금속 3D 프린터의 가스 순환 여과 시스템의 최적화된 설계 및 주요 성능 요소

Apr 16, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14267(2022) 이 기사 인용

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2 알트메트릭

측정항목 세부정보

금속 3D 프린터의 부품 품질을 더욱 향상시키려면 구조를 최적화하고 가스 순환 여과 시스템의 성능을 연구해야 합니다. 먼저, 형성된 캐비티 모델링을 완성하기 위해 파라메트릭 모델링 방법을 사용했습니다. 이후 Moldflow 시뮬레이션 방법을 이용하여 성형된 캐비티의 공기 흡입구 구조 설계를 최적화하였고, 최종적으로 조립 실험 및 성형된 부품의 부품 측정을 통해 최적화된 설계 결과를 평가하였다. 파라메트릭 모델링과 Moldflow 시뮬레이션 방법의 결합은 높은 모델링 효율성을 제공하고 가스 순환 여과 시스템의 최적화된 설계에 좋은 영향을 미쳤습니다. 설계를 최적화한 후 형성된 캐비티의 난류 강도와 분포 영역이 감소되었습니다. 곡면 가이드판을 3D 프린팅하는 동안 가이드판 홀더의 평면이 가공 기준면에 대해 55° 기울어져 형태 품질이 향상되었습니다. 3D 프린팅된 곡선 가이드 플레이트는 프린터 공기 덕트의 흡입구 끝과 밀접하게 일치했으며, 상부 가이드 플레이트는 나사를 사용하여 적절한 위치에 고정되었습니다. Design 2의 가이드 플레이트에 의해 형성된 부품의 니오브 함량이 낮아 고성능 금속 부품의 3D 프린팅을 위한 기반이 마련되었습니다.

AM(적층 가공) 기술을 사용하면 특수 소프트웨어를 사용하여 3차원(3D) 모델을 슬라이스하여 단면 데이터를 얻을 수 있습니다1. 그런 다음 데이터를 고속 성형 장비로 가져올 수 있어 층별 재료 축적 방법을 통해 부품을 제조할 수 있습니다2. AM 기술은 단위 부품, 소규모 배치, 복잡하고 컴팩트한 구조 등 모든 형태의 부품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다3. 선택적 레이저 용융(SLM)은 금속 분말의 레이저 용융을 기반으로 하는 일종의 AM 기술입니다4,5.

SLM 기술을 사용하여 부품을 성형할 때 레이저와 분말 사이의 상호 작용은 일반적으로 두 가지 문제를 야기합니다6. ① 레이저에 의한 금속 분말의 선택적 스캐닝으로 인해 분말 스퍼터링이 발생합니다. 스퍼터링에 의해 형성된 입자는 모델링 빈 내에서 부유 및 확산된 후 성형 사일로 주변으로 분산되어 분말을 오염시켜 후속 성형 부품에 슬래그 혼입 결함을 초래합니다. ② 레이저가 금속분말에 작용하면, 분말은 연소, 승화, 증발, 응축과정을 거쳐 '고체 스모그'를 형성합니다. "고체 스모그"는 갈보 스캐너의 보호 유리에 달라붙어 레이저가 보호 유리를 통과할 때 큰 에너지 감쇠를 생성합니다. 따라서 형성된 금속 부분은 충분한 에너지를 흡수하지 못하여 결함이 발생하고 레이저 손상이 발생합니다. 또한, "고체 스모그"는 분말 오염을 유발하고 성형 부품에 결함을 초래합니다. 따라서 SLM 성형 장비에서는 일반적으로 모델링 빈의 가스를 순환시키고 필터링하기 위해 가스 순환 여과 시스템을 설정해야 합니다.

SLM 성형 장비의 가스 순환 여과 시스템은 외부 순환 펌프를 사용하여 내부 흡입구와 배기관을 연결합니다. 순환 펌프에 의해 성형 용기 내의 가스가 배기관에서 추출된 후, 가스는 먼저 먼지 여과 장치로 들어간 다음 흡입 파이프를 따라 성형 용기로 다시 흘러 성형 내부의 가스 순환이 발생합니다. 실린더7. 가스 순환 여과 시스템의 첫 번째 주요 기능은 성형 공정에 필요한 무산소 환경을 유지하는 것입니다. 또 다른 중요한 기능은 "파생상품"을 제거하는 것입니다. 성형 공정에는 수많은 미크론 분말 재료가 포함되며 레이저 스캐닝 용융 중에 에너지 충격이 발생합니다. 스퍼터링 입자는 객실 주변에 흩어집니다. 또한, 분말의 일부 불순물은 녹는 동안 "고형 연기"를 생성합니다. "고체 연기"는 끓는 금속 용융 풀에서 전해 금속 증기가 순간적으로 냉각되어 형성된 응집성 응축물로 구성되며 평균 직경은 1μm입니다. 부유 응축물이 객실 환경을 오염시키는 것을 방지하고 특히 레이저 광 경로 범위에 들어가 레이저 입사에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 가이드 플레이트는 일반적으로 "고체 연기"를 방지하고 튀는 입자가 오염되는 것을 방지하기 위해 흡입 파이프의 출구에 배치됩니다. 갈보 스캐너의 분말 및 보호 유리. 배기관 입구에는 집진기(가이드 홈)가 존재하여 성형 캐비티에 있는 "고형 연기"와 분말 입자를 수집합니다. 그런 다음 순환 펌프는 수집된 "고체 연기"와 분말 입자를 필터 코어로 흡수하여 여과합니다. 가이드 홈의 설계가 최적화된 후 흡입관 출구의 가이드 플레이트 성능이 SLM 성형 장비의 가스 순환 여과 시스템 성능에 영향을 미치는 핵심 요소가 되었습니다.