후처리 장비는 선택 사항이 아니라 필수적입니다. 구조적 무결성이 요구되는 적층 제조(AM) 응용 분야의 경우 그렇습니다. 3D 프린팅은 형상을 생성하지만, 열처리로와 열간 등압 성형(HIP) 용기와 같은 장비는 재료 특성을 최종화하는 데 필요합니다. 특히, 프린팅 공정의 빠른 응고 과정에서 자연스럽게 발생하는 잔류 응력과 내부 미세 기공을 제거하는 데 필요합니다.
핵심 통찰 적층 제조는 "준최종 형상(near-net shape)"의 부품을 생산하지만, 프린팅 공정의 격렬한 열 이력으로 인해 종종 "최종 특성(net properties)"을 갖지 못합니다. 후처리 장비는 이러한 격차를 해소하여 잠재적 결함이 있는 인쇄된 물체를 단조 금속과 유사한 밀도가 높고 등방성이며 피로 저항성이 있는 구성 요소로 변환합니다.
문제의 근본 원인: 프린팅만으로는 충분하지 않은 이유
이 장비의 필요성을 이해하려면 부품의 레이어별 구성 중에 도입되는 미세 결함을 이해해야 합니다.
빠른 응고의 결과
금속 AM은 분말을 녹이고 거의 즉시 냉각하는 과정을 포함합니다. 이러한 빠른 응고는 상당한 잔류 열 응력을 고정시킵니다.
개입 없이는 이러한 내부 장력이 부품의 뒤틀림이나 변형을 유발할 수 있습니다. 더 중요하게는, 재료가 한 방향보다 다른 방향에서 더 강한 이방성을 생성하는데, 이는 고성능 엔지니어링에는 용납될 수 없습니다.
미세 기공의 지속
프린팅 기술의 발전에도 불구하고 용융 풀은 변동될 수 있습니다. 이는 내부 미세 기공, 융합 부족(LOF) 결함 및 미세 균열로 이어집니다.
이러한 공극은 응력 집중점으로 작용합니다. 주기적 하중 하에서 균열은 이러한 기공에서 시작되어 조기 파손으로 이어집니다. 육안으로는 이러한 내부 결함을 검사하거나 수정할 수 없습니다. 압력 기반 개입이 필요합니다.
장비가 문제를 해결하는 방법
다양한 유형의 장비가 특정 야금학적 결함을 해결합니다.
열처리로: 미세 구조 복원
진공 열처리로는 첫 번째 방어선입니다. 재료를 이완시키기 위해 제어된 열 사이클을 부품에 적용합니다.
여기서 주요 목표는 프린팅 중에 축적된 잔류 응력을 완화하는 것입니다. 또한 열처리는 재료의 결정립 구조를 조정하여 금속이 예측 가능하게 거동하도록 야금학적 미세 구조를 최적화합니다.
열간 등압 성형(HIP): 밀도 극대화
비행 하드웨어 또는 의료 임플란트와 같은 중요 응용 분야의 경우 열만으로는 종종 충분하지 않습니다. 이것이 바로 열간 등압 성형(HIP) 용기가 필수적인 이유입니다.
HIP는 고온과 고압(불활성 가스 사용)을 동시에 모든 방향에서 적용합니다. 이 공정은 재료가 소성 변형 및 확산 결합을 거치도록 합니다.
내부 결함 치유
열과 압력의 조합은 내부 공극을 효과적으로 닫고 내부 균열을 "치유"합니다.
이러한 결함을 제거함으로써 HIP는 부품이 거의 100% 밀도에 도달하도록 합니다. 이 단계는 피로 저항을 크게 향상시켜 구성 요소가 파손 없이 반복적인 응력 사이클을 견딜 수 있도록 합니다.
절충안 이해
후처리는 성능에 중요하지만, 계획해야 하는 새로운 제약 조건을 도입합니다.
치수 변화
HIP는 공극을 붕괴시켜 기공을 제거하므로 부품이 물리적으로 수축합니다. 치수 정확도를 유지하려면 초기 CAD 설계에서 이러한 밀도 향상을 고려해야 합니다.
사이클 시간 및 비용 증가
이러한 공정은 프린팅 단계와 별개입니다. HIP 사이클 또는 진공 열처리를 추가하면 부품당 비용이 크게 증가하고 리드 타임이 연장됩니다. 이는 "인쇄 및 사용" 모델에서 복잡한 제조 체인으로 경제성을 변화시킵니다.
표면 복잡성
로(furnace)는 내부 구조를 수정하지만 표면 거칠기를 본질적으로 수정하지는 않습니다. 예를 들어 격자 구조는 열처리 후에도 "계단 현상" 또는 녹지 않은 분말 부착을 나타낼 수 있습니다. 얇은 스트럿에서 균열을 시작할 수 있는 표면 결함을 제거하기 위해 화학적 또는 전기화학적 연마와 같은 추가 단계가 종종 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
모든 부품에 모든 장비가 필요한 것은 아닙니다. 선택은 최종 응용 분야의 기계적 요구 사항에 따라 달라집니다.
- 주요 초점이 피로 저항(항공 우주/의료)인 경우: 내부 기공을 제거하고 중요 안전 표준에 필요한 밀도를 달성하기 위해 열간 등압 성형(HIP)을 사용해야 합니다.
- 주요 초점이 치수 안정성인 경우: HIP를 통한 완전한 밀도 향상이 필요하지 않더라도 잔류 응력을 완화하고 뒤틀림을 방지하기 위해 진공 열처리를 우선시해야 합니다.
- 주요 초점이 복잡한 격자 구조인 경우: 열 응력을 수정하기 위한 열처리와 얇은 스트럿에서 균열을 시작할 수 있는 표면 결함을 제거하기 위한 화학적 연마의 조합이 필요합니다.
궁극적으로 부품을 인쇄하는 것은 싸움의 절반에 불과합니다. 올바른 후처리 장비는 인쇄한 것이 실제로 성능을 발휘할 수 있도록 보장합니다.
요약 표:
| 장비 유형 | 주요 기능 | 주요 이점 | 대상 응용 분야 |
|---|---|---|---|
| 진공 열처리 | 응력 완화 및 미세 구조 조정 | 뒤틀림 및 이방성 제거 | 일반 엔지니어링 및 구조 부품 |
| 열간 등압 성형(HIP) | 고압 밀도 향상 | 내부 기공/균열 치유; 100% 밀도 | 항공 우주, 의료 임플란트, 방위 산업 |
| 등압 프레스 | 소성 변형 및 확산 결합 | 피로 수명 및 재료 강도 극대화 | 배터리 연구 및 고성능 합금 |
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참고문헌
- Tanja Emilie Henriksen, Aleksander Pedersen. Computer-Aided Optimisation in Additive Manufacturing Processes: A State of the Art Survey. DOI: 10.3390/jmmp8020076
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