적으로 실행 가능하게 만들고, 이 연구 분야에서 SLEDM을 조기에 자리 잡게 하고 싶습니다,”라고 Haas는 말하며, 다음 개발 단계에서 “TU Graz에서 제작된” 이 3D 금속 프린터의 매력적인 프로토타입을 개발할 것입니다.

SLEDM 공정은 그라츠 공과대학교의 다섯 가지 과학 연구 초점 중 하나인 “이동성과 생산”에서 개발되었습니다.