가까운 금속 사출 성형 도구의 3D 프린팅

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Rostock 대학의 미세유체학 의장은 Stenzel MIM Technik(Pforzheim 근처의 Tiefenbronn)과 협력하여 3D 금속 사출 성형(MIM) 도구를 인쇄하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 개발의 기본은 Ex-AM 255 시스템과 함께 Aim 3D의 CEM 기술을 사용하는 것입니다.

독일 연방 경제 에너지부(BMWi)가 자금을 지원하는 프로젝트의 일환으로 3D 프린팅 MIM 도구는 로스토크 대학의 미세유체학(LFM) 의장과 Stenzel MIM Technik이 공동으로 개발했습니다. 프로젝트 기간은 2021년 4월부터 2023년 10월까지입니다. 프로세스 및 적용의 기초는 Ex-AM 255 시스템에 구현된 AIM3D의 CEM 기술을 사용하는 것입니다. 이 프로젝트는 3D 금속 프린팅 분야의 최신 기술을 보여줍니다.

이 프로젝트의 목표는 3D 프린팅을 사용하여 윤곽에 가까운 냉각 기능을 갖춘 금속 사출 성형용 도구를 제조하는 것이었습니다. 3D 프린팅에서는 윤곽에 가까운 냉각을 나선형 채널과의 소위 기능적 통합으로 도구에 직접 통합할 수 있습니다. 즉, 더 큰 도구의 경우처럼 입구로 내장되지 않습니다. 금속이나 폴리머로 만든 사출 금형을 윤곽에 가깝게 냉각하는 목적은 사이클 시간을 크게 줄이는 것입니다. 윤곽에 가까운 냉각의 원리는 단면적이 낮은 윤곽에 가까운 냉각 채널을 통해 냉각수 유체를 안내하는 것입니다. 사이클 중에 이미 부품을 냉각시킵니다. 이로 인해 탈형 공정이 더욱 빨라지고 사이클이 크게 단축됩니다. 나선형 냉각 채널의 복잡한 형상은 구성 요소의 요구 사항을 기반으로 하는 시뮬레이션 모델을 사용하는 CAD 기술의 도움으로 생성됩니다. 장기적인 경험에 따르면 벽 두께와 크기에 따라 사이클 시간이 약 20% 단축되는 것으로 나타났습니다.

통합 구성 요소 솔루션인 3D 프린팅은 금형 결합 공정에 비해 기능 통합으로서 원샷 기술의 이점을 제공합니다. 따라서 적용 사례는 출시 기간을 대폭 단축할 수 있는 기회를 보여줍니다. 협력 프로젝트의 목적은 MIM 도구의 비용 효율적이고 신속한 생산을 위한 새로운 프로세스 체인을 개발하는 것입니다. 지금까지 기존 금속 사출 금형을 생산하는 데 최대 8주가 소요되었습니다. 3D 금속 프린팅을 사용하면 MIM 도구 제공 시간을 약 5일로 줄일 수 있습니다.

협력의 일환으로 처음에는 CAD 및 시뮬레이션 도구를 사용하여 도구의 최적화된 3D 모델을 개발했습니다. 그런 다음 이 데이터는 필요한 공정 매개변수와 함께 Ex-AM 255 CEM 시스템으로 전송되었습니다. 그런 다음 소위 녹색 부분이 3D 프린팅됩니다. 그 후 부품은 다단계 공정을 통해 소결되어 최종 재료 특성을 생성합니다. 이 공정을 사용하면 필요한 탈지 및 소결 단계 후에 복잡한 금속 부품을 신속하게 생산할 수 있습니다. 동시에 CEM 공정을 통해 소결과 관련된 부피 수축을 제어할 수 있습니다. 결과 금형에는 공동이 있습니다. 구성요소는 얇은 핀이 있는 두꺼운 벽의 부품으로 구성됩니다. 이러한 핀은 탈형이 어렵기 때문에 윤곽에 가까운 냉각 없이는 생산할 수 없습니다. Stenzel MIM Technik은 이 구성 요소의 사이클 시간을 최대 70-80%까지 크게 단축할 수 있기를 희망합니다. 그러나 테스트를 위한 사출 성형 시험은 아직 계류 중입니다.

다중 재료 3D 프린터 Ex-AM 255는 다양한 재료(금속, 플라스틱, 세라믹) 및 다양한 프로세스(하이브리드 구성 요소)와 함께 사용할 수 있습니다. 파우더 베드 프로세스나 필라멘트를 사용하는 다른 3D 프린팅 프로세스와 비교할 때, CEM 프로세스를 사용하는 시스템은 전통적인 열가소성 수지, 금형 결합 사출 성형에 가까운 인장 강도를 달성합니다. 3D 프린팅의 가격 이점은 필라멘트 대신 상업적으로 이용 가능한 과립을 사용할 때 특히 두드러집니다. 과립을 사용하는 경우 CEM 공정을 통해 최대 10배의 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.