신속한 프로토타이핑 필수 사항: 종합 가이드

I. 불연속/누적 형성 원리

래피드 프로토타이핑(RP)은 래피드 프로토타이핑 제조(RPM)라고도 하며, 학계와 업계에서 사용하는 전문 기술 용어로 프로토타입이나 부품을 신속하게 제작하는 것을 말합니다.

그러나 이는 신속한 프로토타이핑을 의미할 뿐만 아니라 쾌속 성형 제조 공정, 쾌속 성형 기술 및 해당 소프트웨어, 재료, 장비 및 전체 기술 체인을 광범위하게 지칭하는 성형 개념을 나타냅니다. 현재 쾌속 제조(RM)는 쾌속 성형 제조를 광범위하게 지칭하는 중요한 첨단 제조 기술로 인식되고 있습니다.

학문적으로 이산-축적 성형 원리에 기반한 성형 방법을 통칭하여 쾌속 성형 또는 쾌속 제조라고 하는데, 이는 CAD 모델에서 복잡한 3차원 개체를 직접 제조하는 기술을 의미합니다.

RP 성형 공정은 그림 1과 같이 불연속 공정과 누적 공정으로 나눌 수 있습니다. 이산 프로세스는 3차원 엔티티의 CAD 모델을 특정 방향으로, 즉 특정 두께의 연속 엔티티(표면)를 샘플링하여 불연속적인 레이어로 분해하여 일련의 단면 데이터를 얻습니다.

다양한 공정은 자체 요구 사항에 따라 단면 데이터(충전, 오프셋 등)를 처리하고 합리적인 공정 계획을 통해 성형 도구의 모션 궤적을 생성합니다. 적층 공정에서는 모션 궤적의 제어하에 성형 툴이 레이어를 처리하고 새로 형성된 레이어를 축적하여 이미 형성된 부품과 연결합니다. 레이어 생성 및 적층 연결 과정은 부품이 완전히 가공될 때까지 반복됩니다.

이산화와 축적은 RP 기술의 두 가지 고유한 프로세스로, 이산화는 축적을 위한 준비 및 기반이며 축적은 이산화를 복원하는 것입니다. 이 둘은 서로를 보완하여 부품의 디지털 형상을 구현합니다.

분명히 이산화 프로세스는 3차원 CAD 모델의 이산화를 포함하는 데이터 처리 프로세스이고, 축적 프로세스는 물리적 실체의 움직임을 통해 레이어링과 형상을 완성하는 물리적 구현 프로세스입니다.

이 두 공정 사이에는 주로 성형 공정의 특성과 사용자 요구 사항을 기반으로 공정 규칙을 합리적으로 공식화하고, 축적 단위의 동작 궤적을 생성하고, 적절한 공정 매개 변수 등을 선택하기 위해 다양한 RP 기술의 다양한 요구 사항에 따라 합리적인 공정 계획을 수행해야 합니다.

따라서 프로세스 기획은 이산화 과정(데이터 처리)과 축적 과정(물리적 구현)을 연결하는 가교 역할을 하며, 이산화 시점의 정보 샘플링을 축적 시점의 정보 복원까지 실현하는 정보 처리 과정으로 다양한 RP 기술의 차이와 특성을 반영한다고 볼 수 있습니다.

최근 학계 및 엔지니어링 커뮤니티의 전문가들은 이러한 성형 제조 방식을 기계 가공과 같은 전통적인 감산 제조, 주조 및 단조와 같은 금형을 사용하는 성형 제조와 구분하기 위해 적층 제조라고 부르고 있습니다.

II. 래피드 프로토타이핑 기술의 정의

래피드 프로토타이핑(제조)은 제품 3차원 CAD 모델 데이터에서 재료 단위의 조립(축적)을 직접 구동하여 기능적으로 복잡한 부품을 완성하는 과학 및 기술을 총칭하는 용어입니다. 기본 프로세스는 먼저 공작물의 컴퓨터 3차원 모델(디지털 모델, CAD 모델)을 완성하는 것입니다.

그런 다음 공정 요구 사항에 따라 모델을 일련의 정렬 된 단위로 이산 화하고 일반적으로 설정된 두께 (레이어링, 슬라이싱)에서 Z 방향으로 이산 화하여 원래 CAD 3 차원 모델을 일련의 질서 정연한 중첩 레이어로 전환 한 다음 각 레이어의 윤곽 정보를 기반으로 처리 매개 변수를 입력하고 CNC 코드를 자동으로 생성하고 마지막으로 성형 기계가 일련의 레이어 제조를 완료하고 실시간으로 자동으로 연결하여 3 차원 물리적 실체를 생성합니다.

이는 복잡한 3차원 가공을 일련의 2차원 레이어 가공으로 변환하여 가공 난이도를 크게 낮추는 소위 치수 감소 제조입니다. 성형 공정에는 표준 재료 단위의 적층이 포함되므로 성형 공정에는 특별한 도구와 고정 장치가 필요하지 않으므로 성형 공정의 난이도는 성형 할 물리적 엔티티의 복잡성과 관련이 없습니다.

위의 정의의 핵심이자 기본 요점은 성형 공정 중 재료의 데이터 직접 구동 및 제어 조립 (축적)에 있으며, 이러한 특성은 현대 제조 과학 및 기술에서 신속한 프로토 타이핑의 중요한 위치를 확립합니다. 래피드 프로토 타이핑 제조의 신속성은 조립 유연성을 기반으로하므로 조립은 래피드 프로토 타이핑 제조의 신속성의 기초라고 할 수 있습니다.

특수한 고정 장치나 도구 없이 성형 중인 부품의 CAD 모델을 변경하는 것만으로 새로운 성형 부품을 얻을 수 있으므로 부품 제조의 완전한 의미에서 신속성을 달성할 수 있습니다. 래피드 프로토타이핑과 래피드 제조에서 '래피드'라는 용어는 RP(RM) 성형 및 제조 기술의 가장 중요한 속성을 강조하기 때문에 널리 인식되고 있습니다. 또한 이러한 기술은 솔리드 프리폼 제작(SFF)과 같은 다른 이름으로도 알려져 있습니다.

III. 래피드 프로토타이핑 기술의 특징

RP의 정의에 따르면 래피드 프로토타이핑 기술은 다음과 같은 기본 특성을 가지고 있습니다:

1. CAD 모델에 의해 직접 구동

래피드 프로토타이핑 기술은 설계와 제조를 통합합니다. 래피드 프로토타이핑 프로세스에서 컴퓨터의 CAD 모델 데이터는 인터페이스 소프트웨어를 통해 래피드 프로토타이핑 장비를 직접 구동할 수 있는 CNC 명령어로 변환됩니다. 래피드 프로토타이핑 장비는 CNC 명령어에 따라 프로토타입이나 부품의 가공을 완료합니다. 이것이 바로 다이렉트 드라이브의 의미이기도 합니다.

2. 복잡한 형태의 3차원 개체를 제작할 수 있습니다.

래피드 프로토타이핑 기술은 레이어별 제조 공정을 사용하여 복잡한 3차원 개체를 일련의 레이어로 분리하여 가공하고 쌓아 올리는 방식으로 제조 공정을 크게 간소화합니다. 따라서 이론적으로는 어떤 복잡한 형태의 프로토타입과 부품도 제조할 수 있습니다.

3. 신속한 프로토타이핑 장비

래피드 프로토타이핑 장비에는 특별한 고정 장치나 도구가 필요하지 않습니다. 범용 기계입니다. 래피드 프로토타이핑 기술은 성형 공정 중에 특수한 고정 장치나 도구가 필요하지 않으므로 유연성이 매우 높습니다. 이는 래피드 프로토타이핑 기술의 매우 중요한 기술적 특징입니다. 래피드 프로토타이핑 장비는 대표적인 범용 가공 장비입니다.

4. 성형 공정 중 사람의 개입이 없거나 최소화됩니다.

래피드 프로토타이핑은 설치 및 조정 과정이 필요 없는 완전 자동 성형 프로세스입니다. 성형 프로세스 내내 작업자는 거의 또는 전혀 개입할 필요가 없습니다. 오류가 발생하면 장비가 자동으로 멈추고 경고를 표시하며 현재 데이터를 보존하고, 성형 공정이 완료되면 기계가 자동으로 멈추고 관련 결과를 표시합니다.

5. 래피드 프로토타이핑에 사용되는 재료는 다양합니다.

래피드 프로토타이핑 기술에는 폴리머에서 다음과 같은 매우 다양한 재료 옵션이 있습니다. 금속유기물에서 무기물까지, 무생물에서 생물(세포)까지, 래피드 프로토타이핑 기술을 폭넓게 적용할 수 있는 전제를 제공합니다.

공정 중에 성형 재료의 구성 요소를 변경할 수 있으므로 다른 기존 공정에서는 달성하기 어려운 재료 구배를 가진 부품을 제조할 수 있으며, 이는 기존 공정에 비해 래피드 프로토타이핑 기술의 중요한 장점 중 하나입니다. 래피드 프로토타이핑 공정은 재료 준비와 재료 성형이 긴밀하게 통합되어 있습니다.

IV. 래피드 프로토타이핑의 주요 프로세스

1986년 최초의 쾌속 조형 장비 SLA-1이 등장한 이래 약 20년이 지난 지금, 전 세계적으로 약 20여 가지의 다양한 성형 방법과 공정이 등장했으며, 새로운 방법과 공정이 지속적으로 등장하고 있습니다. 기존 RP 기술의 주요 공정은 다음과 같습니다:

1. 광중합 또는 스테레오리소그래피로 알려진 SL(스테레오리소그래피) 공정은 가장 초기의 RP 공정입니다. 액체 수지를 레이저로 한 점씩 경화시켜 성형하는 방식으로 현재 가장 널리 사용되는 고정밀 성형 공정입니다.

2. LOM(적층 고체 제조) 또는 적층 고체 제조 공정으로 알려진 SSM(슬라이스 고체 제조)으로 알려져 있으며, 다음을 사용합니다. 레이저 커팅 호일 소재를 핫롤러와 열 접착제의 열과 압력으로 녹여 한 층씩 쌓아 올려 접착하여 시제품을 제작하는 방식입니다.

3. 선택적 레이저 소결로 알려진 SLS(선택적 레이저 소결) 공정은 레이저를 사용하여 분말 재료를 한 점씩 소결하여 분말 재료를 덮고 있는 고체 바인더 또는 분말 재료 자체를 녹여 접착시켜 재료 성형을 달성합니다.

4. FDM(용융 증착 모델링) 또는 MEM(용융 압출 모델링)으로 알려진 이 공정은 필라멘트 열가소성 성형 재료를 사용하여 노즐에 지속적으로 공급되어 가열 및 용융되고 노즐에서 압출되어 서서히 축적되어 형태를 형성합니다.

5.3DP(3차원 프린팅) 공정은 3차원 인쇄로 알려져 있으며, 바인더를 점 단위로 분사하여 분말 재료를 결합하여 프로토타입을 제조하는 방식입니다. 이 프로세스는 컬러 모델을 제작할 수 있으며 개념적인 응용 분야에서 경쟁력이 있습니다.

패턴리스 주조로 알려진 6.PCM(패턴리스 주조 제조) 공정은 바인더와 촉매의 점 단위 분사, 즉 동일한 경로를 따라 두 번 스캔하는 방법을 사용하여 수지 모래 입자 간의 결합을 달성하고 모래 주형의 자동 제조를 완료합니다. 이 공정은 칭화대학교 등에서 성공적으로 개발했습니다.

7.3D 플로팅(3차원 플로팅)은 3차원 플로팅 공정으로 알려져 있으며 펌프를 사용하여 특정 온도에서 용융된 재료를 매우 정밀한 노즐(직경 0.05mm)을 통해 압출하여 축적 및 성형하는 방식입니다. 이 공정은 솔리드스케이프(이전의 샌더스 프로토타입)에서 상용화하여 시장에 출시했습니다.

회사 입력).

고체 연마 경화로 알려진 8.SGC(Solid Ground Curing) 공정은 SL 장비처럼 각 층(수지)을 하나씩 경화하는 것이 아니라 마스크 플레이트 기술을 이용해 한 번에 광경화성 수지 층을 형성하기 때문에 시제품 제작 속도를 높일 수 있습니다. 이 공정은 이스라엘의 Cubital사가 성공적으로 개발하여 상용화에 성공했습니다.

9.3D 프린터 공정은 블록 고체 열가소성 성형 재료를 노즐에 넣은 후 가열하여 녹인 후 노즐에서 압출하여 점 단위로 축적하여 성형하는 방식으로 3차원 프린터로 알려져 있습니다. 스트라타시스가 IBM과 협력하여 성공적으로 개발한 Genisys 3D 프린터는 데스크톱 장치로 출시되었습니다.

10.CC(컨투어 크래프팅) 공정은 컨투어 제작 공정으로 알려져 있으며, 컨투어 스태킹과 용융된 재료를 주조하여 성형하는 조합을 사용합니다. 윤곽을 쌓는 동안 간단한 스크레이퍼 또는 블레이드 장치가 사용되며 프로토타입의 레이어는 준 3차원입니다. 서던 캘리포니아 대학교에서 연구 혁신을 달성합니다.

저온 얼음 프로토타입 급속 성형 공정으로 알려진 11.RIPF(Rapid Ice Prototype Forming)는 펄스 폭 변조 노즐을 사용하여 고주파에서 개별 방울을 분사하여 저온에서 얼음 프로토타입을 축적하는 방식입니다. 칭화대학교와 미국 미주리-롤라대학교가 공동 개발한 기술입니다.

12.SIS(선택적 억제 소결)는 서던 캘리포니아 대학에서 제안하고 연구한 선택적 억제 소결 공정으로 알려져 있습니다. 이 공정은 잉크젯 헤드를 사용하여 억제제를 선택적으로 분사한 다음 열 라디에이터를 사용하여 층을 가열하여 억제제로 덮이지 않은 부분이 빠르게 결합하여 형성되도록 합니다.

또한 최근 몇 년 동안 급속한 제조가 매우 빠르게 발전하면서 많은 새로운 기술과 프로세스가 생겨났습니다.

앞서 언급한 RP 공정은 사용되는 원재료의 형태에 따라 분류할 수 있습니다(그림 2 참조). 또한 레이저, 전자빔과 같은 고에너지 빔을 사용하는 기술, 스프레이 또는 증착을 사용하는 기술 등 재료 축적 시 사용되는 활성화 기술에 따라 분류할 수도 있습니다.

V. 신제품 개발에 래피드 프로토타이핑 기술 적용

래피드 프로토타이핑 기술은 항공우주, 자동차, 기계, 전자, 전기 제품, 의료, 장난감, 건설, 예술 등 다양한 분야에서 널리 적용되어 괄목할 만한 성과를 거두었으며, 주로 다음과 같은 측면에 반영되었습니다:

1. 모양 디자인

특히 가전제품과 자동차를 비롯한 많은 제품은 심미적이고 혁신적인 외관에 대한 요구가 매우 높습니다. '눈에 보이지만 만지기 쉽지 않은' 외관은 직관적이지 않습니다. RP 기술을 사용하면 디자이너와 사용자가 다양한 표준과 관점에서 검토할 수 있는 프로토타입을 신속하게 제작하여 보다 직관적이고 효과적이며 효율적으로 형상을 설계하고 검사할 수 있습니다.

2. 디자인 품질 확인

RP 기술은 금형 개봉 전에 부품 프로토타입을 정확하고 사실적으로 제작하여 설계의 다양한 사소한 문제와 오류를 모델에 명확하게 표시할 수 있으므로 금형 개봉의 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 실제 모델을 빠르게 제작함으로써 설계 평가를 조기에 수행할 수 있어 설계 피드백 주기를 단축하고, 설계 피드백 속도를 높여 제품 개발 성공률을 높이고, 개발 비용을 절감하며, 전반적으로 개발 시간을 단축할 수 있습니다.

3. 기능 테스트

설계자는 RP 기술을 사용하여 신속하게 기능 테스트를 수행하여 설계가 요구 사항을 가장 잘 충족하는지 확인함으로써 제품 설계를 최적화할 수 있습니다.

4. 촉각 테스트

프로토타입을 통해 사람들은 물리적 실체를 만지고 느낄 수 있으며, 이는 카메라, 휴대용 전동 공구 등의 그립 부분 설계에 매우 중요하며 인체공학 적용에 있어 광범위한 의미를 가집니다.

5. 조립 간섭 검사

제한된 공간에서 조립 간섭 검사를 수행하는 것은 매우 중요하며, 프로토타입 조립 테스트를 통해 한 번에 성공적으로 설계를 완료할 수 있습니다.

6. 공급 문의 및 고객 리뷰 등

고객 평가를 위한 제품 모델을 적시에 제공할 수 있으면 제품의 경쟁력이 크게 높아집니다.

7. 테스트 결과 분석 모델

RP 기술은 전산 분석 및 실험 모델에도 적용할 수 있습니다. 예를 들어 유한 요소 해석의 결과로 물리적 모델을 만들어 해석 대상의 응력 및 변형 분포를 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

8. 바이오메디컬 모델

다양한 외과 수술, 특히 복잡한 수술에는 손상된 장기를 실제 크기로 구현한 현장 실물 모델이 절실히 필요합니다. CT 데이터를 RP 장치에 입력하여 3차원 입체 모델을 얻으면 외과의가 수술 계획을 결정하는 데 매우 효과적일 수 있습니다.

VI. 래피드 프로토타이핑 기술 개발 동향

최근 래피드 프로토타이핑 기술은 두 가지 방향으로 발전하고 있습니다. 한편으로는 프로토타입의 정밀도, 성형 부품의 성능, 성형 속도가 지속적으로 향상되고 있으며, 다른 한편으로는 장비 및 재료 비용이 감소하고 있습니다. 3D CAD 시스템의 점진적인 대중화와 함께 그 적용 분야와 시장도 점점 더 넓어지고 있습니다. 지난 몇 년간의 발전을 통해 일반 프로토타입 애플리케이션의 비중은 점차 줄어들고 콘셉트 모델과 기능성 부품이 래피드 프로토타이핑 애플리케이션 시장의 대부분을 차지하게 될 것입니다.

1. 기능성 부품 제조

기능성 부품의 직접 제조는 항상 RP 연구에서 가장 뜨거운 분야이자 가장 도전적인 방향이었으며, 많은 전문 기업, 고등 교육 기관 및 연구 기관이 이 분야에 전념하고 있습니다.

2. 컨셉 모델 제작

개념 설계에 사용되는 프로토 타입을 개념 모델이라고하며, 높은 물리적 및 화학적 특성이나 성형 정밀도가 필요하지 않지만 주로 디자인, 사무실 환경에 적합한 빠른 성형 속도 (소형 장비, 오염없는 안정적인 작동, 깨끗하고 무소음) 및 쉬운 작동이 필요합니다.

컨셉 모델의 주요 적용 분야는 스타일링 디자인, 구조 검사, 조립 간섭 검사, 정적 및 동적 테스트, 인체공학 등 매우 광범위합니다. 컨셉 모델은 P 애플리케이션의 절반 이상을 차지합니다.

3. 바이오 제조

래피드 프로토타이핑 기술과 생명 과학 및 생의학 기술의 결합은 조직 공학 및 세포의 3차원 제어 조립에 중요한 응용 분야와 같이 금세기 래피드 프로토타이핑 제조 개발의 주요 트렌드 중 하나입니다.

데스크 사이드 제조

잉크젯 프린터와 마찬가지로 쾌속 조형 장비의 소형화 및 초소형화에 따라 RP 장비의 크기가 컴퓨터 크기로 축소되어 컴퓨터의 주변기기로 자리 잡을 수 있게 되었습니다. 장비의 가격이 더욱 낮아지면서 소형 RP 장비의 인기도 높아지고 있습니다. 따라서 소형 RP 기술은 일반적으로 3D 프린팅(3DP) 기술이라고도 합니다.

초, 중, 고등학생, 특히 직업 기술 학교에 재학 중인 학생들은 3D CAD 소프트웨어 학습과 RP 장비 조작을 통해 창의적인 디자인부터 기계 부품, 건축 모형, 공예 작품, 심지어 아이들의 낙서까지 프로토타입이나 축소 모형 제작에 이르는 전 과정을 쉽게 익힐 수 있습니다. 디자이너, 아티스트, 건축가, 온라인 회사를 시작하는 사람들에게 소형 RP 장비는 홈 오피스의 필수 도구가 되고 있습니다.

여러 국가에서 RP 기술이 발전함에 따라 국제적인 RP 협회가 등장했습니다. 글로벌 래피드 프로토타이핑 협회(GARPA)는 1998년 미국의 테리 울러 교수와 홍콩의 이안 깁슨 박사의 주도로 공식적으로 설립되었습니다. GARPA는 다양한 국가에 등록된 RP 협회(학회, 기술 위원회 등)의 연합으로, 현재 표 1과 같이 17개 회원국, 지역 및 협회 리더가 참여하고 있습니다.

표 1 글로벌 얼라이언스 래피드 프로토타이핑 협회 GARPA 개요

VII. 래피드 프로토타이핑 기술 현황

RP 기술의 연구와 적용은 주로 미국, 유럽, 일본에 집중되어 있습니다. RP 기술을 연구하는 미국의 주요 대학은 다음과 같습니다:

3DP 공정을 연구-개발하는 엠마누엘 삭스 교수가 이끄는 MIT, 앨런 라이트만 교수가 이끄는 데이턴대학교는 다양한 RP 공정을 연구하고 있으며 이 대학은 매년 제조공학회(SME)와 공동으로 국제 RPM 학술대회를 개최하고 있고, 오스틴 텍사스대학교는 조셉 비먼 교수가 이끄는 텍사스대학교(University of Texas at Austin)가 있다. Joseph J. Beaman 교수가 이끄는 텍사스 오스틴 대학교는 SLS 공정을 주로 연구하며 국제 SFF 학술대회가 열리고 있으며, 스탠포드 대학교는 프리츠 프린츠 교수가 이끄는 SDM(형상 증착 제조) 공정 및 응용 분야를 주로 연구하고 있습니다.

카네기멜론 대학교는 리 와이스(Lee E. Weiss)가 이끄는 연구팀에서 주로 마이크로 기계공학에 RP를 적용하는 연구를 진행하고 있습니다. 이외에도 미국의 많은 대학과 연구 기관에서 새로운 RP 공정, 신기술, 세라믹 또는 금속 프로토타입의 직접 제조에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

미국 주요 RP 기업의 주요 연구 개발 현황: 3D Systems Inc.는 SL 공정, 장비, 응용 분야를 주로 연구하고, 구 TM사는 SLS 공정, 장비, 응용 분야를 주로 연구하고, Stratasys사는 FDM 공정, 장비, 응용 분야를 주로 연구하고, Z사는 3DP 공정 기반의 RP 장비를 주로 연구-생산하고, Solidscape사는 열가소성 비금속 소재 분사(제팅) 공정으로 보석 등 정밀 프로토타입용 RP 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 보유하고 있습니다.

일본의 주요 연구 기관은 다음과 같습니다: 나카야마 타케오 교수가 이끄는 도쿄대학교는 SL 및 LOM 공정과 기술을 연구하고 있으며, 소니의 자회사인 D-MEC는 SL 공정용 SCS 장비를, 미쓰비시의 자회사인 CMET은 SL 공정용 SOUP 장비를 출시하여 일본 내 상당한 시장을 점유하고 있으며, 미쓰이의 자회사인 MES는 SL 공정용 CO-LAMM 성형기를, 듀폰/테이진세이키사는 SOMOS 장비를 출시하여 SL 공정에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

서유럽의 많은 연구 기관과 제조업체도 이 분야에 집중하고 있습니다: 주로 SL 및 SLS 공정의 연구 개발에 종사하는 독일의 EOS(Electro-Optical System Gmbh), Helisys의 LOM 공정과 유사한 '핫 플롯 래피드 프로토타이핑' 시스템을 출시한 스웨덴의 Sparx AB(Larson Brothers CO.AB), 프랑스의 Laser3D가 RP 시스템을 출시한 것 등이 있습니다.