새로운 생산 기술이 발전함에 따라 최상의 부품을 제조하는 데 새로운 기술적 과제가 발생합니다. 

종종 계약 제조업체는 수축, 표면 마감 및 반복성과 같은 요소를 이해하기 위해 생산을 처음 시도할 때 새로운 프로세스를 크게 조정해야 합니다. 적층 제조(AM)도 예외는 아니지만 이 생산 방법론에서 이러한 요소를 추적하는 도구는 뒤쳐져 있었지만 조금씩 바뀌고 있습니다.

대부분의 공산품은 수명 주기에서 생산까지 공통 프로세스를 따릅니다. 설계, 제조, 검사는 프로세스, 단계 및 책임을 고려하는 일반화된 방법이며, 각각은 고품질 부품을 생산하는 데 핵심입니다. 제조되는 부품의 복잡성과 특성에 따라 실제 워크플로에는 많은 튜닝 루프와 피드백이 있을 수 있습니다.

다음 워크플로우 예제는 Artec 3DSpace Spider 스캐너와 Geomagic Control X 소프트웨어가 함께 설계, 검증 및 제조 공정의 모든 단계에서 3D 프린팅된 왁스 주조 패턴 및 주조 부품에 대한 전체 형상 캡처 및 분석을 제공한 방법을 보여줍니다.

Artec 3D Space Spider는 치수 검사를 위해 작은 물체와 복잡한 세부 사항을 정밀하게 캡처하는 데 탁월한 초고해상도 휴대용 3D 스캐너입니다.

플러그 앤 플레이 작동을 통해 Space Spider는 복잡한 준비와 광범위한 사용자 교육 없이 물체를 쉽게 스캔하여 고객이 어디서나 부품을 디지털화할 수 있도록 합니다. 

Artec 3D의 독점적인 무표적 알고리즘을 통해 스캐너는 물체에 표적을 적용할 필요 없이 모양과 색상만으로 물체를 추적할 수 있습니다.

Geomagic Control X는 제조를 위한 근본 원인 분석(RCA) 및 수정을 가능하게 하는 산업용 계측 소프트웨어입니다. 

3D 스캔 네이티브 소프트웨어인 Geomagic Control X는 휴대용 측정 장치를 갖춘 계측에 이상적인 솔루션입니다. Geomagic Control X를 사용하면 조직의 더 많은 사람들이 어디서나 더 빠르게, 더 자주, 더 완벽하게 측정할 수 있습니다.

전체 솔루션은 복잡한 제조 공정에서 성공적인 생산에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다. 그 결과는 어떠하였습니까? 전반적인 최종 부품 품질, 정확도 및 반복성이 크게 향상되었습니다.

디자인

이 워크플로 예제에서는 실제 고객 프로젝트를 복제했지만 세부 정보를 일반화했습니다. 이 경우 고객은 전문화 된 자율 주행 경량 차량을 개발하고있었습니다. 

시장 출시 시간을 단축하기 위해 그들은 오늘날 시장에 나와 있는 차량의 다양한 구성 요소와 시스템을 선택하고 결합하여 작동하는 프로토타입을 완성했습니다. 

이 과정에서 그들은 특정 스티어링 너클(각각 하나씩)이 프로젝트에 가치가 있다는 것을 알게 되었고 경량 재료로 추가로 수정하고 제조할 수 있도록 설계를 디지털화하고 캡처해야 했습니다.

작업을 시작하기 위해 그들은 원래 주조물을 3D 스캔하고 리버스 엔지니어링했습니다. 그들은 신속한 디지털화를 위해 Artec 3D Space Spider 스캐너를 사용한 다음 고유한 하이브리드 모델링 접근 방식으로 Geomagic Design X에서 부품을 빠르고 정확하게 모델링했습니다. 

일반적으로 고객은 준공(매우 정확) 또는 설계 의도(차원 기반) 모델링 방법을 따릅니다. 하이브리드 모델링 접근 방식은 이러한 두 개념을 결합하여 치수가 지정된 피처와 매우 정확한 NURB 표면이 모두 있는 CAD 솔리드 모델 결과를 제공하는 것으로 구성됩니다. 

이 전략을 사용하여 1.5시간 이내에 모델을 완성하고 피처 기반 CAD로 SOLIDWORKS에 실시간 전송했습니다.

패턴 제작

AM은 수십 년 동안 희생 주조 패턴을 생산하기 위해 항공 우주 및 자동차 응용 분야에서 사용되어 왔습니다. 최근 3D 프린팅의 발전으로 산업 등급 패턴을 왁스 또는 폴리머로 훨씬 저렴한 비용으로 프린팅할 수 있으며, 이는 인베스트먼트 주조 공정에서 원활하게 작동합니다. 3D Systems는 공구가 필요 없는 적층 패턴 제작을 더 많이 분산적으로 채택하고 있으며, 기술의 접근성, 속도, 정밀도가 높아짐에 따라 계속 성장할 것입니다.

재료 증착 또는 후처리에서 열 에너지를 포함하는 모든 적층 공정의 경우 어느 정도의 부품 변형 및 침강이 발생할 수 있습니다. 질량이 크거나 단면적이 큰 부품은 작거나 얇은 부품보다 더 오래 열을 유지합니다.

이러한 지식을 바탕으로 3D Systems는 인쇄물의 최저 비용과 최고 수준의 치수 안정성을 목표로 완전히 단단한 왁스 인쇄 방법과 얇은 쉘/희소 왁스 충전 방법의 두 가지 인쇄 방법을 테스트했습니다. 둘 다 3D Sprint 빌드 클라이언트 소프트웨어로 준비되었으며 왁스 주조 패턴을 생성하는ProJetMJP 2500 IC 3D 프린터에서 인쇄되었습니다. 이전 경험을 통해 인펄스 충전율이 50%인 2mm 쉘은 상대적으로 큰 부품을 인쇄할 때 고품질의 안정적인 부품을 생성한다는 것을 발견했습니다.

후처리 및 냉각 시간 후 동일한 Artec 3D Space Spider 스캐너를 사용하여 두 패턴을 비교적 쉽게 스캔했습니다. 부품의 독특한 모양, 녹색 왁스 색상, 포스트 프로세스의 약간의 둔화 및 미백 효과를 통해 스캐닝 기술자는 Geometry + 텍스처 추적을 사용하여 모델을 부드럽게 캡처할 수 있었습니다.

Geomagic Control X를 사용하여 3D 스프린트 제작 파일을 직접 가져와 검사 루틴에 맞는 정확한 프린트 방향으로 각 부품을 검사했습니다. 프로세스를 개선하기 위해 대상 부분을 반복적으로 스캔해야 한다는 것을 알고 전체 프로세스 개발 기록을 단일 Geomagic Control X 파일에 유지하면서 하나의 세부 검사 프로젝트를 설정하고 여러 번 복제할 수 있었습니다. 스캔을 완료한 후 각각의 새로운 STL 파일을 Geomagic Control X 프로젝트에 드롭하기만 하면 평가 프로세스가 자동으로 인계되어 고품질의 반복 가능한 보고서가 생성되었습니다.

우리는 일반적으로 가공 오프셋이 있는 모든 영역이 주조 공차 내에 있지만 더 자유로운 형태의 영역은 엄격한 공차 대역 밖의 추세를 나타내는 것을 발견했습니다. 우리는 이것이 큰 단면적이 열을 유지하고 냉각할 때 잠재적으로 모양이 변한다는 우리의 가정과 적절하게 상관관계가 있다고 믿습니다.

이 단계에 대한 포괄적인 분석은 왁스 패턴을 사용한 3D 프린팅이 더 비용 효율적일 뿐만 아니라 후처리 후 치수를 더 잘 준수한다는 결론을 도출하는 데 도움이 되었습니다.

- 재료 사용량이 약 35% 감소했습니다.

- 재료비가 약 27% 절감되었습니다.

- 허용 오차에 대한 전반적인 준수가 약 10% 증가했습니다(3D 비교 사용).

- 솔리드 부품이 공차 임계값을 통과하지 못했습니다.

- 채우기 부품이 공차 임계값을 통과했습니다.

실온에서의 장기 치수 안정성은 고체 부분에 비해 향상되었다.

주조

인베스트먼트 주조는 5,000년 전으로 거슬러 올라가는 신뢰할 수 있는 제조 방법론이며 수백 년 전 산업 혁명이 시작된 이래로 글로벌 산업 제조에서 확립되었습니다.

주조 공정은 이제 매우 성숙하고 반복 가능하며 잘 알려져 있으며 내부 부품 결함의 가능성을 줄이는 데 도움이 되는 시뮬레이션 소프트웨어로 덮여 있습니다. 경험이 풍부한 주조 파트너와 최소한의 고객 노력으로 적층 제조 패턴을 제공하고 내부 결함이 없고 일반적으로 주조에 대한 일반적인 공정 허용 오차 기대치를 초과하는 부품을 생산할 수 있습니다.

결과 및 공정 반복 테스트에 적극적으로 참여하는 고객은 주조 공정 자체의 안정성으로 인해 부품 형상을 조정할 때 훨씬 더 높은 품질의 출력을 기대할 수 있습니다.

수축은 주조 공정의 알려진 결과입니다. 일반적으로 파운드리는 경계 상자에 의해 정의된 부품 크기에 대한 특정 재료의 알려진 수축을 보정하기 위한 몇 가지 지침을 고객에게 제공합니다. 기하학적 복잡성과 물리적 주조 공정으로 인해 복잡해지기 때문에 대부분의 부품에서 불균일한 수축을 보는 것이 일반적입니다. 결과적으로 주조는 일반적으로 느슨한 공차 공정으로 간주 될 수 있습니다.

스티어링 너클의 주조 과정에서 우리는 모델과 재료에 적합한 수축률을 조사했습니다. 주조 시설과 협의한 후 정확한 부품을 생산하기 위해 2% 균일한 스케일을 권장했습니다. 3D 스캐닝과 정밀 스케일 팩터가 최종 부품 정확도에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 조언에 따라 스케일 팩터가 2%인 왁스 패턴을 생산하여 주조 공장에 공급했습니다.

품질 관리

3D Systems는 반환된 주물을 추가로 검사하여 균일한 스케일링 계수가 예상 공차를 준수하는지 확인했습니다. 일반화 된 파운드리 사양에 따라 거의 동일한 크기의 부품에 대해 파트너가 명시한 달성 가능한 정확도 내에 확실히 포함 된 부품을 제공했습니다. 그러나 Geomagic Control X의 횡단면 비교 도구를 사용한 면밀한 검사는 정밀 스케일 팩터를 더 잘 적용하면 완성된 부품의 전반적인 정확도를 의미 있게 향상시킬 수 있는 몇 가지 분명한 영역을 나타냅니다.

공차가 엄격한 밴드를 사용한 이 단면 실루엣 비교는 외부 테두리를 파란색으로, 내부 테두리를 주황색과 빨간색으로 명확하게 보여줍니다. 외부 프로파일은 실제 부품 경계가 참조 경계 내에 있는 크기 축소 조건을 확인합니다. 내부 프로파일은 중앙 원통 피쳐가 의도한 것보다 치수가 작지만 참조 피쳐의 외부로 나타나는 것을 보여줍니다. 이는 부품의 전체 실루엣 그림자에 배율 차이를 가지며 배율 인수를 늘리고 인쇄하고 다시 캐스팅하여 수정할 수 있음을 나타냅니다.

이전의 주조 공정 개선 조사는 우리가 적용할 수 있는 권장 표준 값으로부터의 상대적 조정에 대한 통찰력을 제공했습니다. 우리는 X, Y, Z에서 각각 2.2 %, 2.3 % 및 2.7 %의 불균일 한 스케일 팩터를 가진 두 번째 왁스 패턴을 인쇄하여 주조 공장에 공급했습니다.

정밀 보정 패턴에 대한 최종 검사를 통해 패턴-부품 프로세스에 대한 몇 가지 결론을 도출할 수 있었습니다.

- 정밀 스케일 패턴은 파운드리의 기대치를 초과하는 결과를 제공했습니다.

- 스케일 보정 부품의 전체 치수 준수는 약 14% 증가했습니다.

- 정밀도가 증가함에 따라 적어도 하나의 주요 가공 작업을 피할 수 있습니다.

- 전체 부품 생산 비용이 절감되었습니다.

- 일반적으로 기계 작동을 줄이기 위해 더 많은 정밀도를 적용할 수 있는지 확인하려면 향후 분석이 필요합니다.