금속 3D프린팅 출력물 변형 원인과 개선 방법

본문

금속 3D프린팅 출력물에서 변형이 발생하는 이유는 단순히 출력물이 약하거나 장비 정밀도가 낮아서 생기는 문제가 아닙니다.
PBF 방식의 금속 3D프린팅은 금속 분말을 레이저로 녹이고 다시 굳히는 과정을 반복하는 공정입니다. 이 과정에서 급격한 가열과 냉각이 반복되기 때문에 출력물 내부에는 열수축과 잔류응력이 발생할 수 있습니다.

특히 대형 출력물, 얇고 긴 형상, 단면 변화가 큰 구조, 서포트가 부족한 부품은 변형이 더 쉽게 발생합니다.

변형의 가장 큰 원인은 잔류응력입니다

금속 분말이 레이저에 의해 녹은 뒤 응고되면 수축이 발생합니다.
이때 먼저 굳은 영역과 나중에 굳는 영역 사이에 온도 차이가 생기고, 이 차이가 내부 응력으로 남게 됩니다.

이 응력이 출력 중 또는 출력 후에 한쪽 방향으로 풀리면 출력물이 휘거나 들뜨거나 뒤틀릴 수 있습니다.

예를 들어 출력 중에는 정상처럼 보였지만, 와이어 커팅으로 빌드 플레이트에서 분리한 후 갑자기 휘는 경우가 있습니다. 이는 빌드 플레이트가 잡고 있던 응력이 절단 후 풀리면서 발생하는 경우가 많습니다.

열집중과 열수축도 중요합니다

레이저가 특정 부위에 반복적으로 조사되면 국부적으로 열이 쌓일 수 있습니다.
특히 두꺼운 단면, 모서리, 코너부, 밀집된 구조에서는 열이 빠르게 빠져나가지 못하고 축적됩니다.

반대로 얇은 부위는 빨리 식습니다.
이처럼 부위별 냉각 속도가 달라지면 수축량도 달라지고, 그 결과 출력물의 특정 부위가 당겨지거나 휘게 됩니다.

서포트 부족도 변형을 키웁니다

서포트는 단순히 출력물을 받쳐주는 구조가 아닙니다.
출력 중 부품을 빌드 플레이트에 고정하고, 열을 빌드 플레이트로 전달하며, 수축에 의한 변형을 억제하는 역할을 합니다.

서포트가 부족하면 오버행 부위가 처지거나, 코너부가 들뜨거나, 출력 중 리코터와 간섭할 수 있습니다.
따라서 변형이 자주 발생하는 부위는 서포트 밀도, 서포트 위치, 서포트 높이, 서포트 접촉부를 함께 확인해야 합니다.

스캔 조건도 변형에 영향을 줍니다

레이저 출력, 스캔 속도, 해치 간격, 스캔 패턴, 스캔 회전각은 열 축적과 응력 분포에 직접적인 영향을 줍니다.

특정 방향으로만 스캔이 반복되면 응력이 한 방향으로 누적될 수 있고, 넓은 면적을 한 번에 녹이면 열집중이 커질 수 있습니다.
따라서 대형 부품이나 얇은 판형 구조에서는 스캔 전략이 매우 중요합니다.

점검해야 할 항목

확인 항목점검 내용

변형 발생 위치	특정 부위에서 반복 발생하는지 확인
빌드 방향	긴 방향, 얇은 방향, 하중 방향 확인
서포트 구조	부족하거나 약한 부위 확인
스캔 전략	열이 한쪽으로 집중되는지 확인
빌드 플레이트 고정	절단 후 변형 여부 확인
후처리 순서	열처리 전후 변형 차이 확인

정리

금속 3D프린팅 출력물의 변형은 잔류응력, 열수축, 서포트 부족, 스캔 조건, 후처리 순서가 복합적으로 작용해 발생합니다.
따라서 변형을 줄이려면 단순히 서포트를 많이 세우는 방식이 아니라, 빌드 방향, 열 흐름, 스캔 조건, 절단 순서까지 함께 검토해야 합니다.

금속 3D프린팅 출력불량 분석, 의료기기 시제품 제작, 시험규격 검토, 적층제조 공정 검토가 필요한 경우 댓글 또는 이메일로 문의해 주세요.