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피니싱 애플리케이션

3D 프린팅 파트의 접착, 밀봉 및 미화

사출 성형으로 제작된 제품, 첨단 툴링 애플리케이션, 내구성이 강한 커스텀 장비와 외관과 느낌 면에서 거의 차이점을 찾기 어려운 시제품을 제작하기 위해서는 3D 프린팅 파트에 여러 간편한 후처리 공정을 거칩니다.

접합 및 접착

개요

3D 프린터의 조형 크기 이상의 모델을 제작하거나 3D 프린팅 부품을 다른 구성품과 조합하여 제작할 수 있습니다.

FDM 부품 접합

단일 빌드에 장착하기에 너무 큰 부품의 경우, 서포트 재료를 적게 사용하는 더 빠른 작업 빌드의 경우 또는 섬세한 피처가 있는 부품의 경우, FDM(Fused Deposition Modeling) 부품의 절단 및 접합이 적합한 솔루션입니다. FDM 부품의 접합에는 다양한 방법과 더 많은 재료를 응용할 수 있습니다.

접합 방법을 선택할 때 주요한 고려 사항은 접합된 연결 부위의 강도 및 각 FDM 재료와의 호환성입니다. 강도 데이터를 위해 Stratasys는 University of Texas El Paso에서 인장 강도를 측정하기 위한 실험실 테스트를 실시했습니다. 시간, 비용, 작동 난이도, 부품 구성 및 일반 성능을 비롯한 기타 기준도 고려되었습니다. 그러나 접합 부품의 정확도는 여러 요소에 따라 달라집니다. 예를 들어, 점성도 같은 접착 특성은 정확도에 영향을 줍니다. 작업자의 숙련도, 연결 부위 유형 및 픽스처 유형은 훨씬 큰 영향을 미칩니다.

아래에서는 고객의 필요 사항에 가장 적합한 접합 방법을 선택하는 데 도움이 되도록, 다양한 FDM 재료로 구성된 부품을 접합하는 일반적인 방법에 대한 간략한 평가 내용을 설명합니다.

접착제(에폭시)

FDM 부품을 접합하는 데에는 일반적으로 이액형 에폭시 수지가 사용됩니다. 에폭시 성분을 혼합한 다음 디스펜서, 브러시 또는 침윤기를 사용하여 바릅니다. 점성도는 묽은 코크 유사 상태부터 걸쭉한 퍼티 유사 상태까지 다양하므로 활용 기법도 다양합니다. 도포 후, 에폭시가 경화되는 동안 접합된 단면을 고착시키거나 클램프로 고정합니다.

에폭시 수지는 경화 기간, 재료 특성 및 접합 강도가 다양합니다. 그러나 일반적으로 사용이 쉽습니다. 에폭시 수지는 매우 양호한 기계적 강도를 제공하며 일반적으로 적절한 온도 저항성과 내화학성을 나타냅니다. 이러한 접착제는 20분 - 70분 작업 시간의 이점을 제공하기 때문에 단면을 맞춘 후 미세 조정이 가능합니다. 그러나 대신 경화 시간이 깁니다. 실온에서 경화되는 경우, 부품을 수 시간 동안 취급할 수 없고 경화 주기도 하루에서 5일까지 지속됩니다. 열 경화의 경우 이 주기가 크게 가속화될 수 있습니다.

접착제(시아노아크릴레이트)

시아노아크릴레이트는 보통 강력 순간 접착제로 알려져 있습니다. 시아노아크릴레이트는 빠르고 편한 수리 작업과 저강도 접합 응용에 사용할 수 있는 순간 접착제입니다. 강력 접착제는 짝을 이루는 표면에 바르기만 하면 단면이 접착됩니다. 접착제는 몇 분 안에 응고됩니다. 강력 접착된 FDM 부품의 인장 강도는 에폭시 접착제의 인장 강도보다 높습니다. 그러나 고온, 화학물질 및 용제에 대한 저항성은 좋지 않습니다. 따라서 강력 접착제로 접합되면 FDM 부품의 성능이 떨어질 수 있습니다. 따라서 기능성 시제품이나 제조용 부품보다는 컨셉 모델, 조립 및 형상 시제품에 권장됩니다.

용제

용제 접합은 접합할 표면에 플라스틱을 화학적으로 녹여서 이루어집니다. 브러시를 사용하여 용제를 단면에 바른 다음 짝을 맞추고 클램프로 고정하거나, 사전에 짝을 이룬 연결 부위나 기존 균열 부위에 용제를 주입할 수 있습니다. 물처럼 묽은 용제가 부품 표면으로 위킹되면 수리나 접합의 강도가 향상됩니다. 여러 용제를 사용할 수 있지만 Micro–Mark의 SAME STUFF 제품을 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 다른 여러 접착제보다 더 강력한 접합을 제공합니다. 강력 접착제와 마찬가지로 공정이 간단하며 수 초 안에 접합이 응고됩니다. 또 다른 유사점으로는 용제가 갈라진 틈이나 균열 부위로 위킹되기 때문에 손이 닿기 어려운 부분에 사용할 수 있다는 점을 들 수 있습니다.

강력 접착제 및 에폭시에 비해 좋은 점은 증발 후 접합 부분에 FDM 재료만 남는다는 것입니다. 접합이 수 초 내에 응고되지만 부품을 8시간 이상 경화시켜야 합니다. 또한 부품을 176F(80C) 이상의 온도에 노출시킬 경우 표면 기포가 생길 수 있습니다. 용제 용접은 PPSF 또는 ULTEM 9085의 접합에 적합하지 않습니다. 이러한 FDM 재료는 내화학성을 가지므로 용제에 거의 반응하지 않습니다.

열기 플라스틱 용접

플라스틱의 열기 용접은 금속의 산소–아세틸렌 용접과 비슷합니다. 그러나 불꽃 대신 뜨거운 공기를 분사하고 필러 로드 대신에 FDM 재료의 필라멘트를 사용합니다. 부품 접합을 위해 연결 부위를 따라 열기 용접 도구를 천천히 당깁니다. 열이 필라멘트를 녹여 틈을 메웁니다. 이 방법은 다른 모든 방법에 비해 강력한 접합을 제공합니다. 또한 빠르고 저렴합니다.

부품은 냉각되는 즉시 바로 사용할 수 있습니다. 접합 재료가 작은 FDM 플라스틱 조각이기 때문에 비용은 무시해도 될 정도입니다. FDM 재료를 접합 미디어로 사용하는 또 다른 이점은 재료 연속성이 있다는 것입니다. 접합 부분이 부품과 동일한 특성 및 특징을 갖습니다. 최적의 결과를 위해 열기 용접은 박벽 단면에는 사용해서는 안 됩니다. 또한 공정에 약간의 기술이 필요하므로 기공사의 경험과 기술에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.

초음파 스폿 용접

이 기법은 플라스틱 부품 간을 영구적으로 접합할 때 생산 공정에서 널리 사용됩니다. 초음파 스폿 용접 도구는 연결 부위의 국소 영역을 녹이기 위해 음파를 사용합니다. 휴대용 초음파 용접기를 이용할 수 있기 때문에 이 방법도 소량의 프로토타이핑 또는 DDM(직접 디지털 제조) 애플리케이션에 사용될 수 있습니다. 다른 접합 방법과 비교하여, 용접 도구를 구매해야 한다는 점 이외에 초음파 용접에는 단점이 거의 없습니다. 용접된 영역은 주변 재료보다 더 튼튼하지만 인장 강도는 열기 용접되거나 접합되지 않은 부품만큼 좋지 않습니다. 초음파 용접기의 혼 및 혼팁은 자주 교체할 수 있습니다. 다양한 혼 및 용접 팁을 사용할 수 있으며, 이에 따라 용접할 수 있는 재료의 두께, 용접 지름뿐만 아니라 생성되는 용접 유형이 결정됩니다.

재료가 연결 부위에 들어가지 않기 때문에 부품의 정확도나 특성에 변화가 거의 없습니다. 따라서 초음파 용접은 부품의 품질뿐 아니라 인체 조직 접촉의 적합성을 고려해야 하는 의료 애플리케이션에 이상적입니다.

더 높은 강도가 요구될 경우 다른 방법과 함께 초음파 용접을 사용할 수 있습니다. 가용접을 통해 개별 조각을 제 위치에 고정한 다음 접착제, 용제 또는 기타 접합 물질을 바릅니다. 이러한 접근은 특히 크기가 크거나 다루기 힘든 조립품에 유용합니다. 초음파 용접은 빠르고 매우 저렴합니다. 용접 작업이 완료되면 부품을 즉시 사용할 수 있습니다. 또한 소모품이 필요하지 않기 때문에 직접 인건비만 지출됩니다.

패스너(기계적 방법)

이 접근은 접합이 아닌 연결 방법이기는 하지만 효과적인 대안이 될 수 있습니다. 여러 기계적 고정 방식과 하드웨어 옵션을 통해 FDM 부품을 연결할 수 있습니다. 단면을 기계적으로 연결하는 유일한 접근 방식은 조형 과정 중 FDM 부품에 고정 하드웨어를 삽입하는 것입니다. Fortus 기계에서 이 방식이 출현하면서 패스너가 부품 내에 통합되었습니다.

고객 사례

“우리는 깨끗하고, 에너지 효율적인 자동차를 소유하고 운행하기를 원했습니다.”라고 KOR EcoLogic의 Winnipeg 소재 엔지니어링 그룹 담당 사장 겸 선임 디자이너인 Jim Kor는 말했습니다. 환경에 대한 그의 열정은 Stratasys의 생산 능력으로 제작된 Urbee라는 신차 코드에 지속가능성 원칙을 설계해냈습니다. 2인승 Urbee(예비 연료로 에탄올(ethanol)을 이용하는 도시 전기자동차(urban electric)를 의미함)는 가능한 에너지를 적게 사용하도록 설계되었습니다. 고속도로에서는 200mpg 이상, 시내에서는 100mpg 이상에 도달할 수 있습니다. 현재, 이 제품은 전체 본체가 적층 공정을 통해 프린팅된 최초의 시제품 차량입니다.

옵션 평가 시, Kor는 섬유 강화폴리머(FRP)나 섬유 유리를 사용하여 시제품 본체 패널을 제작하려면 먼저 나무나 MDF로 튼튼한 뼈대를 만들고 모양을 수공 조각할 수 있는 고밀도의 발포제로 덮어, 각각의 본체 패널을 위한 1:1 축적의 플러그를 제작해야 한다는 사실을 알게되었습니다. 또는, 더 정밀한 표면을 만들기 위해 CNC 밀링 기계를 이용하여 플러그를 새길 수 있었습니다.

“섬유 유리 본체는 시간이 오래 걸렸으며 “초안으로 작업하거나 금형에서 부품의 기능을 다룰 수 있어야 했습니다.”라고 Kor는 말했습니다.”

KOR의 산업 디자이너 중 한명이 Jim Kor에게 Stratasys를 추천한 후 팀은 솔루션을 찾은 듯 했습니다. Stratasys 담당자와의 대화를 통해 Kor는 RedEye on Demand(Stratasys에서 제공하는 사내 고속 프로토타이핑 및 DDM(직접 디지털 제조) 서비스)에서 Dimension 3D 프린터 및 Fortus 3D 제조 시스템을 사용하여 모든 외장 구성품을 만들고 접합할 수 있다고 믿게 되었습니다

Kor와 그의 동료는 모든 개별 부품의 정확한 조립을 확인하기 위해 먼저 1/6 축적의 모델을 제작하여 자동차의 스캔된 컴퓨터 모델을 9개의 논리적 본체 패널로 변환했습니다. 이를 통해 팀은 대형 패널에도 문제가 없다는 확신을 갖게 되었습니다.

Stratasys와 함께, 팀은 ABS 재료를 선택하고 자동차 조형을 시작했습니다. 진행 승인을 받은 후 수 주 내에 Kor에서 여러 주요 본체 패널이 조형되었습니다. 실제 크기의 도어와 측면 패널이 먼저 완료되었습니다. “매우 큰 패널이었습니다.”라고 Kor는 회상합니다. “부품은 완벽하게 조립되었습니다.” 나머지 본체 패널이 조형되고 Stratasys에 의해 접합되었습니다.

“Stratasys는 범퍼를 제작하고 정확히 필요한 위치에 플라스틱을 배치할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “믿을 수 없을 만큼 상당히 효과적이었습니다. 환경 보호에 적절하고 비용을 절감하며 안전성을 훼손하지 않습니다.’ 우리는 필요하지 않은 위치에 재료를 사용할 필요가 없습니다. FDM Technology를 통해 중간에 Urbee의 디자인 변경을 쉽고 효율적으로 수행할 수 있었습니다.”라고 Kor는 말했습니다. “또한 금형, 기계 가공 및 수작업이 필요 없어 환경 친화적인 요소를 충족하는 데 도움이 되었습니다. 금형 없이 시험 실행이 가능한 경우 여러 이점이 있습니다.”

Kor는 FDM 생산 기술의 속도에 감탄했습니다. “본체 부품 제작에는 매우 빠르게도 수 일 또는 수 주가 걸립니다.”라고 그는 말했습니다. “다른 방법을 사용할 경우 수 개월이 걸립니다.”

FDM Urbee 부품을 접합하는 Jim Kor

“Urbee 모델의 기능 테스트를 위해 실제 크기의 차량 외관을 ABS 플라스틱으로 제작했습니다. 단일 부품으로 제작하기에 너무 큰 일부 부품은 Fortus 900mc에서 제작할 수 있도록 몇 부분으로 분할했습니다. 부품이 제작된 후 분할 제작된 구성품을 함께 접합해야 합니다. 우리는 열기 용접 방법을 사용했습니다. 나누어 제작된 부품은 열장이음 절단 조인트, 클램프 및 바이스 그립을 사용하여 제자리에 고정되었습니다. 그런 다음 분할면을 제 자리에 가용접했습니다. 다음으로, 동일한 열기 용접 방법을 사용하여 모든 외부 연결 부위와 내부 늑골 부분을 접합했습니다. 내부의 비구조적 늑골 부분은 용제 접합제인 ProWeld를 사용하여 접합되었습니다. 미적 및 기능 테스트를 위해 외부 표면을 마감하기 위해 용접 부위를 사포로 매끄럽게 닦았습니다.”

PolyJet 부품 접착

개체의 오버몰딩 기능은 성형된 부품을 함께 접착함으로써 제품을 목업해야 하는 필요성을 크게 줄였습니다. 그러나 빌드 트레이보다 큰 부품을 제작하기 위해 또는 3D 프린팅된 부품을 다른 구성품과 조합하기 위해 접착이 필요할 수도 있습니다. 다행히 PolyJet 광경화성 수지로 3D 프린팅된 부품은 간단하고 저렴한 가정용 접착제로 쉽고 빠르게 접착할 수 있습니다.

대형 모델의 경우, 3D 프린팅을 위해 설계를 여러 부품으로 분리할 수 있습니다. 이 때 부품이 정확히 연결될 수 있도록 소프트웨어 절단 도구를 사용합니다. 부품은 순간 접착제를 사용하여 연결하거나, 활성제가 필요한 접착제를 사용하여 접합 시간을 조절하고 재배치를 허용할 수 있습니다.

접착을 위한 부품 사전 프린팅

대형 부품을 프린팅하는 경우, 설계를 여러 부품으로 나눈 다음 함께 접착하여 전체 조립품을 만들 수 있습니다. 이 작업은 설계가 완료되기 전에 CAD 소프트웨어를 사용하거나 CAD 설계가 이미 완료된 후 STL 파일 조작 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있습니다. 여러 부품을 함께 접착할 때 다음 내용을 고려해야 합니다.

  • 부품을 정확히 연결할 수 있는 쉬운 방법 찾기
  • CAD 설계에서 의도한 대로 접착된 부품의 치수 특성 유지

Magics 소프트웨어 절단 도구는 이러한 목표를 달성하면서 여러 부품을 함께 접착하는 손쉽고 직관적인 방법을 제공합니다. Magics 소프트웨어 절단 도구는 여러 가지 옵션을 제공합니다. 이 소프트웨어 도구 사용 시 다음 절차를 따르는 것이 좋습니다.

  1. 부품의 일반좌표계와 일치하는 보기로 부품의 방향을 배치열합니다(즉, 전면 보기, 후면 보기, 좌측 보기 등). 이 방식으로, 부품과 관련하여 절단선을 그릴 명확한 투시도를 얻을 수 있습니다.
  2. 절단선을 그립니다. 부품 본체 외부의 한 점에서 시작하여 부품 본체의 다른 쪽에 있는 점으로 끝나도록 하여, 본체를 지나는 직선을 그리는 것이 좋습니다.
  3. 삼각형(접착된 부품에 가장 적합), 사각형(금형에 가장 적합), 실톱 또는 사용자 정의 절단 중에서 선택할 수 있습니다. 또한 절단 유형의 크기와 오프셋을 조절할 수도 있습니다.
  4. 절단 부품 사이에 간격을 추가하십시오. 이렇게 하면 접착을 위한 충분한 공간이 남게 되어 최종 부품이 설계된 치수 특성을 유지할 수 있습니다. 간격 값은 사용된 접착제 종류에 따라 다르며 권장 기본값은 0.1mm입니다. 절단 작업이 완료되면 2개의 개별 STL 파일이 생성되며 트레이에서 자유롭게 프린팅할 수 있습니다.

접착을 위한 부품 후 처리

부품 접착 전에 다음 공정을 수행하는 것이 좋습니다.

  1. 부품을 프린팅한 후 물 분사대를 사용하여 부품을 세척합니다.
  2. 부품 세척을 마치면 물로 희석된 2% NaOH 용액에 20분 - 40분 동안 담궈 둡니다. 이렇게 하면 모든 서포트 재료 잔류물이 제거됩니다.
  3. 다시 물로 세척합니다.
  4. 야외에서 부품을 건조시키거나 가압된 공기를 사용하여 빠르게 건조시킵니다.

권장 접착제 유형

PolyJet 전문가가 가장 일반적으로 사용하는 접착제 유형은 강력 접착제입니다(시아노아크릴레이트라고도 알려짐). 일반적으로 시아노아크릴레이트는 수분(특히 수산화물)에 노출되면 빠른 중합 반응을 보이는 아크릴 수지입니다. ALTECO- ACE –D는 접합 시간을 조절하기 위해 대개 활성제와 함께 사용합니다. 잔류물이 모델에 흘렀을 때 경화시키는 용도로도 활성제 분무를 사용할 수 있습니다. 그런 다음 사포로 문질러서 남은 접착제가 부품 위로 퍼지지 않게 할 수 있습니다.

순간 접합을 원하는 경우, 접착제를 원하는 표면에 바른 다음 촉매제를 분무합니다. 접착제와 촉매제에 대한 자세한 내용은 다음 링크를 참조하십시오.

기타 접착제 유형

경성 부품

  • LOCTITE 401 – 중간 점성도
  • Permabond Ultra Fast 792 – 초고속 경화 시간, 범용
  • Al-fix – 활성제와 함께 제공
  • Kleiberit 851.0 – 도포기 캡 사용이 편리함

연성 부품

  • Sico Met 8300 및 고속 촉매제 스프레이 — 탄성 중합체에 적합
  • 연성 부품용 Permabond Black Magic 737