적층 제조에서 속도, 정확도 및 품질을 개선하는 방법
저자 라파엘 하스번,
선임 현장 응용 엔지니어, FARO Technologies
재료를 층별로 추가하여 완전한 제품을 만드는 프로세스인 적층 제조는 제조업체의 시간과 비용을 절약합니다. 따라서 제조업체가 신제품을 설계하고 개발할 때 예산과 시간 제약을 충족하기 위해 애쓰는데 따라 적층 제조 시장이 상당한 성장을 하게 될 것이라는 것은 그리 놀라운 일이 아닙니다.
실제로 Reportlinker.com의 최근 보고서인 "2022-2028년 프린터 유형별, 기술별, 부품별, 용도별, 재료별, 수직별, 지역별 전망 및 전망별 글로벌 적층 제조 시장 규모, 점유율 및 산업 동향 분석 보고서"에서는 세계 적층 제조 시장이 예측 기간 동안 18.9%의 연평균 성장률을 보이며, 궁극적으로 2028년까지 현재의 약 140억 달러 규모에서 446억 달러에 이를 것으로 예측합니다. 이러한 증가는 적층 제조 공정을 활용하여 부품의 시제품 제작을 가속화하는 자동차, 항공우주 및 의료 시장에서의 수요에 의해 촉진될 것으로 예상됩니다.
적층 제조란 무엇입니까?
일반적으로 적층 제조는 밀링, 기계 가공, 조각 또는 쉐이핑을 통해 재료를 제거하는 전통적인 절삭 방법을 사용하여 개체를 만드는 것이 아니라 3D 프린터와 같은 하드웨어에 컴퓨터 지원 설계(Computer-Aided-Design, CAD) 소프트웨어 또는 3D 객체 스캐너와 정교한 소프트웨어를 사용하여 재료를 한 층 한 층씩 정확한 기하학적 모양으로 쌓아서 개체를 만드는 것입니다. 적층 제조 공정을 통해 제조업체는 부품을 단일 부품으로 인쇄할 수 있으므로 재료 낭비를 줄이고 시간을 절약하며 부품 프로토타입 제작 및 리버스 엔지니어링 시 비용을 절감할 수 있습니다.
적층 제조에서 3D 레이저 스캐너의 역할
3D 레이저 스캐너가 제품 개발 과정을 더욱 가속화시키기 때문에 점점 더 많은 3D 레이저 스캐너가 적층 제조의 첫 단계로 사용되고 있습니다. 3D 스캐너는 부품을 만드는 데 필요한 측정값, 기능 및 세부 정보를 단 몇 분 만에 스캔할 수 있는 반면 캘리퍼스 및 CMM(좌표 측정기)과 같은 기존 측정 방법을 사용하면 부품의 가장 단순한 물리적 치수만 수집하자고 해도 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 그런 다음 상세한 3D 스캔은 정교한 컴퓨터 소프트웨어 프로그램으로 전송되며 프로그램은 수집된 데이터를 사용하여 인쇄를 위한 가상 3D 모델을 만듭니다.
3D 스캐너는 더 빠르고 상세한 측정을 제공할 뿐만 아니라 데이터의 고해상도로 인해 정확도를 높이고 전통적인 측정 방법과 관련된 인적 오류 사례를 줄임으로써 처음 만든 제품의 품질 관리를 보장합니다. 3D 스캐닝은 적층 제조 공정을 통해 만든 부품의 고장을 검사하고 진단하는 데도 사용할 수 있습니다. 3D 인쇄된 부품은 사용하고자 하는 환경에서 응력을 주어 테스트할 수 있으며 이런 테스트 이후 3D 레이저 스캐너를 사용하여 부품의 변형이나 중요한 고장 지점을 찾아 진단하여 제품 품질을 더욱 보장하고 후속 제품 생산을 가속화할 수 있습니다.
또한 미리 형성된 표면, 복잡한 곡률을 가진 표면 또는 질감이 있는 표면 마감이 있는 객체를 캡처하는 데 있어 기존 측정 방법은 기존 도구를 사용하여 쉽게 측정할 수 없기 때문에 3D 스캐닝은 기존 측정 방법보다 우수합니다. 3D 스캐닝은 또한 자동차 산업에서 맞춤형 또는 단종된 부품을 만들기 위해 종종 사용되는 리버스 엔지니어링의 도전으로 떠오릅니다. 적층 제조를 위한 물리적 물체를 리버스 엔지니어링하려면 부품의 높이, 너비, 깊이, 직경 및 둘레뿐만 아니라 반경 및 특정 형상의 질감과 같은 복잡한 세부 사항을 정확하게 측정해야 합니다. 3D 스캐닝은 부품의 표면, 세부 사항 및 복잡한 기능과 관련된 모든 데이터를 효율적이고 정확하게 수집하여 정확하고 상세한 데이터를 프린터로 전송하여 적층 제조를 할 수 있습니다.
스캐닝 기술의 개선으로 적층 제조의 문제점 극복
적층 제조 공정에서 3D 스캐닝을 사용하는 경우의 많은 이점에도 불구하고, 크고 무거운 부품을 스캐닝에서의 문제점과 같은 몇 가지 관련 과제가 있습니다.그러나 Quantum Max FaroArm® 휴대용 3차원 측정기와 같은 일부 최신 기술은 이런 문제점을 인식하고 큰 물체 주변으로 더 잘 확장될 수 있도록 보다 편안한 조율을 제공하기 위해 더 큰 도달 범위를 제공합니다.모든 FaroArm과 함께 사용할 수 있는 모듈식 구성 요소인 FARO® 8축 최대 회전 작업대와 결합하면 스캐닝 장치를 재배치하거나 재배치할 필요가 거의 없습니다.전통적인 방식에서 기술자는 큰 부품을 한 번에 한 섹션씩 스캔한 다음 스캐너를 다음 섹션으로 옮겨야 했습니다.이런 이동으로 인해 데이터가 부정확해질 수 있지만 회전식 작업대를 사용하면 식탁의 회전 쟁반처럼 회전하는 테이블에 부품을 장착할 수 있으므로 스캐너를 이동하지 않고도 부품을 캡처할 수 있어 오류가 제거되고 데이터의 정확도가 높아집니다.
기존 3D 스캐너와 관련된 또 다른 문제는 어둡거나, 반짝이거나, 반사되는 부품을 스캔하는 데 어려움을 겪는 경우가 많다는 것입니다. 이러한 경우, 기술자는 일반적으로 정확한 스캔을 달성하기 위해 부품을 무광택으로 마감하기 위해 파우더로 분사하지만, 광학적으로 우수한 블루레이저 기술이 도입되었기 때문에 과거의 일로 되었습니다. FARO의 Quantum Max ScanArm은 특별히 제작된 3개의 핫 스왑 가능한 레이저 라인 프로브(Laser Line Probe, LLP)를 특징으로 하는 가장 진보된 휴대용 측정 도구로서 자유형 표면의 신속한 시제품 제작, 리버스 엔지니어링 및 3D 모델링과 같은 기능을 제공합니다. 블루레이저 기술을 사용하면 어둡거나 반사되는 표면을 포함하여 까다로운 표면을 스캔할 수 있으므로 프로세스를 단순화하고 적층 제조 응용에 앞서 이러한 물체를 스캔하는 정확도를 높일 수 있습니다.
스캔을 인쇄용으로 변환하는 데 사용되는 복잡한 소프트웨어는 적층 제조 업체의 또 다른 과제였지만, 오늘날에는 가장 정교한 소프트웨어 프로그램도 더욱 사용하기 쉬워지고 있습니다.예를 들어, FARO RevEng™ 소프트웨어를 사용하면 3D 인쇄용 모델 생성을 위해 메쉬를 보다 정확하게 캡처하고 보다 쉽게 편집할 수 있습니다.소프트웨어를 3D 스캐닝 제품과 함께 사용하면 고해상도 컬러 포인트 클라우드에서 단순한 메쉬에 이르기까지 다양한 데이터를 상세한 메쉬로 변환할 수 있어 디자인과 구성에 대한 더 많은 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 재료와 질감 간의 시각적 차별화를 제공합니다.직관적인 사용자 인터페이스는 단일 화면에 모든 도구를 시각적으로 표시하여 특정 설계 요구 사항을 충족하기 위해 3D 개체를 쉽게 조작하고 사용자 정의할 수 있도록 하여 적층 제조 응용에서 역엔지니어링의 워크플로 생산성을 더욱 높입니다.
하나로 모으기
최근 자동차 업계 유튜버이자 모터스포츠 레이서인 Adam LZ는 FARO 및 소프트웨어 제공업체 Oqton과 협력하여 FARO의 3D 스캐닝 기술, Oqton의 Geomagic Design X 소프트웨어 및 적층 제조를 사용하여 경주용 자동차용 맞춤형 부품을 제작했습니다. 처음에 차량의 대시보드에는 내비게이션 콘솔이 포함되어 있었는 데 이것은 차량에 불필요한 무게를 더하는 것으로 제거해야 했습니다. 이 프로젝트의 목표는 내비게이션 시스템을 제거한 후 대시 안에 남아 있는 공간을 제대로 채울 수 있는 맞춤형 경량 부품을 신속하게 만드는 것이었습니다.
먼저 내비게이션 콘솔을 포함한 대시보드를 차량에서 제거하고 8-Axis Max에 배치하여 큰 크기에도 불구하고 FARO ScanArm으로 쉽게 스캔할 수 있었습니다. F"대시보드를 8축 최대까지 고정하고 회전시키면 조각이나 스캐너를 조작하거나 이동할 필요가 없어 작업량이 줄고 스캔 정확도가 높아집니다"라고 FARO의 수석 애플리케이션 엔지니어인 윌 피타렐로는 말했습니다. "움직임이 적으면 정확도가 높아지고 데이터 수집에 오류를 일으킬 수 있는 변수가 줄어들까요"?
설계자는 전체 대시보드를 스캔하여 내비게이션 시스템이 부품의 어디에 있는지 이해할 수 있었습니다. 이 단계가 완료되면 탐색 콘솔을 제거하고 스캔하여 콘솔 자체의 모양과 대시 내에서 안전하게 고정하는 금속 클립에 대한 통찰력을 제공했습니다. 세 번째 스캔은 대시에 남아 있는 빈 공간을 촬영하여 마운트 지점을 포함하여 빈 공간 아래의 형상을 이해함으로써 새로 생성된 부품이 빈 공간에 맞고 기존 마운트에 제대로 부착되도록 했습니다. "전체 대시보드와 내비게이션 콘솔 자체뿐만 아니라 내비게이션 시스템을 탈거할 때 생성된 빈 공간과 그 아래의 형상을 스캔하여 새 맞춤형 부품이 해당 공간을 덮을 뿐만 아니라 기존 장착 지점에도 제대로 끼울 수 있도록 하는 것이 중요했습니다.”라고 Oqton의 애플리케이션 엔지니어 관리자인 그레그 조오지가 말합니다.
그런 다음 Geomagic Design X 소프트웨어를 사용하여 세 개의 스캔을 결합하여 적층 제조를 통해 부품을 매우 신속하게 제조하는 데 사용되는 3D 모델을 만들었습니다. 빠른 적층 제조 속도와 함께 빈 공간 형상, 대시 표면 텍스처, 장착 지점 및 기타 필요한 모든 기능을 포함한 스캔의 정확성으로 하여 성공을 거두었고, 다음날까지 기존 클립에 장착된 가죽과 같은 표면 질감과 잘 어울리는 부품을 디자인하여 제작했습니다.
"좋은 점은 적층 제조를 사용하면 부품을 신속하게 만들 수 있고 부품을 사용할 수 있게 되면 부품이 적합한지, 무게가 맞는지 결정할 수 있다는 것입니다."라고 조오는 말합니다. "그리고 만약 우연히 너무 무겁거나 잘못된 경우, 여러분은 동일한 기술을 사용하여 이것을 매우 빠르게 반복할 수 있으며 더 잘 맞거나 가벼운 다른 부품을 똑같이 빨리 만들 수 있습니다."
오늘날의 3D 레이저 스캐닝 기술과 사용자 친화적인 소프트웨어 패키지는 혁신적인 적층 제조 업체의 작업 흐름 속도를 높이는 동시에 생산된 부품의 정확성과 품질을 보장하여 그 어느 때보다 수익성과 효율성을 높인다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.