[3D프린팅] Design rules for 3DPrinting

: Design rule은 3D printing으로 제작하고자 하는 제품의 설계 검토사항으로 printing 의뢰 전 검토해야 하는 최소한의 규칙이다. Design rule을 사전에 고려하지 않는다면 AM을 위한 설계 검토 단계에서 많은 시간과 비용이 소요 된다. 해당 규칙들을 모두 고려 해야만 안정적이고 성공적인 3D printing 결과를 얻을 수 있다.

 

1. Supported/ Unsupported Wall

조형 가능한 최소 두께의 wall thickness는 wall의 측면이 편측 또는 양측으로 연결되는지에 따라 달라진다. DMLS의 경우 일반적으로 양측이 연결 된 구조의 wall은 최소 0.4T까지 얇게 조형 가능하지만 Unsupported wall은 그보다 두꺼운 0.5T로 조형 가능하다. wall 두께는 geometry에 의존적으로 전체 dimension이 커질수록 공정 중 발생하는 열에 의해 쉽게 변형 되기 때문에 최소 wall 두께도 유동적으로 증감 되어야 한다.

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2. Support

Self-supporting angle은 support 없이 조형 가능한 제품의 각도를 나타낸 것으로 소재에 따라 그 정도가 달라지며 일반적으로 metal의 경우 30~45°의 self-supporting angle을 갖게 된다. 기준 angle 이하의 경우 support를 생성해야 하며 그렇지 않는다면 edge 영역이 warping 되거나, over heating 된 표면이 부풀어 올라 re-coater와 간섭 또는 충돌이 발생할 수 있다.

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3. Embossed & Engraved Details

DMLS의 경우 제품의 양각 또는 음각을 표현하기 위해서는 최소 0.1mm 이상의 깊이로 표현해야 한다. 기준 이하의 깊이로 표현하는 경우 detail의 경계가 명확하게 구분되지 않고 육안으로 구분하기 어렵다. Detail이 정교할수록 build direction을 피해야 하는데 이는 layer thickness의 두께가 x-y plane으로 조사하는 laser의 최소 resolution보다 훨씬 크기 때문이다.

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4. Horizontal Bridges

제품의 형상이 support 없이 수평 방향으로 생성되는 것을 overhang 이라고 하며 통상적인 DMLS 장비는 최대 1mm의 overhang을 갖을 수 있다. 다만 이러한 overhang의 edge에는 열이 효과적으로 배출되지 못해 의도치 않은 형상으로 변형되기 쉬우며 이는 geometry에 의존적으로 나타난다. 이렇게 편측으로 최대 조형 가능한 overhang 1mm가 양측으로 생성되는 것을 bridge 구조라고 하며 geometry가 안정적이라면 최대 2mm 거리의 bridge를 생성할 수 있다.

 

Rule	Supported Walls	Unsupported Walls	Support	Embossed & Engraved Details	Horizontal Bridges
Comment	2개 이상의 면에 연결되 Building 가능한 최소 wall Thickness.	1개 면에 연결되어 Building 되는 최소 wall Thickness.	Self-Support Building 가능한 최소 Angle.	양각 또는 음각 Feature의 표현 가능한 최소 깊이.	Support 없이 조형 가능한 Bride의 최대 간격.
Schematic
Direct Metal Laser Sintering	0.4 mm	0.5 mm	45 °	0.1 mm wide & high	2 mm
Multi Jet Fusion	1 mm	1 mm	-	1 mm Wide & high	-

 

5. Holes

산업용 부품의 경우 여러가지 제품과 결합시키기 위한 counter bore, tap 가공 기초 hole 등의 역할을 하는 다양한 hole 형상을 제작하게 된다. DMLS의 경우 hole 직경이 작아질수록 solid volume에서 발생하는 열로 인해 주변 powder 영역이 semi-melt 되어 온전한 원형 hole을 구현하기 어렵다. 통상 metal 장비에서 권장하는 최소 hole 크기는 1.5mm 수준이며 이는 소재에 따라 달라질 수 있다.

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6. Escape Hole

제품을 제작할 때 불필요한 형상의 내부를 가득 채운다면 제품이 높은 volume으로 구성되어 조형에 불안정하고 많은 build 시간과 powder 소모가 발생된다. 따라서 조형 안정성과 비용 감소 측면에서 hollow 구조를 적용하는 경우가 많다. 이 경우 내부에 갇힌 powder를 heat treatment 공정 전에 제거해야 한다. Heat treatment 공정 후에는 내부 powder가 부분적으로 semi-melt되어 powder escape hole로 제거하기 매우 어렵다. 이러한 powder 제거 hole은 통상 5mm 기준으로 생성하는 것을 권장하며, 내부 powder가 모일 수 있는 edge 영역에 생성하는 것이 필수적이다. Escape hole을 내부 powder가 자연스럽게 모일 수 있는 영역에 생성하지 않는다면 powder 제거에 많은 시간을 소모해야한다.

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7. Minimum Features

DMLS의 경우 조형 가능한 feature의 최소 크기는 0.6mm로 나타나지만 실제로 조형하기 위해서는 형상의 폭과 높이를 고려한 aspect ratio, minimum feature와 연결 된 geometry의 dimension 기준을 충족해야한다. 기준을 충족하지 못한다면 최소 feature의 build 결과가 좋지 않거나, 조형 중 build 실패를 유발하는 원인이 될 수 있으니 주의해야 한다.

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8.Pin Diameter

Pin 구조는 hole 기준보다 더 작은 1mm 직경으로 조형 가능하다. Hole의 경우 주변 영역이 모두 solid volume으로 구성되어 열로 인해 의도치 않은 powder semi-melt가 발생되지만, Pin의 경우는 Powder 주변이 열이 발생되는 solid volume이 아닌 powder bed이기 때문에 더 작은 직경으로 생성 가능하다. 하지만 최소 pin 직경은 앞서 언급한 minimum feature와 같이 직경과 높이의 aspect ratio, 연결 된 geometry volume을 고려해서 설계해야 한다.

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9. Tolerance

DMLS로 제작하는 제품의 통상적인 tolerance는 ±0.1mm 수준으로 laser beam의 형상과 위상 차이, 소재의 수축 편차 등의 이유로 발생 된다. 장비는 치수 정밀도를 유지하기 위해 주기적으로 calibration을 진행하여 치수 편차를 보정하지만, 제품의 형상에 따라 발생되는 열의 분포가 달라지고 이로 인한 팽창-수축 차이로 예상하기 어려운 변형이 발생하게 된다. Tolerance를 감소시키기 위해 layer 별 조사 단면적을 일정하게 하여 열 분포 편차를 감소시키거나, 공정 온도를 증가시켜 발생되는 열 응력을 감소시키는 방법 등이 있지만 AM 제품의 의도하지 않는 변형을 완전하게 억제하는 것은 불가능하다. 따라서 제품의 변형을 방지하기 보다 요구되는 품질 기준 이내로 조절하는 것이 매우 중요한 설계 요소이다.

 

Rule	Holes	Escape Holes	Minimum Features	Pin Diameter	Tolerance
Comment	Building 가능한 최소 Hole Diameter.	Powder 제거 가능한 Hole의 최소 Diameter.	Print 가능한 최소 Feature Size.	Print 가능한 Pin의 최소Diameter.	예상 가능한 Tolerance. (Part Size에 의존적)
Schematic
Direct Metal Laser Sintering	Ø1.5 mm	5 mm	0.6 mm	1 mm	±0.1 mm
Multi Jet Fusion	Ø1 mm	5 mm	1 mm	1 mm	±0.2 mm

*해당 자료는 HS 보유 장비의 통상적인 Design 기준이며, Support & Orientation 또는 Machine의 Process Parameter에 따라 달라질 수 있다.

 

앞서 언급한 design rule은 DMLS 방식의 통상적인 수준을 나타낸 것으로 절대적인 사항은 아니며 장비, 소재, 공정 조건, laser parameter, geometry, heat treatment, post process 등의 절차상 조건에 따라 달라질 수 있다. 처음 AM 설계를 접하는 고객이 해당 규칙을 모두 준수하며 설계를 진행할 수 없다. 하지만 최소한으로 해당 규칙들을 이해하고 적용하여 설계를 수행한다면 반대의 경우보다 훨씬 적은 시간과 비용으로 성공적인 AM build 결과를 얻을 수 있다.

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