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[기술특집]기준면 가공 기능 탑재의 금속 3D 프린터 'LPM325'의 최신 기술

입력 : 2019.08.20 15:45

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[첨단 헬로티]


오카자키 슈지 (岡崎 秀二), 사와자키 타카시 (澤崎 隆)   ㈜소딕


1. 서론


동사는 2014년에 금속 3D 프린터 ‘OPM250L’, 2016년에 ‘OPM350L’을 발표해 판매해왔다. 이들 머신은 Powder Bed Fusion이라고 불리는 방식을 채용하고 있다. 테이블 상면에 금속분말을 균일하게 깔고, 고출력의 Yb 레이저를 조사해 용융 응고시킨다.


소결 후 테이블이 0.05mm 정도 내려가고 분말을 깔아 다시 레이저 조사, 소결이 이루어진다. 10층(임의) 소결 후 기내 탑재의 고속 밀링 기능에 의해 소결 측면을 절삭가공하고, 다시 레이저 소결로 되돌아가 적층과 절삭을 반복함으로써 고정도, 고품위의 조형물이 완성된다.

 


이 글에서는 고속 밀링 대신에 기준면 가공 기능만을 탑재한 ‘LPM325’의 최신 기술에 대해 소개한다.


2. LPM325의 특징


LPM325의 주된 사양와 외관(그림 1)을 이하에 나타냈다.
․최대 조형물 치수 : 250×250×250mm
․최대 적재 질량 : 120kg
․레이저 출력 : 500W
․기계 치수 : 1,630×2,530×2,020mm


LPM325는 금속 3차원 조형과 2차가공용 기준면만을 가공하는 기능으로 한정함으로써 가격을 대폭으로 억제하고 있으며, 아래의 특징을 갖는다.


(1) 기준면 가공장치 탑재
LPM325는 조형물의 2차가공을 전제로 개발한 기계이다. OPM기와 같이 조형 도중에 윤곽가공을 하는 것이 아니라 어디까지나 2차가공용 기준면 가공으로 한정하고 있는데, 조형물과 기준면의 위치 관계는 확보할 수 있으며, 2차가공으로 금형이나 부품을 효율 좋게 고정도로 다듬질하는 것이 가능해진다.


(2) 기전 주변기기 일체 구조의 공간 절감 설계
콤팩트한 기준면 가공장치를 탑재함으로써 내부 구조의 집약이 가능해지고, 기전 주변기기가 일체 구조의 공간 절감을 실현한다. 그렇기 때문에 기계 설치 기간 단축과 간략화가 가능해져 기계 이동도 용이해진다.


(3) 조형 속도 대폭 향상
조형 실내의 용적을 대폭 축소하는 것에 성공, 또한 흄 회수 방법을 최적화함으로써 대형 조형이라도 고품질을 유지한 채로 그 조형 속도 향상을 실현했다.


(4) 조형 실내의 분말처리 작업 개선
분말 흡인장치를 표준 탑재함으로써 조형 후의 분말처리 작업을 개선했다. 또한 문을 열지 않아도 분말처리를 할 수 있게 글로브 도어 사양이 대응 가능하다(옵션).


(5) 두 종류의 분말 자동 공급장치 대응 (옵션)
작업자에게 친화적인 분말 자동 공급장치(MSU)와 분말 자동 공급 자동 배출장치(MRS)의 두 종류를 용도에 맞춰 선택할 수 있게 했다.


3. 레이저 전용기와 절삭 기능․기준면 가공의 차이


레이저 전용기와 절삭 기능의 복합가공기 OPM기 및 기준면 가공장치 탑재 LPM325의 차이에 대해 예를 들어 설명한다.
최종적으로 작업하고 싶은 형상이 그림 2 왼쪽 아래에 나타낸 파이프 부품인 경우, 레이저 전용기로 조형하면 2차가공할 때의 절삭 기준면(수평, 수직)이 없기 때문에 XYZ의 치수 기준을 취할 수 없다.


그렇기 때문에 평면이 나오기 쉬운 면형상의 서포트를 붙이게 되는데, 기준은 조형면에서 측정할 수밖에 없어 파이프 심이 어긋나거나 직각도, 치수 정도를 정확하게 내기 어렵다.

 


이것에 대해 그림 3은 OPM기를 사용해 복합가공한 조형 직후의 상태이다. 2차가공을 고려해 서포트를 붙여 조형하고 있으며, OPM기의 경우에는 기기 상에서 가급적 다듬질해 둘 수 있어 2차가공의 부담을 최소한으로 억제할 수 있다.


참고로 조형기별 조형 상태를 표에, 또한 OPM기로 조형과 기기 상 절삭을 한 후, 서포트부에 실시한 기준면을 사용해 어떻게 2차가공하는지의 공정을 그림 2에 나타냈다.

 


LPM325로 제작하는 경우는 어디까지나 기준면 가공만으로, 원 형상의 가공은 2차가공이 된다. 또한 기본적으로 조형면 천정 부근의 가공만으로, 베이스 플레이트 부근의 면은 조형 도중에 간섭을 확인하면서 하는 가공이 되어 다른 공정이 증가하게 되는데, 최종적으로는 소정의 치수 정도로 다듬질하는 것이 가능하다.

 


4. 금형 부품의 비교 사례


금속 3D 프린터로 적층조형된 사출성형용 금형은 내부의 3차원 수관을 최적으로 배치함으로써 성형품의 품질이나 성형 시 냉각 시간의 대폭 단축에 기여하는 것은 여러 문헌에서 소개되어 있다. 여기에서는 그림 4에 나타낸 EV 커넥터의 금형 부품을 예로 들어, 레이저 전용기와 OPM기 및 LPM325로 비교하기로 한다.


레이저 전용기의 경우, 기준면이 없기 때문에 내부 수관과 금형의 위치 관계를 정확하게 내는 것이 어렵고, 냉각수관 누설 방지를 위해 절삭값을 많이 취해 조형면과 수관의 거리에 여유를 둘 필요가 있다. 그렇기 때문에 조형 시간이나 2차가공 시간이 증가할 뿐만 아니라, 성형품의 품질이나 성형 시의 냉각 시간 단축의 효과가 손상되는 것은 걱정된다.


이것에 대해 OPM기로 조형한 경우는 무인으로 최종 형상까지 정도 좋게 다듬질할 수 있고, 수관의 위치도 극한까지 밀어 넣어 최적의 금형을 구성할 수 있다. LPM325의 경우는 기준면과 조형의 위치 관계를 정확하게 확보할 수 있으므로 2차가공 시의 세팅이 용이하고 OPM기와 마찬가지로 극한까지 다듬질할 수 있다. 따라서 성형품의 사이클 타임 단축이나 품질도 OPM기와 동일하게 된다.


금속 3D 프린터를 사용해 금형을 제작하기 위해서는 최저한의 기준면 가공은 필요하며, 세팅 전환 등 2차가공의 번거로움을 고려해도 다수의 설비기를 유효하게 사용하고 싶은 경우에는 LPM325가 최적이라고 할 수 있다.


5. 맺음말


금속 3D 프린터의 등장으로 제조 공법이 변하고 있는 현재, 필요한 기능을 줄여 엔트리 모델로서 개발한 LPM325가 그 도입을 검토하고 있는 유저를 지원해 유저의 첫걸음에 공헌할 수 있기를 기대한다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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