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3D 프린팅 세라믹의 열 분석
세라믹 는 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 일반적으로 세라믹은 먼저 원료 덩어리에서 녹색 몸체로 형성된 다음, 이 “녹색 몸체”를 특별한 방식으로 처리하고 소성(소위 소결)하여 굳혀서 최종 형태로 만듭니다.
산업에 따라 단순한 식기, 장식 또는 위생 도자기뿐만 아니라 보철물이나 다양한 기술 부품과 같은 기술 도자기일 수도 있습니다.
세라믹 제품은 일반적으로 초기 기계 가공 후 가마에서 소성됩니다.
세라믹은 900°C에서 1400°C 사이의 온도에 노출됩니다.
이는 세라믹을 소성하는 동안 화학 반응을 제어하고 수증기, 이산화탄소 및 기타 혼합물의 탈기체를 제어하기 위해 일정 시간 간격으로 일정한 온도로 가열하는 동시에 정밀하게 정의된 등온 간격으로 가열하는 방식으로 이루어집니다.
초기 소성 후 세라믹에 유약을 첨가한 다음 다시 소성하여 완전히 경화시키는 경우가 많습니다.
전체 공정은 몇 시간이 걸리므로 시간이 많이 소요됩니다.
또한 소성 후 작업물이 손상되지 않고 가마에서 나온다는 보장이 없으며, 다양한 오류(재료 부족, 잘못된 소성 과정 등)가 발생하여 세라믹이 깨지거나 균열이 생길 수 있습니다.
다양한 세라믹 부품을 소성하기 위한 보다 현대적이고 간단한 솔루션은 적층 가공입니다.
세라믹의 경우 이를 3D 프린팅이라고도 합니다.
이는 재료를 층층이 쌓아 올려 3차원 물체를 만드는 제조 공정입니다.
빌드업은 일반적으로 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 통해 이루어지며 지정된 치수 및 모양에 따라 하나 이상의 액체 또는 고체 재료가 시작 재료로 사용됩니다.
프린팅 공정을 통해 빌드업하는 동안 화학적 경화 또는 용융 공정 가 진행되며, 온도나 레이저로 제어되는 경우가 많습니다.
모델에 3D 스캐너를 사용할 수도 있습니다.
기존 소성 공정에 비해 이 방법의 장점은 분명합니다. 세라믹을 층층이 쌓아 올리면 소성 공정 중 파손 위험이 특히 높은 선조 및 복잡한 구조물을 생산할 수 있습니다.
또한 용광로에서의 소성 공정이 필요하지 않기 때문에 적층 소결 또는 3D 프린팅된 공작물을 훨씬 더 빠르게 제조할 수 있으므로 시간을 크게 절약할 수 있습니다.
절단, 선삭, 드릴링과 같은 모든 재료 제거 공정에 비해 3D 프린팅은 원래 금형을 제작한 후 추가 가공 단계가 필요 없다는 장점이 있습니다.
대부분의 경우, 특히 필요한 크기와 질량으로 재료를 한 번만 제작하면 되는 경우 에너지 효율도 더 높습니다.
또한 하나의 기계에서 다양한 재료를 가공할 수 있다는 장점도 있습니다.
원래 3D 프린팅 공정은 폴리머 산업에서 처음 적용되고 개발되었습니다. 폴리머 산업플라스틱은 녹이고 다루기 쉬우며 소결이나 경화가 필요하지 않기 때문입니다. 연화점 바로 위에서 가열하고 인쇄된 필라멘트를 빠르게 냉각함으로써 실시간으로 구조물을 만들 수 있었습니다. 그러나 이 공정은 빠르게 발전하여 다양한 폴리머뿐만 아니라 금속과 세라믹도 인쇄할 수 있게 되었으며, 3D 프린팅은 제조를 위한 다양한 옵션으로 활용되고 있습니다.
현재 3D 프린팅에 사용되는 일반적인 재료로는 플라스틱, 세라믹, 금속 또는 흑연과 같은 탄소 화합물이 있습니다. 여기서 가장 중요한 기술은 금속의 경우 레이저 빔 용융 및 전자 빔 용융, 폴리머, 세라믹 및 금속의 경우 레이저 소결, 액체 수지의 경우 광조형 및 디지털 광 처리, 플라스틱 및 수지의 경우 폴리젯 모델링 및 융착층 모델링입니다.
적층 가공의 제조 공정은 크게 7가지로 나눌 수 있으며, 일부 표준(DIN EN ISO/ASTM 52900, 이전의 ASTM F2792)에도 자세히 설명되어 있습니다:
- 바인더 출력
- 머티리얼 출력
- 파우더 베드 융합
- 재료 압출
- 통 광중합
- 표적 에너지 증착
- 시트 라미네이션
가장 큰 차이점은 부품을 만들기 위해 레이어를 적용하는 방법과 사용되는 재료입니다.
기계와 3D 프린팅 프로세스를 선택할 때 가장 중요한 요소는 속도(물체의 크기에 따라 다름)와 비용(재료와 기계의 경우)입니다.
일반적인 재료: 금속, 세라믹, 플라스틱.
적층 제조 기술의 주요 응용 분야는 아직 연구 분야이며, 무엇보다도 산업 분야의 제품 개발 또는 프로토타입 제작입니다.
특별한 도구가 필요하지 않고 도면에서 모델로 매우 빠르게 변환할 수 있기 때문에 모델, 프로토타입, 도구 또는 특정 제품의 생산에 이상적입니다.
다른 적용 분야는 주로 의료 기술특히 치과에서 특수 보철물과 임플란트를 개별적으로 맞춤 제작해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 조각이나 예술과 같은 좀 더 특이한 응용 분야에서도 적층 가공을 사용하여 조각품을 제작합니다. 한편, 3D 프린터는 이제 공정과 프린터가 생산 성숙 단계에 도달하여 비교적 저렴한 비용으로 대중이 사용할 수 있기 때문에 개인용으로도 사용할 수 있습니다. 특히 가정에서는 장난감, 예비 부품 또는 소형 홀더와 같은 플라스틱 제품을 별다른 사전 지식 없이도 쉽게 제작할 수 있습니다.
세라믹의 경우 3D 프린팅에는 다음과 같은 방법이 사용됩니다:
- 선택적 레이저 소결(SLS)과 같은 파우더 베드 융합 공정. 이 공정은 일반적으로 폴리머, 세라믹 분말 또는 금속을 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다. 고에너지 레이저로 재료 분말을 녹여 층별로 완전히 밀도가 높은 재료를 만듭니다. 노즐을 사용하여 트레이 위에 얇은 파우더 층을 놓습니다. 그런 다음 레이저가 분말을 국부적으로 소결하기 시작하여 첫 번째 층을 만듭니다. 이를 변형한 것이 3D 잉크젯 프린팅입니다. 여기서 바인더는 잉크젯과 유사한 공정을 사용하여 부품 단면의 파우더(석고 또는 레진) 층에 인쇄됩니다. 파우더 베드 융합 기술의 장점은 여분의 파우더가 인쇄된 물체를 지지하는 역할을 한다는 것입니다.
- 용융 증착 모델링(FDM) 또는 용융 필라멘트 제작(FFF)은 원하는 세라믹의 작은 패트릭을 처리합니다.
- 이를 위해 필라멘트에는 세라믹 파우더를 하나로 묶어주는 특수 플라스틱인 바인더가 사용됩니다. 그런 다음 필라멘트를 액화될 정도로 가열하여 기존 플라스틱 필라멘트와 마찬가지로 인쇄할 수 있습니다. 여기서 세라믹 입자의 직경은 약 1~2µm입니다.
- 따라서 플라스틱으로 인쇄할 때 노즐에서 바로 나오기 때문에 원하는 레이어를 직접 인쇄할 수 있습니다.
- 이 과정에서 분말을 함께 고정하고 운반하는 플라스틱만 녹아서 바인더 역할을 합니다. 최종 결과물은 인쇄된 몰드이지만, 여전히 단단한 세라믹 본체가 아닌 세라믹 파우더입니다.
- 이것은 아직 최종 제품이 아니며, 먼저 재작업이 필요한 그린 컴팩트입니다.
- 마지막으로 특수 공정을 통해 플라스틱의 일부를 제거합니다. 그 다음에는 특수 용광로에서 공작물을 고온과 화학 물질에 노출시키는 소결 공정이 이어집니다.
- 이 과정에서 세라믹 부품이 결합되고 플라스틱이 완전히 제거됩니다. 따라서 FDM은 궁극적으로 한 번의 소성 단계만 절약할 수 있지만 여전히 두 번째 단계를 수행해야 하기 때문에 원래의 세라믹 소성 공정과 매우 유사합니다.
- 이를 위해 필라멘트에는 세라믹 파우더를 하나로 묶어주는 특수 플라스틱인 바인더가 사용됩니다. 그런 다음 필라멘트를 액화될 정도로 가열하여 기존 플라스틱 필라멘트와 마찬가지로 인쇄할 수 있습니다. 여기서 세라믹 입자의 직경은 약 1~2µm입니다.
3D 프린터에 사용할 재료의 올바른 조건은 용융 온도, 온도에서 재료가 팽창하는 방식 또는 열전도율과 같은 온도 거동에 따라 달라집니다.
따라서 3D 프린팅에 사용되는 재료의 열적 특성을 광범위하게 테스트하는 것이 좋습니다.
이러한 조사와 관련된 장치는 다음과 같습니다:
- 클래식 팽창 측정(DIL) 은 고체와 분말의 열 선형 팽창 및 소결 거동을 광범위하게 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 즉, 팽창 측정은 이제 세라믹 생산의 표준 절차가 되었습니다.
- 또한 공작물의 온도 분포와 전도를 시뮬레이션하고 제어하기 위해 열전도도를 조사하는 다양한 방법이 유용합니다.
가장 일반적인 방법은 다음과 같은 플래시 기법입니다. 레이저 플래시 방법(LFA)고체 또는 분말의 온도와 열전도도는 일반적으로 고에너지 플래시를 사용하여 측정할 수 있습니다.
다음과 같은 핫 와이어 방법도 있습니다. 과도 핫 브리지(THB)와 같은 열선 방법도 있는데, 이는 상온에서 비교적 빠르게 신뢰할 수 있는 열전달 값을 제공할 수 있습니다.
그리고 트랜스 인터페이스 재료 테스터(TIM)의 변형인 가드 핫 플레이트 방법은 페이스트 및 분말에도 적합하며 주로 다양한 벌크 밀도와 그에 따른 열전달 특성의 변화를 측정할 수 있습니다.
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부품을 제조한 후에는 부품의 열적 및 기계적 특성 요구 사항을 파악하고 공정에 맞는 설계로 부품을 개발하는 것이 중요합니다.
이는 일반적으로 부품을 만드는 데 사용되는 제조 공정에 관계없이 적용됩니다.
그러나 적층 제조 부품의 경우 층 구조로 인해 주조 또는 소성 물체와 다를 수 있으므로 기계적 특성을 확인하는 것이 특히 필요합니다.
특히 세라믹의 경우 소결 또는 적층 후 공작물이 크게 수축하여 재료 불량을 유발하는 다양한 결함 원인이 존재할 수 있습니다.
여기에서도 일반적으로 팽창계가 사용되며, 경우에 따라서는 열역학적 분석(TMA)를 사용하여 굽힘, 인장 및 압축 테스트를 통해 기계적 재료 특성을 정확하게 기록할 수 있습니다.
