적층 제조는 재료를 레이어로 증착하여 3D 부품을 만드는 컴퓨터 제어 프로세스 3D 프린팅의 산업 생산 기술명이다. 이 혁신적인 프로세스는 무제한의 설계 자유와 전례 없는 수준의 장치 기능 통합을 제공하며 동시에 에너지와 원자재를 적게 사용하고 낭비를 최소화 하는데 기여한다.
이러한 잠재력에도 불구하고, 적층 공정과 재료는 현재 전체 산업을 유지할 만큼 충분하게 성숙하지 않았다. 부품의 층별 인쇄는 기존 제조 방법을 대체하는데 필요한 속도, 정밀도 및 규모에 도달하지 못했다.
마리퀴리 프로그램(Marie Skłodowska-Curie)의 지원을 받은 PAM^2 프로젝트는 제품 설계 및 모델링에서 제조, 품질 측정 및 최종 검사에 이르기까지 적층 제조 개발의 전체 스펙트럼을 다루어 보다 정확하고 정밀한 작업과 미세조정을 동반한 설계를 가능케 했다.
향상된 디자인 및 모델링 도구
연구진은 레이저를 사용하여 재료를 녹이고 융합하여 3D 물체를 형성하는 적층 제조 기술인 레이저 기반 파우더 베드 융합에 초점을 맞춰 여러 면에서 작용을 촉진했다. 새로 설계된 '핫스팟 감지기'라는 열 모델은 열 집중 영역을 감지하는 데 도움이 되었다. 정상 상태 모델을 사용하여 적층 제조의 제약 조건과 최적화 모델을 통합함으로써 궁극적으로 과열되지 않는 견고한 시스템을 설계했다. 이 모델을 통해 연구원들은 열 흐름을 효율적으로 제어하는 레고(LEGO) 벽돌 및 지지 구조물과 같은 건축 장난감을 위한 틀을 설계할 수 있었다.
열 유체 역학 모델과 집중 요소 모델을 결합함으로써 금속 적층 제조 공정의 시뮬레이션 시간이 크게 단축되어 제품 개발 시간이 단축되었다. 다양한 길이 차원에서 공정을 모델링한 결과, 연구진은 스캐닝 속도가 빨라지면 냉각 속도가 높아지고 입자 크기가 더 미세해져 샘플의 기계적 강도가 향상된다는 사실을 발견했다. 또한 연구팀은 함몰 영역(금속 증발의 반동 압력에 의해 유도된 구멍)의 형태 변화가 레이저 흡수에 어떻게 영향을 미치는지 보여주었다. 그들은 궁극적으로 새로운 축척 모델을 사용하여 잔류 응력 및 변형을 예측했다.
고급 공정 전략 및 계측 기술
통계적 공정 제어 및 2차 회귀의 사용은 금속 부품 매개 변수에 대한 보다 신뢰할 수 있는 예측을 제공하여 3D 프린팅 부품의 설계 단계에 수정 피드백을 제공했다. 레이저 유도 충격파 및 재용융 방법은 금속 표면 품질을 향상시키는데 도움이 되었으며 레이저 절제는 가장자리 정밀도를 향상시켰다.
또한 프로젝트 활동은 공정 중 및 공정 후 검사를 위한 향상된 계측 도구를 개발하는 데 전념했다. 연구원들은 광학 용융 풀 모니터링을 위한 새로운 방법과 치밀한 초점 변화 시스템을 시험하여 공정 중 품질 측정을 수행했다. 연구원들은 또한 금속 3D 프린팅 부품의 후처리를 위한 마이크로 포커스 엑스레이(micro focus x-ray) 컴퓨터 단층 촬영 시스템과 프린지 투사(fringe projection) 프로파일 측정기술을 실험했다.
적층 제조 기술은 빠른 속도로 진화하고 있어서 점점 더 많은 기업이 생산을 적층 제조로 전환하거나 기존 시스템에 추가하고 있다. 새로운 프로세스가 개발되고 생산 등급 재료의 범위가 증가함에 따라 광범위한 기능이 열리게 될 것이다. 프로젝트 코디네이터인 안 위트브라우(Ann Witvrouw)는 “적층 제조는 의료, 자동차, 항공 우주 및 기타 부문에서 사용하기 위한 경량 맞춤형 장치의 설계 및 제조를 단순화하며, 이는 유럽의 감소하는 산업 점유율을 국내 총생산의 20% 이상으로 늘릴 기회를 제공할 수 있다”고 말했다.
