에서 적층 제조 풍경, 다음 중에서 선택 금속 바인더 제팅 대 직접 금속 레이저 소결 는 프로젝트의 성공을 결정하는 효과적인 방법입니다. 가장 좋은 점은 비용 효율성과 생산 효율성입니다. 시간이 지남에 따라 정밀 금속 3D 프린팅 이 점차 발전하고 있으며, 이 두 가지 중추적인 기술을 이해하는 것은 엔지니어, 설계자 및 제조업체가 최적의 금속 적층 제조 솔루션.

두 절차 모두 산업용 3D 프린팅에서 중요한 발전이지만 금속 3D 프린팅 산업에서는 전혀 다른 용도로 사용됩니다. 금속 제트 3D 프린팅과 레이저 파우더 베드 융용(LPBF) 중에서 어려운 선택을 하는 데 도움을 드리기 위해 이 철저한 분석에서는 생산 제조에서 이러한 신속한 프로토타입 제작 기술을 비교합니다.

이 철저한 매뉴얼은 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 및 금속 바인더 제팅의 모든 측면을 다루며, 고유한 요구 사항과 재정적 한계를 충족하는 제조 선택을 하는 데 필요한 지식을 제공합니다.

금속 바인더 제팅 기술의 이해: 고급 파우더 베드 공정

적층 제조에서 금속 바인더 제팅이란 무엇인가요?

금속 바인더 제팅(MBJ)이라는 최첨단 적층 제조 기술은 금속 분말 베드에 액체 결합제를 선택적으로 적용하는 방식입니다. 금속 제트 3D 프린팅이라고도 하는 바인더젯 3D 프린팅 공정은 10년 이상 전의 DMLS(직접 금속 레이저 소결)를 발전시킨 것입니다. 7가지 적층 제조 유형 중 하나인 이 산업용 3D 프린팅 기술은 대규모 제조에 특별한 이점이 있습니다. 바인더 분사 공정에는 바인더와 파우더 기반 물질이라는 두 가지 재료가 사용됩니다. 일반적으로 빌드 재료는 분말 형태이고 바인더는 액체 형태입니다. 이 새로운 방법은 열 융합 대신 화학 결합을 사용하고 중요한 소결 및 디바인딩 절차를 거쳐 융합 기반 기술과는 대조적으로 '친환경 부품'을 생산합니다.

금속 바인더 제팅 공정

1. 파우더 확산: 빌드 플랫폼은 미세한 금속 분말로 고르게 덮여 있습니다.
2. 선택적 바인딩: 액체 바인더는 산업용 잉크젯 헤드를 통해 지정된 영역에 정밀하게 증착됩니다.
3. 레이어 빌딩: 이 과정을 레이어별로 반복하면 복잡한 3차원 구조가 만들어집니다.
4. 녹색 부분 제거: 파우더 베드에서 결합된 성분을 조심스럽게 제거합니다.
5. 디바인딩: 결합제는 열 또는 화학적 방법으로 제거됩니다.
6. 소결: 고온 용광로에서 금속 입자를 조밀하고 유용한 부품으로 융합하는 과정입니다.

금속 바인더 제팅의 주요 이점

대량 생산을 위한 탁월한 생산 속도: 바인더 젯팅은 DMLS보다 10~100배 빠르게 재료를 생산할 수 있기 때문에 대량 생산에서 금속 3D 프린팅에 권장되는 옵션입니다. 기존 레이저 기반 적층 제조로는 불가능했던 대량 맞춤 제작 및 단기 생산 시나리오가 이 신속한 제조 기능으로 가능해졌습니다.

지원 없는 적층 제조: 레이저 파우더 베드 용융(LPBF) 공정과 달리 주변 파우더 베드가 돌출된 피처와 복잡한 형상을 자연스럽게 지지하기 때문에 추가 지지 구조가 필요 없고 재료 낭비가 적습니다. 이러한 이점 덕분에 열 용융 공정에서 발생하는 설계 제한 없이 복잡한 형상을 제조할 수 있습니다.

비용 효율적인 대량 생산: 바인더 제팅은 DMLS와 같은 파우더 베드 융합 기술보다 정확하고 빠르며 비용이 저렴하기 때문에 저비용 금속 3D 프린팅에 가장 적합한 옵션입니다. 이 경제적인 적층 제조 방식은 파우더를 효율적으로 활용하고 후처리가 덜 필요하기 때문에 중간 규모의 제조에 상당한 이점을 제공합니다.

디자인 유연성: 이제 기존 제조의 한계 없이 복잡한 형상, 격자 구조, 복잡한 내부 채널을 구현할 수 있습니다.

소재의 다양성: 구리 합금, 공구강, 스테인리스강 및 특정 용도의 특수 재료와 같은 다양한 금속 분말에 적합합니다.

금속 바인더 분사 밀도 및 성능

공정 최적화를 통해 금속 바인더 분사 시 밀도가 눈에 띄게 향상되는 것으로 나타났습니다. 표준 파우더 분포와 비교했을 때 바이모달 크기 분포는 밀도가 20%, 최종 굴곡 강도는 170%로 통계적으로 유의미한 증가를 보여주었습니다. 올바른 소결 절차와 파라미터 최적화를 통해 10가지 재료가 90% 이상의 상대 밀도에 도달할 수 있음이 입증되었습니다.

연구에 따르면 316L 스테인리스강은 1300°C와 1370°C에서 소결 테스트를 거친 결과 각각 85.0%와 96.4%의 상대 밀도를 기록했습니다. 이러한 결과는 정교한 가공 방법을 통해 더욱 향상될 수 있으며, 바이모달 파우더로 인쇄 및 소결된 부품의 HIP는 최대 밀도 97.32%를 기록했습니다.

직접 금속 레이저 소결(DMLS) 이해: 고급 레이저 파우더 베드 융합

금속 적층 제조에서 DMLS란 무엇인가요?

강력한 파이버 레이저를 사용합니다, 직접 금속 레이저 소결 (DMLS)는 금속 분말 입자를 녹는점에 가까운 온도에서 선택적으로 융합합니다. ASTM 표준 용어인 파우더 베드 퓨전(PBF)은 직접 금속 레이저 소결(DMLS)의 다른 이름입니다. 고성능 및 정밀 제조 분야에 가장 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 기술 중 하나는 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF)입니다. 적층 제조, 3D 프린팅 또는 신속한 프로토타이핑 고출력 고밀도 레이저를 사용하여 금속 분말을 녹이고 융합하는 방식입니다.

DMLS 프로세스 워크플로:

1. CAD 준비: 디지털 모델을 잘라 구조물을 만드는 데 사용합니다.
2. 파우더 적용: 정밀하게 분산된 얇은 금속 분말 층
3. 레이저 스캐닝: 파이버 레이저는 단면 형상을 사용하여 분말을 선택적으로 소결합니다.
4. 플랫폼 낮추기: 나중에 레이어를 위한 공간을 확보하기 위해 플랫폼을 낮게 구성합니다.
5. 레이어 반복: 이 절차는 부품이 완전히 형성될 때까지 계속 진행됩니다.
6. 제거 및 냉각: 냉각을 제어하면 뒤틀림과 열 스트레스를 방지할 수 있습니다.
7. 처리 후: 표면 마감, 지지대 제거 및 가능한 열처리

직접 금속 레이저 소결의 주요 이점

중요한 용도를 위한 우수한 기계적 특성: DMLS로 가공된 부품은 일반적으로 고밀도(약 95%)와 우수한 기계적 특성을 지니고 있어 정밀 엔지니어링, 의료 기기 제조 및 항공 우주 제조에 적합한 고강도 금속 3D 프린팅 방법입니다. 최대 99.5%의 고체 금속 밀도를 가진 DMLS는 단조 소재와 유사한 기계적 특성을 가진 부품을 제작합니다.

뛰어난 치수 정확도와 표면 품질: 레이저 소결 부품은 표면 마감과 치수 공차가 뛰어나 후처리가 거의 필요하지 않은 정밀 제조 분야에 이상적입니다.

고급 머티리얼 퍼포먼스: DMLS는 레이저 빔에 의해 부분적으로 용융된 분말 입자를 사용하여 고성능 합금을 가공합니다. 알루미늄(AlSi10Mg) 및 티타늄(Ti6Al4V) 합금은 생의학 응용 분야 및 최고 수준의 소재가 요구되는 기타 중요한 제조 상황에서 DMLS의 놀라운 가능성을 보여주었습니다.

구조적 무결성 및 머티리얼 속성: 직접 금속 레이저 소결 부품은 주조 금속 부품보다 더 강하고 밀도가 높으며 정밀하게 제작됩니다. 이 파우더 베드 용융 기술은 뛰어난 층 접착력과 미세 구조 제어를 통해 하중을 견디는 용도에 필요한 등방성 재료 특성을 구현합니다.

정확한 제작: 복잡한 엔지니어링 애플리케이션에 적합하며 미세한 피처 해상도와 엄격한 허용 오차를 달성합니다.

DMLS 성능 특성

연구에 따르면 SLM/DMLS는 까다로운 재료로 고밀도 금속 부품을 만들 수 있지만, 가공 중에 추가되는 상당한 잔류 응력으로 인해 어려움을 겪는 경우가 많습니다. 향후 RP 응용 분야에 활용할 수 있는 3D 몰드 인서트를 제작하기 위해 후처리 방법, 바인더 및 기계적 힘을 사용하는 대신 DMLS 작업을 선택할 수 있습니다.

금속 바인더 제팅과 직접 금속 레이저 소결: 상세 비교

제조 속도 및 생산 처리량 비교

대규모 생산을 위한 금속 바인더 제팅 속도의 이점:

• 레이저 기반 방식보다 10배 빠른 빌드 속도
• 여러 개의 잉크젯 헤드를 사용하여 배치 제조 및 부품 생산이 가능합니다.
• 열 융합 공정의 일반적인 냉각 시간은 무열 작동으로 제거됩니다.
• 지원이 필요 없는 제조 기능으로 설정 시간 단축
• 연속 분말 분산 열을 기다리는 시간 없이
• 탁월한 처리량 최적화를 통한 대량 생산 실행

정확한 제조를 위한 DMLS 속도 계수:

• 레이저 파우더 베드 융합에서 순차 레이저 스캐닝은 총 제작 속도를 제한합니다.
• 열처리에서는 레이어 사이의 냉각 시간이 필요합니다.
• 지지 구조를 만들면 처리 시간이 길어지고 더 많은 재료가 사용됩니다.
• 정밀도 요구 사항이 높을 때는 품질 보증을 위해 스캔 시간이 더 길어야 합니다.
• 중요한 애플리케이션의 처리량 최적화는 에너지 밀도 요구 사항에 따라 제한됩니다.

부품 밀도 및 기계적 특성 분석

금속 적층 제조 공정에 대한 종합적인 성능 비교:

¹ 85.0% 및 96.4%에서 고급 처리 시 97.32%로 밀도가 증가했다는 연구 결과 기준. ² 우수한 기계적 특성을 가진 약 95% 밀도를 나타내는 연구 결과 기준

금속 3D 프린팅 ROI를 위한 경제 분석 프레임워크

생산 제조를 위한 금속 바인더 제팅 비용 이점:

• 레이저 시스템보다 저렴한 장비 구매 비용
• 인쇄 시 에너지 사용량 감소
• 최소한의 지원 재료 요구 사항으로 재료 낭비 감소
• 배치 제조에서 파우더의 유효 사용률(>95%)
• 경제적인 생산을 위한 간소화된 후처리 절차
• 중대형 제조업에서 규모의 경제가 가져다주는 이점

정밀 애플리케이션을 위한 DMLS 비용 고려 사항:

• 레이저 시스템은 초기 장비 투자 비용이 많이 듭니다.
• 강력한 레이저 작업으로 인한 에너지 사용량 증가
• 제거 작업 및 재료비에 대한 지원 구조
• 불활성 대기(아르곤/질소 가스)에 대한 특정 요구 사항
• 열처리와 같은 확장된 후처리 기술
• 중요한 애플리케이션 및 인증 사양에 대한 품질 관리 비용

소재 호환성 및 고급 합금 가공

산업용 바인더 분사 재료 포트폴리오: 분말 야금 응용 분야에서 90% 이상의 상대 밀도를 달성하는 것으로 나타난 10가지 재료는 연구를 통해 성공적으로 가공된 많은 재료 중 하나입니다.

스테인리스강(316L, 17-4PH, 420)을 사용하여 내식성이 요구되는 애플리케이션

• 금형 제조 및 툴링용 공구강(H13, D2, M2)
• 전기 및 열 제어에서 구리 및 구리 합금의 응용 분야
• 장식적이고 실용적인 요소를 위해 황동과 청동으로 만든 구성품
• 전자기장에서 사용하기 위한 특정 자성 재료

고성능 용도를 위한 DMLS의 고급 재료 기능: DMLS 인쇄는 광범위한 금속과 금속 합금을 처리할 수 있어 생물의학 및 항공우주 등급의 제조 분야에 적용할 수 있습니다.

• Ti-6Al-4V 그리고 Ti-6Al-7Nb 티타늄 합금 경량 구조 요소용
• 알루미늄 합금 자동차 및 항공기용(AlSi10Mg, AlSi7Mg)
• 초합금 기반 니켈(인코넬 718, 625) 고온에서 사용
• 코발트-크롬 합금 내마모성 부품 및 생체 의학 임플란트용
• 강수량으로 강화된 재료 그리고 결혼하는 강철 툴링 애플리케이션

전략적 응용 분야 선택: 각 금속 3D 프린팅 공정을 선택해야 하는 시기

생산 제조를 위해 금속 바인더 제팅을 선택하는 경우

비용 효율적인 적층 제조를 위한 최적의 애플리케이션:

• 엔진 부품, 변속기 하우징, 열 관리 시스템 등이 자동차 부품의 예입니다.
• 산업용 툴링: 적당히 강력한 맞춤형 픽스처, 지그 및 생산 보조 장치
• 소비재: 기능적 프로토타입, 장식 요소 및 하드웨어 구성 요소
• 대량 생산: 배치 효율이 높은 중간 규모의 제조 실행(100~10,000개)
• 비용 프로젝트에 민감합니다: 최적의 성능보다 경제성을 우선시하는 애플리케이션

제조업체가 중요하지 않은 부품과 신속한 프로토타입 제작을 위해 속도 성능과 설계의 자유로움 때문에 바인더 제팅을 선택하는 항공우주 분야에서는 이 기술이 특히 효과적입니다.

중요한 응용 분야에서 직접 금속 레이저 소결을 선택해야 하는 경우

고성능 금속 적층 제조를 위한 이상적인 사용 사례:

• 항공우주 애플리케이션: 항공우주 인증이 필요한 구조 요소, 터빈 부품 및 중요한 비행 부품
• 의료 기기 환자별 기기, 수술 도구, 생체 적합성 임플란트 등이 포함됩니다.
• 정밀한 엔지니어링: 우수한 표면 품질과 치수 정확도가 필요한 고공차 부품

최고의 기계적 특성과 신뢰성 표준이 요구되는 애플리케이션은 성능이 중요한 구성 요소의 예입니다.

프로토타입 개발: 최종 사용 재료 특성의 기능 테스트를 통한 설계 검증

재료 인증 요건에 따라 추적 가능한 재료 특성이 필요하고 부품 고장이 용납되지 않는 미션 크리티컬 애플리케이션의 경우 DMLS는 탁월한 성능을 발휘합니다.

인더스트리 4.0 통합 및 디지털 제조 역량

최신 생산을 위한 스마트 제조 통합

DMLS와 금속 바인더 분사 절차는 모두 인더스트리 4.0 프로젝트와 쉽게 맞물려 기존 생산 워크플로우를 혁신하는 디지털 제조 기능을 제공합니다:

디지털 트윈 기술: 센서 통합과 머신러닝 알고리즘을 통해 품질 최적화와 프로세스 제어가 가능하며 실시간 모니터링과 예측 분석을 지원합니다.

공급망 최적화: 온디맨드 제조 기능을 통한 대량 맞춤화 및 분산 생산 전략은 재고 요구 사항을 줄이고 글로벌 공급망이 새로운 제품 및 서비스 세트에 액세스할 수 있도록 합니다. 

추적성 및 품질 보증: 의료 기기 인증 및 항공 우주 인증 요구 사항을 지원하는 고급 공정 모니터링을 통해 파우더 로트부터 최종 검사까지 생산된 부품의 추적성을 완벽하게 파악할 수 있습니다. 

품질 고려 사항 및 후처리 작업

금속 바인더 제팅 품질 최적화 전략

고급 소결 최적화: 1485°C에서 5~30분간(압력 1.83MPa) 부품을 소결하여 이론에 가까운 14.1~14.2g/cm 3의 밀도를 달성할 수 있었습니다. 적절한 온도, 대기 및 냉각 속도는 완성된 부품의 특성과 치수 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 

입자 크기 분포 밀도 최적화: 멀티모달(바이모달 또는 트라이모달) 믹스는 믹스 구성 요소보다 더 조밀하게 포장하며, 최적의 혼합 비율은 역학을 개선하기 위한 최적의 믹스 포장 밀도를 보여줍니다. 

보조 처리 방법: 더 나은 성능이 필요한 일부 엔지니어링 사양의 경우 청동 또는 폴리머 유형의 물질을 사용하여 침투 작업을 하면 밀도 및 강도 특성이 향상됩니다. 

표면 마감 프로세스: 코팅, 화학적 및 기계적 마감 공정은 부품의 작동 요소와 표면의 내식성을 향상시킵니다. 

DMLS 고급 품질 보증 프로토콜

실시간 프로세스 제어: L-PBF 적층 제조에서 센서 융합은 머신러닝을 통해 제조 중 결함을 현장에서 실시간으로 감지하여 공정 품질 관리를 크게 개선하고 동일한 품질에 도달하기 위해 사용해야 하는 X선 컴퓨터 단층 촬영(XCT)과 같은 비파괴 검사 도구의 양을 줄일 수 있습니다. 

열처리 최적화: 열처리 후 적용되는 열 공정은 미세 구조를 최적화하고 고속 냉각에 의해 유발되는 형태 유도 응력을 제거하여 치수 안정성과 균일한 재료 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다. 

적층 가공의 이점을 유지하면서 중요한 표면의 적층 마감과 중요 마감에서도 기존 CNC를 사용한 고정밀 가공이 가능하며, 이는 DMLS와 기존 CNC 가공을 결합하여 달성할 수 있습니다. 이를 통합이라고 합니다. 하이브리드 제조. 

기술 발전과 향후 고려 사항

새로운 바인더 화학: 새로운 바인더 에이전트는 재료 호환성을 높이고 디바인딩 시간을 줄이며 더 강력한 친환경 부품을 만들고 있습니다. 

멀티 머티리얼 기능: 한 번에 두 개 이상의 금속 분말을 처리하면 부품과 그라데이션 재료의 기능적 통합을 결합할 수 있습니다. 

프로세스 자동화: 부품의 자동 처리, 후처리 복잡성 제거, 부품 제거 자동화, 통합 분말 처리 기능을 통해 노동력을 절감하고 높은 수준의 일관성을 달성할 수 있습니다. DMLS 기술의 발전. 레이저 시스템: 멀티 레이저 시스템, 높은 출력 밀도, 더 높은 빔 품질을 사용하여 레이저 시스템을 개선하면 정확도 저하 없이 처리량을 늘릴 수 있습니다. 

파우더 개발: 입자 특성을 개선하고 새로운 합금 조합을 개발하여 처리 신뢰성과 적용 가능성을 높였습니다. 

프로세스 모니터링: 최신 감지 기술을 통해 실시간으로 프로세스의 품질 관리 및 예측 유지보수가 가능합니다. 

올바른 선택하기: 의사 결정 프레임워크

기술 요구 사항 평가

강점 및 성능 우선 순위:

• 기계적 측면을 최대한 활용하고 구조적 무결성을 유지하려면 DMLS를 선택하세요. 
• 강도 요구 사항이 적당하고 비용 이점이 필요한 경우 바인더 분사를 사용합니다.

기하학적 복잡성 평가: 

• 바인더 분사 기능은 내부 형상이 복잡하고 지지 구조의 제약이 없는 영역에서도 탁월한 성능을 발휘합니다. 
• DMLS는 주요 차원 요구 사항 측면에서 뛰어난 가치를 지니고 있습니다. 

볼륨 및 타임라인 요소: 

바인더 분사 방식은 대량 생산이 가능할 때 더 효율적입니다. DMLS는 소량 고정밀 애플리케이션에 유리한 기능을 제공합니다. 

경제 분석 방법론: 총 소유 비용 계산

장비에 대한 투자: 기계/시설 요구 사항의 초기 비용 

재료비: 파우더 비용, 사용된 바인더 및 폐기물 비용 

처리 시간: 인건비 및 처리량 

유지보수 비용에는 서비스 계약 비용과 소모품 교체 비용이 포함됩니다. 

업계 적용 사례 및 사례 연구

항공우주 산업 구현

특히 두 공정이 잠재적으로 중요한 방식으로 사용되는 항공우주 분야에서는 오늘날 대부분의 연구자와 기업이 SLM(선택적 레이저 용융)과 DMLS(직접 금속 레이저 소결)를 거의 동의어에 가까운 기술로 인식하고 있습니다.

제조 분야의 확장성

연구에서 입증된 바와 같이 DMLS는 정밀 용도가 계속 발전하고 있으며, 현재 연구에서는 바인더 제팅에 사용되는 합금의 밀도, 질감, 표면 특성 및 미세 구조가 연속적인 분말 및 바인더 품질, 공정 변수 및 소결 방법에 의해 어떻게 영향을 받는지 다루고 있습니다. 

두 기술에 대한 전문 가이드 및 모범 사례 최적화 전략

적층 제조를 위한 디자인(DfAM): 컴포넌트 디자인에서 두 기술의 고유한 특성을 활용하세요. 지오메트리를 지능적으로 최적화하여 후처리를 최소화합니다. 방향과 사용된 소재의 속성이 미치는 영향을 고려합니다. 

품질 보증 가이드북: 필수 애플리케이션에 대한 심층적인 테스트 체계를 개발하세요. 프로세스를 문서화하고 자료를 추적합니다. 최종 용도별 요구 사항에 따라 승인 요건을 설정합니다. 

결론 전략적 제조 결정

금속 바인더 젯팅과 직접 금속 레이저 소결을 비교할 때 응용 분야의 중요성, 생산량, 비용 제한 및 응용 분야의 성능 요구 사항으로 인해 응용 분야를 신중하게 고려해야 하는 요소입니다. 연구 결과에 따르면 금속 바인더 제팅은 최적의 공정 조건에서 90% 이상의 상대 밀도로 경제적인 대량 생산에 뚜렷한 이점이 있는 반면, DMLS는 고밀도(약 95%)와 우수한 기계적 특성으로 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 금속 3D 프린팅 및 파우더 베드 융합과 관련된 이러한 적층 제조 기술에 대한 통찰력을 갖춘 제조업체는 오늘날 대부분의 산업용 3D 프린팅 솔루션의 특징인 대량 맞춤화, 생산 제조 및 신속한 프로토타이핑 서비스를 실현할 수 있습니다. 

이를 통해 금속 제트 3D 프린팅 및 레이저 파우더 베드 융합 기술에 대한 심층적인 지식을 바탕으로 고객이 이상적인 제조 솔루션을 달성하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 전문적으로 훈련된 엔지니어링 팀은 각 프로젝트의 특정 요구 사항을 평가하고 생산 목표와 품질 요구 사항을 달성하기 위한 가장 유망한 적층 제조 접근 방식을 제시합니다. 가장 낮은 비용으로 최종 결과를 달성하고자 하는 산업 부품이나 최대 성능을 발휘해야 하는 항공 우주 부품 등, 고객이 선택한 기술은 프로젝트의 성공에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 각 프로세스의 기본적인 차이점, 강점, 약점을 파악하면 기술적 성능과 경제성을 극대화하기 위해 더 나은 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다. 

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참조

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