3D 프린팅 기술을 이용한 주조 패턴의 표면 파상도 평가

3D 프린팅 주조 패턴의 표면 품질, 어떤 기술이 최선인가? PJM, FDM, SLS 전격 비교

이 기술 요약은 [Paweł ZMARZŁY, Damian GOGOLEWSKI, Tomasz KOZIOR]가 작성하여 [BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES TECHNICAL SCIENCES]에 게재된 "[Assessment of surface waviness of casting patterns made using 3D printing technologies]" (2023) 논문을 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 3D 프린팅 주조 패턴
• 보조 키워드: 표면 파상도, 적층 제조, FDM, PJM, SLS, 주조 품질, 시제품 제작

핵심 요약

• 도전 과제: 3D 프린팅으로 제작된 주조 패턴의 표면 품질(특히 파상도)이 최종 주물의 품질에 직접적인 영향을 미치지만, 어떤 프린팅 기술과 파라미터가 최적의 결과를 내는지에 대한 데이터가 부족합니다.
• 연구 방법: PJM(PolyJet Matrix), FDM(Fused Deposition Modeling), SLS(Selective Laser Sintering) 세 가지 주요 3D 프린팅 기술을 사용하여 주조 패턴을 제작하고, 프린팅 레이어 두께 변화에 따른 표면 파상도를 정밀 측정 시스템으로 분석했습니다.
• 핵심 발견: PJM 기술이 Wa, Wq, Wt 파라미터로 정의된 표면 파상도에서 가장 매끄러운 표면을 생성했으며, 반면 FDM 기술은 가장 거친 표면을 보였습니다.
• 결론: 주조 패턴의 표면 품질이 매우 중요한 고정밀 주조 시제품 제작 시 PJM 기술이 가장 유리하며, 레이어 두께는 표면 파상도에 큰 영향을 미치는 핵심 공정 변수입니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

주조 산업에서 시제품 및 소량 생산을 위해 3D 프린팅 기술을 도입하는 사례가 늘고 있습니다. 전통적인 목재나 금속 가공 방식에 비해 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있기 때문입니다. 하지만 주조 패턴의 표면 품질은 주형의 품질을 결정하고, 이는 최종 주물의 표면 결함 및 정밀도와 직결됩니다.

대부분의 연구는 표면 '거칠기(roughness)'에 집중했지만, 3D 프린팅 공정의 특성상 레이어가 쌓이면서 발생하는 더 긴 범위의 불규칙성, 즉 '파상도(waviness)'가 표면 품질에 더 큰 영향을 미칩니다. 어떤 3D 프린팅 기술과 공정 변수(특히 레이어 두께)가 최적의 표면 파상도를 제공하는지 명확히 이해하는 것은 고품질 주물을 안정적으로 생산하기 위한 핵심 과제입니다. 이 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 세 가지 주요 적층 제조 기술과 전통적인 가공 방식을 비교하여 주조 패턴의 표면 파상도를 평가했습니다. 각 기술에 사용된 재료, 장비, 핵심 변수는 다음과 같습니다.

방법 1: PJM (PolyJet Matrix) 기술 - 장비: Connex 350 프린터 - 재료: FullCure 720 (액상 폴리머 수지) - 핵심 변수: 단일 레이어 두께(Lt)를 0.016mm와 0.032mm로 설정하여 비교했습니다. 서포트 재료는 압력 세척기로 제거했습니다.

방법 2: FDM (Fused Deposition Modeling) 기술 - 장비: Dimension 1200 ES 프린터 - 재료: ABS P430 - 핵심 변수: 단일 레이어 두께(Lt)를 0.254mm와 0.33mm로 설정하여 비교했습니다. 서포트 재료는 알칼리성 세척제로 제거했습니다.

방법 3: SLS (Selective Laser Sintering) 기술 - 장비: Formiga P100 프린터 - 재료: PA2200 (폴리아미드 분말) - 핵심 변수: 단일 레이어 두께(Lt)를 0.1mm와 0.2mm로 설정하여 비교했습니다. 이 기술은 별도의 서포트 재료가 필요 없습니다.

비교 그룹: 전통적인 방식과의 비교를 위해 목재와 PA6 알루미늄 합금을 밀링 가공하여 제작한 패턴도 함께 분석했습니다. 표면 파상도는 Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1200 측정 시스템을 사용하여 Wa(산술 평균 파상도), Wq(제곱 평균 제곱근 파상도), Wt(전체 높이 파상도) 등의 파라미터를 측정했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

연구 결과, 3D 프린팅 기술의 종류와 레이어 두께가 주조 패턴의 표면 파상도에 결정적인 영향을 미친다는 사실이 명확히 드러났습니다.

결과 1: PJM 기술의 압도적인 표면 품질 우위

가장 널리 사용되는 파상도 파라미터인 Wa(산술 평균 높이 파상도)를 분석한 결과, PJM 기술이 가장 우수한 표면 품질을 보였습니다. - PJM 기술 (Lt = 0.016mm): Wa 값은 1.29µm로 측정되어 모든 3D 프린팅 기술 중 가장 낮은 파상도를 기록했습니다. - FDM 기술 (Lt = 0.33mm): Wa 값은 33.87µm로 측정되어 가장 높은 파상도를 보였습니다. 이는 PJM 기술보다 약 26배 높은 수치입니다. - SLS 기술 (Lt = 0.2mm): Wa 값은 6.42µm로 측정되었습니다.

Wq(제곱 평균 제곱근 높이 파상도)와 Wt(전체 높이 파상도) 파라미터에서도 동일한 경향이 관찰되었습니다. 이는 고정밀 표면이 요구되는 주조 패턴 제작에 PJM이 가장 적합한 기술임을 시사합니다. (Table 2 참조)

결과 2: 레이어 두께와 파상도의 상반된 관계

레이어 두께(Lt)가 표면 파상도에 미치는 영향은 기술별로 다르게 나타났습니다. - FDM 및 PJM: 레이어 두께가 증가할수록 파상도(Wa, Wq, Wt)도 증가했습니다. 예를 들어, FDM의 경우 Lt가 0.254mm일 때 Wa는 4.33µm였지만, 0.33mm로 증가하자 33.87µm로 급격히 높아졌습니다. - SLS: 반대의 경향이 나타났습니다. 레이어 두께가 0.1mm일 때 Wa는 10.5µm였으나, 0.2mm로 증가하자 6.42µm로 오히려 파상도가 감소했습니다. 이는 레이저 소결 방식의 특성상 얇은 레이어에서 국부적인 과융착(flash)이 발생할 수 있음을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 FDM 또는 PJM 기술 사용 시, 생산 시간을 다소 희생하더라도 더 얇은 레이어 두께를 설정하는 것이 최종 주물의 표면 품질을 향상시키는 데 기여할 수 있음을 시사합니다. 반면 SLS 기술에서는 최적의 에너지 밀도와 함께 적절한 레이어 두께를 선택하는 것이 중요합니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Table 2 데이터는 각 3D 프린팅 기술과 레이어 두께가 표면 파상도에 미치는 영향을 정량적으로 보여줍니다. 이는 주조 패턴의 입고 검사 시 새로운 품질 기준을 설정하는 데 유용한 근거 자료가 될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 시제품 제작 단계에서부터 최종 제품의 요구 표면 품질을 고려하여 3D 프린팅 기술을 선택해야 합니다. 예를 들어, 외관이 중요하거나 후가공을 최소화해야 하는 부품의 경우 PJM 기술을 우선적으로 고려하는 것이 합리적입니다.

논문 상세 정보

[3D 프린팅 기술을 이용한 주조 패턴의 표면 파상도 평가]

1. 개요:

• 제목: Assessment of surface waviness of casting patterns made using 3D printing technologies
• 저자: Paweł ZMARZŁY, Damian GOGOLEWSKI, and Tomasz KOZIOR
• 발행 연도: 2023
• 저널/학회: BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES TECHNICAL SCIENCES
• 키워드: 3D printing; foundry industry; casting pattern; surface waviness.

2. 초록:

3D 프린터의 적용은 전통적인 주조 패턴 생산 방법에 비해 공정을 상당히 개선합니다. 주조 패턴의 표면 텍스처 품질은 주형의 품질과 최종 주물에 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다. 대부분의 연구에서는 2D 또는 3D 거칠기 파라미터를 분석하여 표면 텍스처를 검사합니다. 이는 3D 프린팅의 경우 기술적 파라미터의 영향이 표면 파상도와 같은 더 긴 범위의 불규칙성에서 더 잘 보이기 때문에 특정 한계가 있습니다. 본 논문에서는 3D 프린팅 레이어 두께가 주조 패턴 표면의 파상도 형성에 미치는 영향을 분석했습니다. 프린팅 기술과 재료가 다른 세 가지 3D 프린터, 즉 PJM(PolyJet Matrix), FDM(fused deposition modeling), SLS(selective laser sintering)를 테스트했습니다. 또한, 전통적인 방법으로 제조된 패턴의 표면 파상도도 분석했습니다. 표면 파상도는 Form Talysurf PGI 1200 측정 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 연구의 예비 결과에 따르면 레이어 두께는 FDM, PJM, SLS 적층 기술로 만들어진 주조 패턴 표면의 파상도 파라미터 값에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 연구 결과, Wa, Wq, Wt 파라미터로 정의된 가장 작은 표면 파상도는 PJM 기술을 사용하여 프린팅된 패턴에서 얻어졌으며, 가장 높은 파상도는 FDM 기술을 사용할 때 나타났습니다.

3. 서론:

주조 산업의 역동적인 발전은 주조 패턴과 주형을 생산하기 위한 현대적인 제조 방법의 도입을 요구합니다. 주조 산업의 주요 분야 중 하나는 주조 패턴 생산이며, 이는 주형을 만드는 데 사용됩니다. 전통적인 주조 패턴은 기계 가공을 통해 목재나 금속 합금으로 만들어집니다. 플라스틱으로도 패턴을 만들 수 있습니다. 그러나 위에서 언급한 주조 패턴 생산 방법들은 시간이 많이 걸리고(목재 패턴의 수동 가공) 비쌉니다(패턴의 CNC 가공). 또한, 고도로 숙련된 패턴 제작자를 양성하는 것은 매우 복잡한 과정입니다. 현재, 테스트 주조 패턴의 빠른 생산과 형상의 신속한 수정을 가능하게 하는 솔루션이 인기를 얻고 있습니다. 이는 테스트 주물 및 시제품을 만들 때 특히 중요합니다. 사용되는 솔루션에는 3D 프린팅으로도 알려진 적층 기술이 포함됩니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

주조 산업에서 시제품 제작 및 맞춤형 부품 생산을 위해 3D 프린팅 기술의 활용이 증가하고 있습니다. 이 기술은 전통적인 방식에 비해 시간과 비용을 절감할 수 있는 큰 장점이 있습니다. 그러나 3D 프린팅으로 제작된 주조 패턴의 표면 품질, 특히 파상도는 최종 주물의 품질에 직접적인 영향을 미치므로 중요한 고려 사항입니다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 주로 3D 프린팅된 부품의 치수 정확도, 형상 정확도, 또는 표면 '거칠기'에 초점을 맞추었습니다. 일부 연구에서는 FDM, SLA, MJF 등 다양한 적층 기술을 비교했지만, 표면 '파상도'에 대한 체계적인 분석, 특히 레이어 두께가 파상도에 미치는 영향에 대한 연구는 부족했습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 세 가지 주요 3D 프린팅 기술(PJM, FDM, SLS)을 사용하여 제작된 주조 패턴의 표면 파상도를 평가하는 것입니다. 특히, 각 기술에서 단일 레이어의 두께 변화가 표면 파상도에 미치는 영향을 분석하고, 이를 전통적인 밀링 가공으로 제작된 패턴과 비교하여 산업적 적용 가능성을 평가하고자 했습니다.

핵심 연구:

연구는 특별히 설계된 주조 패턴 모델을 사용하여 진행되었습니다. 이 모델은 드래프트, 라운딩 등 주조 패턴의 일반적인 특징을 포함하고 있습니다. PJM, FDM, SLS 세 가지 기술을 사용하여 각각 두 가지 다른 레이어 두께로 패턴을 제작했습니다. 제작된 모든 패턴의 특정 위치에서 Form Talysurf PGI 1200 측정 시스템을 사용하여 표면 파상도를 측정하고 Wa, Wq, Wt, Wsk 파라미터를 분석했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 세 가지 다른 3D 프린팅 기술(PJM, FDM, SLS)과 두 가지 다른 레이어 두께(Lt)가 주조 패턴의 표면 파상도에 미치는 영향을 비교 분석하는 실험적 설계를 따랐습니다. 비교 기준으로 목재와 알루미늄 합금을 밀링 가공한 패턴도 포함되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 패턴 제작: PJM(Connex 350), FDM(Dimension 1200 ES), SLS(Formiga P100) 프린터를 사용하여 각 기술별로 두 가지 레이어 두께로 샘플을 제작했습니다.
• 데이터 수집: Taylor Hobson Form Talysurf PGI 1200 접촉식 측정 시스템을 사용하여 각 샘플의 표면 파상도 프로파일을 측정했습니다. 측정 속도는 0.5mm/s, 샘플링 밀도는 1µm로 설정되었습니다.
• 데이터 분석: 측정된 프로파일로부터 Wa(산술 평균 파상도), Wq(제곱 평균 제곱근 파상도), Wt(전체 높이 파상도), Wsk(왜도) 파라미터를 계산하고, 기술 및 레이어 두께에 따른 값을 비교 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 주조 패턴 제작에 사용되는 세 가지 주요 적층 제조 기술(PJM, FDM, SLS)에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 단일 레이어 두께라는 기술적 파라미터가 패턴 표면의 파상도에 미치는 영향으로 제한됩니다. 패턴의 위치는 작업 플레이트에서 Pd=0°로 고정되었습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 기술별 파상도: PJM 기술로 제작된 패턴이 가장 낮은 표면 파상도(가장 매끄러운 표면)를 보였고, FDM 기술이 가장 높은 파상도를 나타냈습니다.
• 레이어 두께의 영향: FDM과 PJM 기술에서는 레이어 두께가 증가할수록 파상도가 증가했습니다. 반면, SLS 기술에서는 레이어 두께가 증가할 때 파상도가 감소하는 경향을 보였습니다.
• 전통 방식과의 비교: 밀링 가공된 알루미늄 패턴은 테스트된 모든 패턴 중 가장 낮은 표면 파상도를 보였습니다. 목재 패턴의 파상도는 FDM 및 SLS 기술로 제작된 패턴과 유사한 수준이었습니다.
• 파상도 프로파일 특성: FDM 프로파일은 뚜렷한 개별 피크를 보였고, PJM 프로파일은 많은 수의 피크와 밸리를 나타냈습니다. SLS 프로파일은 레이어 두께에 따라 단일 피크 또는 FDM과 유사한 피크 형태를 보였습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Research model with the surface waviness measurement location
• Fig. 2. 3D printers and printed patterns: a) PJM (Conex 350), b) FDM (Dimension 1200), c) SLS (Formiga P100)
• Fig. 3. Surface waviness measurement of a casting pattern made of PA6 aluminum alloy
• Fig. 4. Surface waviness profiles of casting patterns made with selected additive technologies, where: a) FDM technology (Pd = 0°, Lt = 0.254 mm), b) FDM technology (Pd = 0°, Lt = 0.330 mm), c) PJM technology (Pd = 0°, Lt = 0.016 mm), d) PJM technology (Pd = 0°, Lt = 0.033 mm), e) SLS technology (Pd = 0°, Lt = 0.1 mm), f) SLS technology (Pd = 0°, Lt = 0.2 mm)
• Fig. 5. Optical light microscopy images of analyzed surfaces of casting patterns made with selected additive technologies, where: a) FDM technology (Pd = 0°, Lt = 0.254 mm), b) FDM technology (Pd = 0°, Lt = 0.330 mm), c) PJM technology (Pd = 0°, Lt = 0.016 mm), d) PJM technology (Pd = 0°, Lt = 0.033 mm), e) SLS technology (Pd = 0°, Lt = 0.1 mm), f) SLS technology (Pd = 0°, Lt = 0.2 mm)

7. 결론:

연구 결과, 3D 프린팅 주조 패턴의 표면 파상도는 Wa, Wq, Wt 파라미터로 정의했을 때 PJM 기술에서 가장 작았고, FDM 기술에서 가장 높게 나타났습니다. FDM과 PJM 기술의 경우 단일 레이어 두께가 증가하면 표면 파상도가 증가했으나, SLS 기술에서는 반대의 경향이 관찰되었습니다. 이는 SLS 공정에서 레이저 빔에 의한 분말 소결 방식과 관련이 있을 수 있습니다. FDM과 SLS 기술로 제작된 패턴의 표면 파상도는 전통적인 목재 패턴과 유사한 수준이었습니다. 적층 기술로 제작된 주조 모델의 표면 파상도를 측정할 때는 광학적 방법보다 접촉식 방법을 사용하는 것이 권장됩니다. 이는 광학적 방법이 측정되지 않는 지점을 많이 발생시켜 측정 정확도에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

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전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 왜 일반적인 표면 '거칠기(roughness)' 대신 '파상도(waviness)'를 분석 지표로 선택했나요?

A1: 논문에 따르면, 3D 프린팅 공정의 경우 레이어가 쌓이는 방식 때문에 발생하는 기술적 파라미터의 영향이 미세한 거칠기보다 더 긴 파장을 갖는 불규칙성, 즉 파상도에서 더 뚜렷하게 나타나기 때문입니다. 따라서 파상도를 분석하는 것이 3D 프린팅 기술로 제작된 패턴의 표면 품질을 더 정확하게 평가하는 방법이라고 판단했습니다.

Q2: SLS 기술에서 레이어 두께가 두꺼워질수록 오히려 파상도가 개선된 이유는 무엇인가요?

A2: 논문에서는 이 현상이 CO2 레이저 빔으로 플라스틱 분말 층을 소결하는 방식 때문일 수 있다고 추측합니다. 소결을 위해 공급되는 분말 층이 너무 얇으면 특정 위치의 에너지 집중도가 너무 높아져 국부적인 과융착(local penetrations)이 발생할 수 있습니다. 이것이 불규칙성을 만들어 파상도를 높이는 원인이 될 수 있습니다.

Q3: FDM 기술의 파상도 값이 다른 기술에 비해 월등히 높은 이유는 무엇인가요?

A3: FDM은 용융된 플라스틱을 노즐을 통해 압출하여 한 줄씩 쌓아 올리는 방식입니다. 이 방식은 필연적으로 레이어와 레이어 사이에 뚜렷한 경계(피크)를 만듭니다(Fig. 4a, 4b 참조). 또한, 본 연구에 사용된 FDM의 레이어 두께(0.254mm, 0.33mm) 자체가 PJM(0.016mm, 0.032mm)에 비해 10배 이상 두껍기 때문에 구조적으로 더 큰 파상도를 가질 수밖에 없습니다.

Q4: 전통적인 밀링 가공 알루미늄 패턴과 비교했을 때 3D 프린팅 패턴의 표면 품질은 어느 정도 수준인가요?

A4: 밀링 가공된 알루미늄 패턴은 테스트된 모든 샘플 중에서 가장 낮은 파상도(Wa=0.72µm)를 보여주었습니다. 이는 가장 우수한 3D 프린팅 기술인 PJM(Wa=1.29µm)보다도 우수한 수치입니다. 반면, FDM과 SLS 기술로 제작된 패턴의 파상도는 전통적인 목재 패턴(Wa=6.33µm)과 비슷한 수준이었습니다.

Q5: 이 연구 결과를 실제 주조 공정에 적용할 때 어떤 점을 추가로 고려해야 하나요?

A5: 본 연구는 표면 파상도에 초점을 맞췄습니다. 실제 적용을 위해서는 치수 및 형상 정확도, 패턴의 내구성(주형 제작 과정에서의 마모), 후처리(화학적 처리 등)가 표면 품질에 미치는 영향 등을 추가로 평가해야 합니다. 저자들은 향후 연구에서 이러한 요소들을 다룰 계획이라고 밝혔습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 3D 프린팅 주조 패턴의 표면 품질을 결정하는 데 있어 기술 선택과 레이어 두께 설정이 얼마나 중요한지를 명확히 보여줍니다. 핵심 발견은 PJM 기술이 월등히 우수한 표면 파상도를 제공하여 고품질 시제품 제작에 가장 적합하다는 것입니다. 반면, FDM과 SLS는 전통적인 목재 패턴과 유사한 수준의 품질을 제공하므로, 용도에 맞는 기술 선택이 필요합니다.

R&D 및 운영팀은 이 연구 결과를 바탕으로 목표 품질과 비용, 생산 시간 사이의 균형을 맞춘 최적의 3D 프린팅 주조 패턴 제작 전략을 수립할 수 있습니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[Paweł ZMARZŁY, Damian GOGOLEWSKI, and Tomasz KOZIOR]"가 작성한 논문 "[Assessment of surface waviness of casting patterns made using 3D printing technologies]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: [https://doi.org/10.24425/bpasts.2023.144585]

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