[첨단 헬로티]
이와오 쇼타 (岩尾 翔太), 타나카 류조 (田中 隆三), 미도리카와 테츠시 (綠川 哲史) ㈜松浦기계제작소
1. 서론
금속 3D 프린터는 3차원 모델을 사용해 금속분말을 레이저나 전자빔 등의 열원에 의해 용융·응고시킴으로써 적층해 가는 Additive Manufacturing(AM : 부가제조법) 기술을 이용한 장치이다.
AM 기술을 사용한 제조 기술이 국제적으로 각종 산업으로 확대되고 있으며, 부품의 복잡 형상에 대한 적응이나 일체화에 의해 고기능화, 가공 리드타임 단축에 기여하고 있다. 적층 방식은 ASTM International에 의해 7종류로 분류되어 있으며, 용도에 따라 구분해서 사용되고 있다.
이 글에서는 Powder Bed Fusion(PBF : 분말 바닥 용융결합) 방식을 이용한 적층조형과 고속 절삭가공을 동일한 장치의 일련의 프로세스로 실현하는 하이브리드 금속 3D 프린터(그림 1)에 대해 소개하고, 복합가공의 우위성에 대해 설명한다.
2. 하이브리드 금속 3D 프린터란
PBF 방식의 적층조형에서는 조형 테이블에 고정된 플레이트 상에 금속분말을 얇게 깔고, 레이저를 조사해 용융․응고시키는 공정을 반복해 적층을 한다. 조형물의 면조도는 조형 기술의 향상에 의해 개선되고 있는데, 조형물 표층에서 용융이 불완전함으로써 생기는 잉여 조형부의 영향 등으로 Rz 20μm 정도가 된다.
하이브리드 금속 3D 프린터의 가공 방식을 그림 2에 나타냈다. PBF 방식에 의해 일정한 높이까지 조형한 단계에서 조형물의 윤곽을 절사가공한다. 이 조형과 절삭의 공정을 반복해 적층해 감으로써 표면이 절삭 다듬질된 조형물을 제작하는 것이 가능해진다.
이 방식에 의해 조형물의 면조도 향상과 기존의 절삭가공으로는 곤란했던 깊은 리브 가공을 실현한다. 또한 닫힌 구조물의 내면 절삭가공도 가능해진다.
3. 복합가공의 절삭 기술
(1) 단차가공의 면조도 향상
조형과 절삭을 일련의 프로세스로 하는 경우, 특히 조형물의 세로벽면 부분에서는 절삭 후의 조형에서 프로세스 간의 영역에 단차가 생긴다. 그림 3에 나타냈듯이 절삭 후의 새로운 적층조형의 영향에 의해 절삭 영역 상측이 열수축해 단차가 발생한다. 그렇기 때문에 절삭면에서도 Rz 10μm를 넘는 면조가 되어 버린다.
절삭면의 면조도 향상을 위해 단차가공이라고 부르는 절삭 방법에 의해 개선을 하고 있다. 그림 4에 나타냈듯이 조형에 의한 열수축을 예상한 다듬질값을 남기고 절삭, 상층의 조형에 의한 열영향을 받지 않았던 단계에서 다듬질가공을 한다.
다듬질가공에 사용하는 날붙이는 다듬질값 분의 릴리프값을 갖는 형상으로 하고 있다. 단차가공을 함으로써 양호한 표면조도를 얻을 수 있고, 하이브리드 금속 3D 프린터로서 실용 가능하게 됐다.
이 복합가공에 의해 3차원 수관이나 포러스 조형 등의 AM 기술의 특징을 활용한 커넥터 부품의 사출성형용 금형을 제작했다(그림 5). 복합가공에 의한 금형 부품의 일체화에 의해 가공 리드타임 절감(기존 공법의 38% 절감)과 3차원 수관에 의한 냉각 효과에 의해 사출성형의 사이클 타임 절감(기존 금형의 33% 절감)을 달성했다.
또한 단차가공을 함으로써 조형물의 면조도를 Rz 3.2μm 정도까지 개선할 수 있고, 후가공의 방전가공이나 연마를 하지 않고 사출성형을 하는 것이 가능했다.
(2) 조형물의 상면 절삭 가능
PBF 방식의 적층조형에서 금속분말을 얇고 균일하게 까는 기술이 중요하다. 그러나 조형 형상이나 상태에 따라서는 금속분말을 깔기 위한 블레이드와 간섭, 적층하는 금속분말 두께의 변화나 조형 불량이 발생할 가능성이 있다.
특히 언더 형상을 갖는 조형물의 경우에는 언더 형상부의 에지 부분이 부풀어오르기 쉽고, 블레이드와 간섭해 조형을 계속할 수 없게 되는 경우가 있다. 하이브리드 금속 3D 프린터는 절삭 기능의 특징을 살려 조형 불량을 회피하는 것이 가능하다.
금속분말을 깔 때의 블레이드 이동축에서 구동부하 토크를 모니터링함으로써 블레이드와 조형물이 간섭했을 때의 부하값을 감지, 조형 에어리어 내 조형물의 부풀어오르는 부분을 절삭․제거함으로써 조형을 안정적으로 계속하는 것을 가능하게 했다.
또한 미세한 핀 형상 등 조형의 부풀어오르는 부분과 블레이드가 간섭함으로써 조형물이 쓰러져 버릴 가능성이 있는 경우에는 적극적으로 절삭 공정을 포함시킴으로써 블레이드와의 간섭을 미연에 방지할 수 있다.
4. 맺음말
PBF 방식에 의한 적층조형과 고정도 절삭가공을 동일한 장치의 일련의 프로세스로 실현하는 하이브리드 금속 3D 프린터에서 절삭가공 기술이 가져오는 효과에 초점을 맞춰, 적층조형과 절삭을 동일한 기계에 실장하는 것의 우위성에 대해 설명한다.
복합가공이 가능함으로써 부품 등의 5축 머시닝 가공에 의한 후가공이 필요한 경우에도 조형물에 기준면을 설정함으로써 가공물의 심내기와 위치결정이 용이해지는 장점을 낼 수 있다. 앞으로도 복합가공이 아니고는 할 수 없는 가공 방법을 제안해 차별화를 도모해 갈 것이다.
