적층 제조(AM)와 그 지속적인 진화는 산업 분야에 상당한 잠재적 이점을 제공하여 산업 혁명의 가장 새로운 장을 열 것입니다.

3D 프린팅이라고도 하는 AM은 온 디맨드 방식으로 복잡한 설계를 제작할 수 있는 능력을 통해 제조 기술을 크게 향상시킵니다.  이러한 설계에는 매우 복잡한 내부 채널과 정교한 격자가 포함되어 있어 우수한 제품 강도와 뛰어난 일체 성형 기능을 제공하는 동시에 기존의 절삭 가공 방법에 비해 무게를 크게 줄일 수 있습니다.

CNC 기계 가공과 같은 기존의 절삭 가공 공정은 AM에 비해 부피가 더 큰 경우에 적합하고 부품당 비용이 저렴할 수 있지만 원하는 최종 형태를 얻기 위해 더 큰 블록에서 재료를 제거하는 방식으로 작업합니다. 따라서 이러한 전통적인 공정은 상당한 자재 낭비를 초래할 수 있으며, 중요한 것은 중공형 및 다공성 제품의 제작, 두 개 이상의 추가 재료의 통합 및 빠른 프로토타입 제작과 같이 AM이 제공할 수 있는 핵심적이고 혁신적인 기능이 부족하다는 것입니다.

입자 시험 기관은 AM 공정에 결정적인 영향을 미칠 수 있는 다양한 벌크 분말 및 입자 특성을 검사하는 데 필요한 서비스를 제공할 수 있습니다.

입도

제어를 위해 필요한 가장 중요한 속성 중 하나는 입도 분포입니다.  분말의 유동성에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 균일한 분말층 밀도를 제공하는 능력에도 영향을 미칩니다. 이는 결국 입자를 소결하거나 결합하는 데 필요한 에너지 입력을 결정하며 제작된 부품의 표면 마감에도 영향을 미칩니다. 레이저 회절은 입도 및 입도 분포 측정을 위해 가장 잘 정립되고 인정된 분석 기법 중 하나입니다.

 

입자 형상

입자 형상 또는 형태(morphology) 또한 벌크 분말 공급원료의 충진 및 흐름 특성에 영향을 미칩니다. 구형 입자는 불규칙한 형상의 입자에 비해 더 균일하게 배열되고 충진될 것으로 예상됩니다. 이러한 형상은 또한 분말의 유동성을 촉진하는 것으로 알려져 있으며 분말층 시스템에서 보다 균일한 층을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 형상은 또한 분말층의 충진 밀도와 최종 생성물의 겉보기 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다. 불규칙한 형상의 입자는 낮은 최종 성분 밀도와 관련이 있는 경우가 많으며, 이로 인해 기공률이 증가할 수 있습니다.

밀도

진밀도는 물질의 고유한 속성인 반면 겉보기 밀도는 물질 내의 폐색된 공극을 고려합니다. 공급원료 물질의 진밀도 및/또는 겉보기 밀도를 알면 최종 제품의 기공률뿐만 아니라 분말층 형성 및 소결 속도에 대한 정보를 얻는 데 도움이 됩니다.

분말의 벌크 밀도는 입자의 물리적 특성뿐만 아니라 층 내에 혼입된 공기의 양에 의해 크게 영향을 받습니다. 벌크 밀도는 재료의 사양을 설정하는 데 중요할 수 있으며 분말의 유동성 및 층 형성에 대한 다른 평가를 보완합니다.

엔벨로프 밀도는 시료의 기하학적 부피를 기반으로 하며, 복잡하고 불규칙한 부피를 정확하게 측정할 수 있으므로 최종 생성물을 평가하는 데 유용합니다. 진밀도 측정과 결합할 경우 기공률을 빠르고 쉽게 결정할 수 있습니다.

기공률

AM에서 기공률은 완성된 구성 요소의 최종적인 기계적 강도와 품질을 시사할 수 있습니다. 기공률은 일반적으로 재료 속성, 경도 및 표면 마감에 미치는 영향을 최소화하기 위해 제어됩니다. 그러나 기공률은 실제로 최종 제품에 대해 설계된 매개변수가 될 수 있습니다.

예를 들어, 인공 뼈 임플란트는 주변 뼈의 기공률과 일치해야 하거나, 원하는 기계적 강도를 가진 경량 제품을 얻기 위해 설계 단계에서 기공률을 간단히 지정할 수 있습니다.

수은 압입은 분말 및 성형 제품의 기공률 특성을 정량화하는 입증된 기법입니다. 이 기법은 엄격하게 통제된 압력하에서 수은이 다공질 구조로 침투하는 것을 기반으로 합니다.

수은 기공 측정법은 속도, 정확도 및 넓은 측정 범위를 제공할 뿐만 아니라, 이를 통해 기공 크기 분포, 총 기공 부피, 총 기공 표면적, 기공 직경 중앙값, 벌크 및 골격 밀도, 기공 백분율과 같은 다양한 특성을 평가할 수 있습니다.

표면적

분말의 단위 질량당 표면적은 매우 중요합니다. 표면적은 다른 성분 입자 및/또는 주변 환경과 반응할 수 있는 물질의 양을 나타냅니다. 표면이 거칠거나 내부가 다공질인 입자는 일반적으로 더 큰 비표면적을 가집니다. 따라서 표면적은 소결 공정의 속도 및 최종 생성물의 특성을 조사하는 데 중요한 도구입니다.

분말 재료의 비표면적은 잘 정립된 BET 방법을 사용하여 가스 흡착 방식으로 측정할 수 있습니다. 이 기법의 경우(일반적으로) 질소 가스는 극저온에서 물리 흡착되며, 표면에 단분자층을 형성하는 데 필요한 양은 수집된 등온선 데이터에 BET 방법을 적용하여 결정합니다.

분말 흐름

분말 기질로 제품을 제조하는 것은 야금 산업 분야에서 잘 정립되어 있으며 다른 분야에서도 계속 발전하고 있습니다.

금형에 촘촘하게 충진된 분말을 소결하든 층 단위로 국부적으로 용융하든 이 공정은 공급 원료의 유동 특성과 벌크 거동에 민감합니다. 흐름 특성이 불량할 경우 불균일한 밀도, 불균일한 계층, 오염, 막힘 및 가동 중지가 발생할 수 있으며, 이 때문에 생산성이 저하되고 제품의 품질이 저하될 수 있습니다.

안식각 및 홀 흐름 측정과 같은 흐름을 정량화하는 기존 기술은 AM 장비의 성능에 영향을 미칠 수 있는 분말 간의 미묘한 차이를 식별하기에는 너무 둔감한 것으로 인정되는 경우가 많습니다.

분말 유동학은 분말의 공정 최적화 및 수명 주기 관리를 지원하는 공정에 적합한 물질을 정의하는 데 사용할 수 있는 공정 관련 데이터를 생성하는 공급 원료의 동적, 벌크 및 전단 특성에 대한 종합적인 다변량 평가를 제공합니다.

환경 안정성

공급원료 물질을 보관 및 취급할 때 온도, 습도 및 기타 환경 조건의 변화에 노출되면 원료가 공정에서 발휘하는 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 이러한 변화가 미치는 영향과 분말/공정의 환경 허용 오차를 파악하는 것이 중요합니다. 이는 TGA, DSC, DVS 또는 역가스 크로마토그래피를 사용하여 프로그래밍된 연구를 통해 온도 및/또는 습도의 제어된 변화를 거친 분말을 테스트함으로써 평가할 수 있습니다.

표면 형상

표면 형상은 표면 질감 속성에 대한 시각적 및 화학적 평가를 제공합니다. 주사 전자현미경 검사(SEM)로 표면을 탐색하여 표면 공극, 틈/균열, 칼날 전위 등의 미세 구조를 관찰합니다. 따라서 SEM은 구성 요소 손상 분석 시 반드시 필요한 도구입니다.

SEM은 또한 AM에 사용되는 원료 분말을 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어 응집체를 감지하고 표면 거칠기를 평가하며 구형 입자와 불규칙 형상 입자의 비율을 정량화하는 데 사용됩니다. 이 모든 것이 분말 유동성 및 소결에 영향을 미칩니다.

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