SLS공법을 이용하여 직접 금형을 제작하는 공정

SLS 기술을 기반으로 한 금속 금형의 신속한 제조

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SLS 기술 소개

선택적 레이저 소결(SLS) 기술은 적외선 레이저를 열원으로 사용하여 분말 재료를 소결하고 층별로 3차원 부품을 형성하는 쾌속 조형(Rapid Prototyping, 영어로 RP라고도 함) 기술입니다. . SLS 공정은 플라스틱 부품뿐만 아니라 세라믹, 금속 분말, 파라핀 및 기타 재료, 특히 금속 금형으로 만든 부품도 제조할 수 있다는 특징이 있습니다.

선택적 레이저 소결(SLS) 공정은 1989년 오스틴에 있는 텍사스 대학의 C.R. Dechard에 의해 성공적으로 개발되었습니다. 현재 독일 EOS 회사는 금속, 폴리머 및 모래 금형에 적합한 세 가지 모델로 구분되는 자체 SLS 공정 성형 기계 EOSINT를 출시했습니다. 우리나라의 북경용원자동성형시스템유한회사와 화중과기대학도 상용장비를 잇달아 개발했다.

Rapid bbbbl Tooling, 일명 RMT)

RP 기술은 금속, 세라믹, 플라스틱, 파라핀, 수지 등을 포함한 프로토타입을 성공적으로 제작할 수 있었습니다. 사용되는 재료의 한계로 인해 RP 개발 초기 단계의 성형 부품은 수요 증가와 지속적인 기술 개발로 인해 제한된 경우에만 실제 금속 또는 기타 유형의 기능성 부품을 대체할 수 있는 경우가 많습니다. RMT 방향으로 발전하고 있습니다. RMT는 간단한 제조 공정, 특히 컴퓨터 기술과의 긴밀한 통합 및 신속한 제품 제조와 같은 고유한 장점을 가지고 있으며, 제조 주기 단축, 자원 절약, 재료 특성 활용, 정밀도 향상 및 비용 절감에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 금형 정밀도와 성능을 제어하기가 어렵습니다. 예를 들어 특수한 후가공 장비 및 공정으로 인해 제조 비용이 증가하고 성형 크기도 크게 제한됩니다. RMT 연구 및 응용의 핵심은 금형의 표면 정확도와 제조 효율성을 향상시키고 포괄적인 성능 품질을 보장하여 내구성, 고정밀도 및 표면 품질이 요구되는 조건을 충족할 수 있는 금형을 직접 신속하게 제조하는 것입니다. 산업 대량 생산. RP 기반의 RMT 기술은 직접 방식과 간접 방식으로 나눌 수 있다.

◆ 금형 직접 제작 방식

직접 제작 방식은 RP 프로토타입을 이용해 직접 금형을 제작하는 방식이다. SLS를 기반으로 한 직접 방식은 공정 전환이 필요 없고, 금형 제조 사이클 등의 측면에서 적용 가능성이 크다는 점에서 큰 주목을 받아왔다. 분말 증착 성형은 SLS에서 금형을 직접 제조하는 가장 일반적인 방법입니다. SLS 직접 성형 공정에는 금속을 녹이는 고온 챔버와 고출력 레이저가 포함됩니다. 고온 작업실에는 일반적으로 재료의 산화를 방지하기 위해 환원 분위기, 불활성 가스 또는 진공이 있습니다. 레이저 소결 전에 재료는 녹는점에 가깝게 가열되었으며, 연구에 따르면 소결 효율이 향상되고 재료 뒤틀림이 줄어드는 것으로 나타났습니다. 직접 제작한 부품은 강도가 높아 금형으로 직접 사용할 수 있습니다. 독일 EOS사의 Direct Steel 20-V1 방식은 강분말을 주로 사용하며 직경 20mm, 층두께 0.02mm, 소결밀도는 강밀도 대비 95~99%로 응고문제를 성공적으로 해결 금속분말의 수축. Lohner A. 등은 Ni-Cu 분말을 사용하여 금형을 직접 제작했으며, 밀도는 이론치의 80%, 강도는 100~200MPa, 정확도는 0.1mm, 평균 거칠기 Ra는 10~15um이다. 수백 개의 사출 성형 부품을 생산하는 데 사용되었습니다.

◆ 금형 간접제조 방식

간접제조 방식은 RP 프로토타입을 이용해 간접적으로 금형을 제작하는 방식이다. SLS 프로토타입은 주로 비금속(예: ABS, 왁스, 레진 등)입니다. 대부분의 경우 비금속 프로토타입을 금형으로 직접 사용할 수 없으므로 프로토타입을 모델로 사용하여 제작해야 합니다. 금형. 간접 제조는 RP 기술과 전통적인 성형 기술을 결합하여 각각의 기술적 장점을 최대한 활용하는 것이 특징이며 현재 응용 연구 개발에서 핫스팟이 되었습니다. SLS를 기반으로 한 간접 제조 공정에는 분말 야금 성형, SLS 프로토타입의 급속 정밀 주조, SLS 세라믹 쉘 주조, 수지 모래 급속 주조 등이 포함됩니다.

(1) 분말 야금 성형

분말 야금 성형은 금속 분말 축적 성형과 유사하지만 일반적으로 사용되는 복합 분말 재료에는 저온 가용성 성분이나 접착제가 포함되어 있습니다. 저전력 레이저를 사용하여 낮은 온도에서 가용성 구성요소를 소결합니다. SLS 공정 후에는 그린 바디라고 불리는 3차원 개체가 얻어집니다. 이 그린 바디는 강도는 낮지만 형상이 정확하며 고강도 금속 또는 세라믹 부품을 얻기 위해서는 후가공이 필요합니다. 후처리에는 일반적으로 분리와 재소결의 두 단계가 포함됩니다. 성형체를 소결로에 넣어 분리 및 재소결하여 용해성 저강도 성분을 제거하고, 남은 금속 또는 세라믹 분말을 소결하여 금속 또는 세라믹 부품으로 만듭니다. 완성된 금속 조각은 일반적으로 색상이 갈색이며 갈색 조각이라고 합니다. 다공성이나 상대 밀도를 줄이기 위해 갈색 조각에 에폭시 수지나 구리와 같은 금속을 침투시킬 수도 있습니다.

미국 DTM사는 레이저 소결법을 사용해 강철 분말을 바인더로 코팅한다. 컴퓨터가 레이저 빔의 주사 경로를 제어하고 녹은 바인더를 가열해 금속 분말을 서로 접착시키는 방식이다. ), 약 45%의 기공률을 갖는 부품을 생성하고 건조 및 제습 후 고온로에 넣어 소결 및 구리 침투를 수행하여 표면이 치밀한 부품을 생성합니다. 부품은 강철 65%, 구리 35%로 구성되며, 연마 및 기타 후처리 공정을 거쳐 최종 주형이 완성됩니다.

SLS에 사용되는 복합분말의 혼합 형태는 일반적으로 두 가지가 있는데, 하나는 바인더 분말과 금속 또는 세라믹 분말을 일정 비율로 기계적으로 혼합하는 것이고, 다른 하나는 금속 또는 세라믹 분말을 접착제에 넣는 것입니다. 접착제 희석제, 기본 분말 및 접착제를 완전히 접촉시켜 접착제가 코팅된 금속 또는 세라믹 분말을 제조합니다. 실험에 따르면 이 바인더 코팅 분말의 제조는 복잡하지만 소결 효과는 기계적으로 혼합된 분말보다 우수합니다.

(2) SLS 로스트 폼 정밀 주조

SLS 프로토타입은 플라스틱, 파라핀, 수지 및 기타 분말을 소결하여 만든 후 코팅, 샌딩, 건조 등의 공정을 반복합니다. , 프로토타입에 필요한 두께의 쉘이 형성될 때까지 여러 번 가열하여 모델을 녹이고 기화시켜 쉘을 형성한 다음 쉘을 굽고 마지막으로 용융된 금속을 쉘에 붓고 냉각합니다. , 금형 주조에 필요합니다. 이 공정은 금형의 정확성, 표면 품질, 기계적 특성 및 서비스 수명을 더 잘 제어할 수 있으며 경제적 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 방법으로 생산된 금속 금형 부품은 일반적으로 기계 가공 성능이 우수하고 국부적으로 절단 및 가공하여 더 높은 정밀도를 달성할 수 있으며 인서트, 냉각 부품 및 스프루를 내장할 수 있으며 플라스틱 금형, 다이 캐스팅 금형, 금형 제작에 자주 사용됩니다. 사출 금형 등

SLS 로스트 폼 정밀 주조 공정을 사용하여 만든 트랙터 기어박스 하우징 금형. SLS 공정을 사용하여 프로토타입을 제작한 후 정밀 주조하면 CAD 설계부터 부품 확보까지 단 15일밖에 걸리지 않습니다. 기존 공정은 최소 45일이 걸리고 제조 비용이 60% 절감됩니다. 시제품 제작에는 SLS 공정이 사용되며, 이 공정을 통해 제작된 로스트폼 주조 금형은 기존 공정에 비해 제조주기를 40% 단축시킨다.

(3) SLS 세라믹 쉘 캐스팅

반응성 수지로 코팅된 세라믹 분말을 레이저를 사용하여 소결한 후 분말을 쏟아낸 후 고체화합니다. 주조용 세라믹 주형 쉘을 얻고, 부은 후 금속 주형 부품을 생산할 수 있습니다. 이 방법은 다양한 기존 정밀 주조 공정을 제거하고 기존 정밀 주조의 주요 변화입니다. 컴퓨터의 제어하에 레이저 빔은 층의 스캐닝 라인에 따라 수지 모래와 에폭시 수지의 혼합 분말 재료를 선택적으로 소결합니다. 주조 쉘 층을 얻은 후 작업대는 한 층 두께만큼 떨어지고 공급됩니다. 테이블이 한 층 높이 올라가고, 새로운 자재들이 깔리기 시작했다. 이러한 방식으로 재료는 층별로 쌓이고 층별로 소결되며 최종적으로 필요한 주형 주조 쉘의 반대 모양이 얻어집니다. 선택적 레이저 소결 후의 캐스팅 쉘에는 경화되지 않은 분말 바인더가 남아 있으며 바인더가 고르지 않게 분포되어 강도가 낮습니다. 캐스팅 쉘을 구워서 경화시켜야 합니다. 소성 및 경화 후의 주조 쉘은 원형에 있는 바인더의 응집을 제거하고 원형을 균일하게 경화시킵니다. 프로토타입의 수분 및 기화성 물질이 휘발되어 주조 쉘의 공기 투과성을 향상시키고 주조 중에 발생하는 가스의 양을 줄여 쉘의 주조 성능이 좋습니다. 전통적인 모래 주조 공정과 결합된 주입 시스템은 주조 쉘 외부에 구성되어 주형 주물을 붓습니다.

가장 큰 장점은 속도가 빠르고 금형이나 도면도 필요하지 않다는 점입니다. 설계 엔지니어는 컴퓨터를 통해 주조 작업장 시스템에 데이터를 전송하여 금형 쉘의 설계 및 생산을 완료할 수 있습니다. 회로망. CAD 환경에서는 금형 부품 패턴을 쉘 유형으로 직접 변환한 다음 게이팅 시스템을 장착합니다. 금형 쉘의 두께는 5~10mm가 될 수 있습니다. 이 공정의 가장 큰 단점은 부품의 표면 거칠기가 상대적으로 높다는 것입니다. 핵심 기술은 쉘 두께, 쉘 표면 거칠기 및 경화 공정입니다.

(4) SLS 수지사 주조

SLS 소결 재료로 주조 수지사를 사용하고, 도면이나 요구 사항에 따라 금형 부품의 3차원 CAD 모델을 설계하고 실시합니다. 주조 공정 분석은 주로 게이팅 시스템, 라이저를 설계하고 주조품의 응고 수축 허용치를 결정하며 수축 허용치 및 부품 크기를 기반으로 주조 금형의 CAD 모델을 설계합니다. SLS는 컴퓨터의 제어를 받아 단면 프로파일 정보에 따라 분말의 단면 형상을 스캔합니다. 레이저의 출력은 윤곽 경계에서 분말을 완전히 탄화시키고 응고 효과를 잃을 만큼 커야 합니다. 부품의 3차원 형상이 누적될 때까지 층별로 스캔합니다. 곡선 구조의 분할 표면. 작업대가 단계별로 하강함에 따라 수지 모래 분말이 작업대에 층별로 펼쳐져 있으며, 분말은 평탄화 롤러로 평평하게 굴려 압축됩니다. 분말의 각 층의 두께는 CAD의 슬라이스 두께에 해당합니다. 모델. 각 층의 레이저 스캐닝에 의해 가열된 분말은 파괴되어 응고 효과를 잃습니다. 레이저 스캔되지 않은 분말은 전체 부품이 스캔될 때까지 제자리에 남아 지원을 제공합니다. 작업대의 부품 전체를 가열합니다. 수지사의 종류에 따라 가열 온도는 200~280℃입니다. 부품 표면의 수지 모래는 레이저 탄화 후 응고 효과를 잃기 때문에 부품 표면은 분리면과 동일하며 부품을 주변 폐기물 블록과 분리하고 폐기물 블록을 제거하여 최종적으로 주물을 얻습니다. 곰팡이.

주조 주형의 내부 공동 표면을 적절하게 연마, 다듬기 또는 도장하여 내부 공동의 표면 거칠기를 감소시킨 후 부어 금속 부품 또는 주형을 얻습니다.

수지 사형 주조는 급속 매몰 주조에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다. (a) 우수한 붕괴 특성. 인베스트먼트 주조에 비해 수지 사형 주조는 보다 복잡한 부품을 주조할 수 있으며, CNC로 가공할 수 없는 공기 통로 및 워터 재킷 부품의 모래 코어를 가공하는 데 주로 사용됩니다. (b) 모델링 시간이 짧습니다. SLS와 CNC 기술의 결합으로 샌드 몰드 생산 속도가 크게 향상됩니다. 인베스트먼트 주조에는 고정된 쉘 제조 주기가 필요한 반면, 빠른 모래 주조에는 주조 시간을 유연하게 제어할 수 있습니다. (c) 더 큰 금형 부품을 주조할 수 있습니다. 캐비티 부품을 가공하기 위해 CNC 밀링 기술을 사용하면 가공 효율이 향상될 뿐만 아니라 더 큰 모래 주형을 가공할 수 있으므로 더 큰 금형 부품을 생산할 수 있습니다.