최상의 세라믹

세라믹 부품의 적층 가공은 프로토타입 부품의 생산 속도를 높이고 새로운 가능성을 열어줍니다.

스위스 기업, 맥슨은 다양한 NASA 로버와 함께 화성으로의 모든 여정을 함께 한 드라이브 기술로 유명한 회사입니다. 기술 세라믹의 하이테크 부서는 프라이부르크 근처의 젝사우에 위치해 있으며 잘 알려져 있지 않습니다. 세라믹 구성품은 이제 이 곳에서 3D 프린터로 인쇄하고 레이저로 완성합니다. 

“강철보다 내마모성이 더 뛰어나고 유성 기어헤드용 축과 샤프트로 변환되어 더욱 정밀하고 안정적으로 만들 수 있는 것은 무엇인가?" 드라이브 전문업체인 Maxon Motor GmbH 사의 직원들이 20여 년 전 스스로에게 던졌던 질문입니다. 젝사우에 위치한 Competence Center(역량 센터) CIM/MIM의 비즈니스 개발 및 품질 엔지니어링 책임자인 슈테판 칠름(Stefan Zilm)은 그 답을 알고 있습니다. 금속 사출성형과 유사한 공정인 세라믹 사출성형으로 생산되는 세라믹 부품.

오늘날 맥슨은 기술 세라믹 분야에 광범위한 노하우를 보유하고 있습니다. CIM을 통해 구성품을 수만 개의 수량으로 대량생산할 수 있습니다. 하지만 모든 경험에도 불구하고, 그리고 CAD, 유한요소 계산 및 시뮬레이션과 같은 최첨단 엔지니어링 방식을 사용하더라도, 현실적으로는 새로운 아이디어가 타당한지 또는 세라믹 부품을 생산할 수 있고 계획대로 작동하는지 여부를 결정하는 최종 테스트가 남아 있습니다.

아이디어에서 실제 세라믹 구성품을 생산하기 까지의 일반적인 경로는 길고 비용도 많이 듭니다. 소결해야 할 성형체를 만들기 위해서는 값비싼 금형이 필요합니다. 그 다음 작업 집약적인 공정에서 선삭, 절삭 및 샌딩 작업이 수행됩니다. 칠름은 다음과 같이 인정합니다. "첫 번째 샘플의 경우 작업이 매우 복잡하며, 많은 시간과 비용이 듭니다."

맥슨은 정밀도와 300 x 300mm의 상당히 넓은 인쇄 영역으로 인해 프랑스 제조업체 3DCeram의 프린터를 선택할 수 밖에 없었습니다.

프린터로 제작된 세라믹

그러나 또 다른 옵션이 있습니다. 즉, 3D 프린팅이 제공하는 지름길을 사용하는 것입니다. 이 방법은 이미 플라스틱 구성품에 잘 확립되어 있고 또 금속에도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 플라스틱과 금속의 프린팅은 현재 몇 년 동안 산업 생산의 일부로 자리잡아 왔지만, 세라믹 프린팅은 여전히 실험실에서 공장 문턱으로 모험을 하는 과정에 있습니다. 그러나 그 이점이 너무나 매력적이어서 맥슨은 이미 5년 전에 세라믹 부품의 프로토타입을 고객에게 더 빨리 제공하기 위한 파일럿 테스트를 시작하였으며, 현재도 몇몇 진정한 선구적인 작업을 수행하고 있습니다. 칠름은 말합니다: "이러한 프린터를 사용하면 처음 2~3개의 개발 루프를 훨씬 쉽고 빠르게 완료할 수 있습니다."

집중적인 시장조사 후, 맥슨은 프랑스 제조업체인 3DCeram의 프린터를 선택했습니다. 이 프린터는 회사의 자체 요구 사항을 충족시킬 수 있는 맞춤형 프린터입니다. 칠름은 “당사의 경우, 주요 판매 포인트는 정밀도와 300 x 300mm의 비교적 넓은 인쇄 영역이었습니다.”라고 설명합니다. 이 프린터는 접합재와 세라믹 분말로 구성된 에멀젼을 레이저로 고형화하여 아래에서 위로 층별로 구성품 층을 형성하는 광조형 방식을 기반으로 합니다. 이 층의 두께는 0.025 ~ 0.125mm입니다. 각 층이 도포된 후 프린터 베드가 한 단계 아래로 이동합니다. 이로 인해 응고 중에 균일한 수축이 가능할 뿐만 아니라 높은 정밀도와 매우 미세한 디테일의의 렌더링도 가능합니다. 또 어떤 지지 구조물도 필요하지 않습니다. 3DCeram 시스템의 특별한 강점은 부피가 50세제곱밀리미터에 불과한 매우 작은 부품도 제작할 수 있다는 것입니다.

프린팅 후 압축공기와 첨가제를 사용하여 부품을 세척하고 그 구성품에서 여분의 재료를 제거합니다.

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세라믹 구성품은 보통 요구 사항에 따라 지르코늄 및 알루미늄 산화물로 만들어집니다. 이들은 기술 세라믹 분야에서 "빵과 버터"와 같은 재료입니다. 이 두 재료는 3D 프린터용 에멀젼으로서 사용할 수 있습니다. 탈지 및 소결 기술은 CIM 절차에 해당하며, 그 결과 3D 프린터에서 생성된 성형체가 대량 생산 부품과 동일한 제조 시스템을 통해 진행될 수 있습니다. 원하는 구성품의 복잡성과 필요한 공차 수준에 따라, 소량 생산도 가능하며 세라믹 사출성형(CIM)에 좋은 대안입니다.

칠름에 따르면, 이 절차에는 생산 가능한 최소 벽 두께를 결정하는 UV 레이저 빔의 직경으로 인해 한계가 있다고 합니다. 구성품을 압축공기와 첨가제를 사용하여 세척하여 그 구성품에서 여분의 재료를 제거합니다. 직경이 0.5밀리미터 이하인 구멍은 사출성형에서처럼 완벽하게 둥글게 만들 수 없지만 프로토타입의 경우 일반적으로 충분합니다.

기술 세라믹을 사용한 3D 프린팅으로 복잡한 디테일, 정밀한 외형 및 중공 구조물을 만들 수 있습니다.

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시작부터 적합한 개발 파트너

오늘날 고객은 3D 프린팅에서 보편화된 표준 STEP(제품 모델 데이터 교환 표준) 형식으로 파일을 보내기만 하면 곧 제안을 받게 됩니다. 그리고 주문 확인 후 불과 10 ~ 14일 만에 첫 번째 프로토타입 부품을 제공받을 수 있습니다. “과거에는 몇 주 또는 몇 달이 걸리고 금형 비용이 많이 들었습니다.”라고 칠름은 회상합니다.

이상적으로는 처음부터 맥슨과 협업하는 것입니다. 칠름은 “당사는 첫 번째 아이디어부터 개발 파트너이므로 가능한 한 세라믹에 적합한 설계를 제공할 수 있습니다.”라고 설명합니다. 예를 들어, 여러 구성품을 최적화된 기능의 단일 구성품으로 결합할 수 있습니다. 칠름에 따르면, 세라믹에 필요한 원자재 1kg의 가격이 강철의 약 10배라는 점을 고려할 때 이러한 최적화는 매우 중요합니다. "예를 들어 내마모성, 온도 안정성 또는 윤활유 불필요성을 통해 훨씬 더 나은 기능을 제공하여 이를 정당화해야 합니다."

그러나 적층 가공의 한계에는 아직 도달하지 못했습니다. Competence Center(역량 센터) CIM/MIM 책임자인 안드레아스 필립은 다음과 같이 확신합니다. “이제는 기존의 고전적인 방식이 아닌 3D로 생각해야 할 때입니다.” 그러면 완전히 새로운 가능성이 열리므로 3D 프린팅이 기존 프로세스에 대한 진정한 대안이 될 수 있습니다.