스테레오리소그래피—21세기에도 계속 관련성을 유지하다
30세가 된다는 것은 반성의 시간을 초대합니다. 적층 제조의 환경은 1988년 스테레오리소그래피(SL)가 최초의 실용적인 3D 프린팅 기술로 상용화된 이후 극적으로 변화했습니다. 사실, “3D 프린팅”과 “적층 제조”라는 용어는 최근 몇 년 사이에야 대중적인 언어에 들어왔습니다.
적층 제조의 범위는 최근 몇 년 사이에 극적으로 변화했습니다. 열경화성 및 열가소성 재료뿐만 아니라 금속을 포함하는 기술들이 급증했습니다. 2017년 Wohlers 보고서에는 광범위한 기술에 걸쳐 96개의 다양한 AM 장비 공급업체가 나열되어 있습니다. 장비, 소프트웨어 및 재료의 발전은 SL 초기 시절 이후 상당했으며, 이는 컴퓨터 성능 향상과 3D CAD 설치 기반의 성장과 동시에 이루어졌습니다. 특허가 만료되고 새로운 업체들이 국제 시장에 진입함에 따라 초기 기술 공급 기반 내 경쟁도 증가했습니다. 그렇다면 이 젊은 기술의 할아버지에게는 어떤 미래가 있을까요?
스테레오리소그래피(SL)는 모든 적층 제조 공정과 마찬가지로 3D 컴퓨터 모델을 가공 없이 물리적 형태로 변환하는 수단을 제공합니다. 재료 성능 특성은 3D 프린팅 방법론과 결합하여 응용 능력을 형성합니다. 오늘날 355nm 레이저 기반 SL 기술의 고유 특성은 점점 확장되는 재료 능력을 활용하여 가장 널리 사용되고 유용한 AM 공정 중 하나로 성숙하는 데 기여하고 있습니다. SLA라는 용어는 3D Systems의 등록 상표로, ASTM의 AM 공정 그룹 내 “Vat Polymerization”에 속하는 다양한 3D 프린팅 공정을 포괄하는 데 일부에서 자주 사용됩니다.”
이 논의에서 스테레오리소그래피는 원래 기술이 진화하여 모든 다른 바트 폴리머화 공정과 구별되는 “산업용 SL“에 초점을 맞출 것입니다.
250mm(9.5인치) 정사각형에서 800mm(31.5인치) 정사각형 이상의 플랫폼 크기.
자외선 레이저(355나노미터 파장) 광원
투명, 착색 및 복합 시스템을 포함하여 355nm UV에 맞게 특별히 조제된 재료
위에서부터 이미지화(빌드 플랫폼이 아래로 이동)
사진 캡션: 해상도와 정밀도를 보여주는 금속 도금 고정밀 샘플 부품, 355nm 스테레오리소그래피
0.2mm 미만의 명목 스폿 크기를 가진 UV 레이저로 포토폴리머를 즉시 경화시키는 레이저의 사용은 특히 이 공정이 가능한 부품 크기 범위를 고려할 때, 모든 AM 공정 중에서 가장 높은 정확도와 해상도의 조합 중 하나를 제공합니다. 오늘날의 355nm SL 재료는 투명에서 일반적인 사출 성형 부품을 닮은 다양한 색상에 이르는 우수한 치수 일관성과 표면 미학을 가진 부품을 생산할 수 있습니다. 이러한 재료는 이전 세대에서 발생한 내구성 및 노화 문제를 극복하여 프로토타입, 패턴 및 그 이상에서 기능적 응용을 허용하는 폭넓은 기계적 특성을 가진 부품 제조를 가능하게 합니다.
사진 캡션: Aerosport는 최근 국제 시장에 진입한 UnionTech™ RS Pro600에서 프로세스 종료 시 거의 마무리가 필요 없는 고정밀 부품을 성공적으로 생산하고 있습니다.
열가소성 재료를 활용한 적층 제조(AM) 공정은 종종 강력한 기계적 특성으로 인용됩니다. 현재 세대의 SL 재료는 다른 AM 공정에서 일반적으로 사용되는 많은 열가소성 재료의 성능 범위를 상당히 겹치도록 선택할 수 있으며, SL 공정의 모든 정확도와 미적 이점을 유지합니다.
스테레오리소그래피는 종종 재료 능력에 대한 구식 이해를 바탕으로 프로토타입 공정으로 유형화됩니다. 355nm SL 장비의 특성과 최신 세대의 포토폴리머의 조합은 프로토타입 능력과 최종 용도를 확장하는 응용 프로그램을 가능하게 합니다. 대규모 맞춤화(치과 교정기), 저용량 우레탄 부품 생산, 저용량 사출 성형을 위한 도구 및 금속 클래드 복합재와 같은 2차 성형 작업을 위한 패턴에서 중요한 기회가 현재 적극적으로 추구되고 있습니다. 이러한 응용 프로그램은 SL과 다른 기존 공정의 통합을 통해 혁신을 달성할 수 있는 방법의 실용적인 예입니다.
기술 통합을 통한 혁신
3D 프린팅 공정은 종종 파괴적인 기술로 위치 지워지지만, 오히려 이를 가능하게 하는 기술로 생각하는 것이 더 좋습니다.
1990년대 후반, Align Technology의 창립자들은 일련의 리테이너를 사용하여 치아 정렬을 교정하기 위한 다른 비즈니스 모델을 구상했습니다. 오늘날 이 응용 프로그램은 대량 맞춤화의 가장 높은 볼륨 응용 프로그램 사례일 가능성이 있습니다. 개별 환자의 CAD 이미지를 최종 교정기를 열형성하는 데 사용되는 패턴으로 변환하는 것은 대부분의 사람들이 파괴적인 비즈니스 모델이라고 부르는 것을 가능하게 했습니다.
2차 열형성 공정을 위한 SL 패턴은 오늘날 이 응용 프로그램의 지배적인 기술로 남아 있으며, 대량 맞춤화의 단일 응용 프로그램에 최적화된 대형 기계에서의 빠른 처리 시간을 기반으로 합니다.
투자 주조는 가장 오래된 금속 성형 공정 중 하나로, 20년 이상 SL 공정을 사용해 왔습니다. 패턴을 세라믹으로 코팅한 후 패턴을 완전히 태워서 용융 금속이 빈 형태로 주조될 준비를 하는 주조 공정에서 사용하기 위해 매끄러운 벽을 가진 빈 패턴을 제조할 수 있는 능력입니다. 주조된 왁스 패턴이 대부분의 고용량 응용 프로그램에서 지배적이지만, SL은 저용량 주조를 위한 도구 비용을 제거할 뿐만 아니라 주조 패턴 공정에서 쉽게 얻을 수 없는 크기와 부품 특징을 용이하게 합니다. 이 응용 프로그램을 위한 최신 세대의 SL 포토폴리머는 우수한 치수 일관성을 가지며, 355nm 포토폴리머에서 일반적으로 발견되는 중금속을 포함하지 않습니다. 이 조합은 정확한 패턴과 함께 주조 결함을 유발할 수 있는 최소한의 재를 보장합니다.
사진 캡션: Somos® Element로 제조된 투자 주조 패턴
투자 주조에 사용되는 유사한 중공 부품 방법론은 대형 부품에 적용할 수 있어 맞춤형 기계적 특성과 경량화된 부품을 생성합니다(재료 비용 절감). 벨기에에 본사를 둔 글로벌 AM 소프트웨어 회사 Materialise는 경량 구조물의 중공 및 보강을 위한 여러 소프트웨어 옵션을 개발했습니다. 이 개발은 구매 지점 디스플레이, 건축 모델 및 기타 예술 응용 프로그램의 비용 효율적인 제조를 촉진했습니다.
전체 밀도의 고정밀 패턴을 제조할 수 있는 능력은 우레탄 성형, RTV 또는 실리콘 성형으로 알려진 또 다른 잘 확립된 성형 프로세스를 촉진합니다. 세심한 2차 마감 후, 패턴은 우레탄 주조를 위한 2부 몰드가 되는 실리콘 고무 케이스에 내장됩니다. 폴리우레탄 재료는 사출 성형 열가소성 플라스틱의 성능 수준과 일치하는 특성을 달성하기 위해 조정될 수 있습니다. 실리콘 도구는 여러 프로토타입 또는 저용량 생산이 필요한 경우 저용량 시리즈에 사용할 수 있습니다. 많은 서비스 사무소는 공급망을 단축하고 저용량 설계가 노후화됨에 따라 반복적인 개선을 허용할 수 있는 정기적인 저용량 부품 생산 능력을 지원하기 위한 전문 방법론을 개발했습니다.
사출 성형 도구의 제작은 SL의 초기 시절부터 개발 관심 분야였습니다. 프로토타입 및 브릿지 부품을 위한 이 잠재적으로 고용량 응용 프로그램의 주요 장애물에는 3D 프린팅 도구의 강도 및 온도 저항, 도구 수명(내구성)의 예측 가능성, 유리 충전 시스템을 포함한 다양한 사출 성형 재료와의 호환성(마모 저항)이 포함됩니다. 또한, 부드러운 금속(일반적으로 알루미늄) 도구의 고속 CNC 가공은 짧은 리드 타임과 예측 가능한 도구 수명의 가능성을 제공합니다. 지난 2년 동안 SL 부품 제작 정확도, 재료 능력(고농도 실리카 충전 포토폴리머) 및 SL 도구 제작 전문성과 사출 성형 노하우를 결합한 비즈니스 모델의 융합은 SL 도구 사용 증가로 이어졌습니다. SL 3D 프린팅과 사출 성형의 성공적인 통합자는 목표가 사출 성형 프로토타입이라는 것을 인식합니다. 내부 CNC 가공 작업이 없는 사출 성형업체는 실제 최종 사용 지정 열가소성 플라스틱에서 프로토타입 생산을 위한 몰드 세트를 쉽게 인쇄할 수 있습니다. 이는 서비스 제공업체에 사출 성형 도구 노하우를 장비하기 위한 초기 노력에서 나타난 패스-더-바톤 방법론으로 인해 발생할 수 있는 어려움을 피합니다.
사진 캡션: RePliForm의 Dr. Sean Wise(왼쪽)와 동료 Rick Dunlap이 2017 AMUG(부가 제조 사용자 그룹) 회의에서 구리 도금된 웨이브 가이드와 니켈 코팅된 유연한 메쉬를 포함한 새로운 전기도금 스테레오리소그래피 부품을 들고 있습니다.
투자 주조와 마찬가지로 물리적 또는 기계적 특성을 개선하기 위해 기판 재료의 전기도금은 잘 알려져 있습니다. RePliForm, Inc의 Dr. Sean Wise는 2000년부터 구리 및 구조적 니켈을 사용하여 3D 프린팅 부품을 위한 전기도금 기술을 적극적으로 최적화했습니다. 모든 3D 프린팅 재료는 강도, 마모 저항, EMI/RFI 차폐, 가연성 저항 및 미적 특성을 개선하기 위해 전기도금될 수 있습니다. 그러나 포토폴리머 기반 프린터는 기본 부품 준비로 쉽게 도금할 수 있는 매끄럽고 비다공성 표면을 제공합니다. 355대의 생산 SL 기계와 최첨단 재료가 결합되어 가장 다양한 부품 크기 및 기판 옵션을 제공합니다. 사출 성형 도구에 사용되는 동일한 고농도 실리카 포토폴리머는 기계적 특성이 다이 캐스트 니켈에 접근하는 니켈/구리/SL 복합체를 위한 극도로 얇은(0.010~0.040인치) 기판을 생성할 수 있습니다. 이러한 수준의 기계적 성능은 폴리머 AM과 직접 AM 금속 간의 기회 간극을 상당히 메웁니다. 기계적 특성 외에도 SL의 설계 유연성과 구리 코팅이 결합되어 비용 효율적인 웨이브 가이드 또는 “안테나 구성”을 생성할 수 있습니다. 구조적 니켈이 재생 가능한 마모 표면을 생성하는 현재 생산 중인 다른 부품도 있습니다.
사진 캡션: 스테레오리소그래피 프로세스가 짧은 생산을 위한 도구 제작에 성공적으로 사용되고 있습니다.
30세가 되는 것은 변화를 가져옵니다. 장비, 재료 및 소프트웨어를 포함한 355nm SL은 프로토타입뿐만 아니라 최종 사용 생산 프로세스에 사용되는 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 기술 중 하나로 성숙했습니다. 현재 개발 및 다양한 직접 및 간접 제조 기술에서의 활용, 새로운 프로토타입 능력의 궤적은 긴 수명을 예고합니다.
