로스트 왁스 주조라고도 하는 인베스트먼트 주조는 모양이 복잡한 금속 파트를 생산하는 데 활용하는 다목적 주조 공정입니다. 경량 자동차 컴포넌트부터 골프 클럽, 제트 터빈, 예술 조각품에 이르기까지 거의 모든 산업에 걸쳐 이 공정은 품질이 우수하고 무결성 높은 금속 파트를 제작하는 데 사용되고 있습니다. 다른 방법으로는 제조할 수 없는 형상을 높은 표면 마감으로 제작할 수 있습니다.

인베스트먼트 주조는 일반적으로 소모성 패턴을 만들고, 이 패턴으로 비영구적인 세라믹 주형을 만들고, 세라믹 주형 내부에 액체 금속을 주조하거나 붓는 세 가지 주요 단계로 이루어집니다. 이 패턴은 원래 금속 공구로 왁스를 사출 성형하여 제작합니다. 이 기술에는 여러 번의 작업과 특수 장비, 숙련된 작업자의 광범위한 노동력이 필요합니다. 금속 툴링은 일반적으로 CNC 가공을 통해 이루어지며 높은 비용과 긴 리드 타임이 소요됩니다. 따라서 인베스트먼트 주조는 특히 소량 생산에 활용할 경우 비용이 많이 들 수 있습니다.

희생 패턴을 3D 프린팅으로 제작하는 것은 왁스 몰드 제작의 비용과 시간을 절약할 수 있는 대안으로 떠오르고 있으며, 처리 시간은 더 빨라지고 제작 비용에도 경쟁력이 생깁니다. SLA 3D 프린팅은 툴링이 필요 없기 때문에 다음 날 바로 패턴을 손에 넣을 수 있습니다. 딱히 장비가 많이 필요한 것도 아니고 CNC 처리량과 숙련된 작업자의 시간을 다른 고부가가치 작업에 할애할 수 있습니다. 3D 프린팅을 이용한 신속 툴링은 이미 일반적인 제조 공정에서 빠르게 반복하고 제품 개발을 가속화하며 더 나은 제품을 시장에 출시하는 데 사용되고 있습니다. 제조업체는 또한 소량 왁스 및 플라스틱 사출 성형용 단기 금형을 폴리머 3D 프린팅으로 제작하고 있습니다.

광경화성 레진 조형(SLA) 3D 프린팅 기술은 금형 및 패턴 제작에 탁월한 선택입니다. 이 공구는 매끄러운 표면 마감과 높은 정밀도로 최종 부품에 전달되어 교체하는 왁스와 유사한 표면 마감을 생성하는 것이 특징입니다. 또한 SLA 3D 프린팅은 복잡하고 정교한 패턴을 만들 수 있는 독보적인 디자인 자유도를 제공합니다. Formlabs SLA 에코시스템과 Clear Cast Resin은 패턴 제작을 위한 접근 가능하고 신뢰할 수 있는 솔루션을 제공합니다. Form 4L은 35.3 x 19.6 x 35cm의 빌드 볼륨으로 대형 프린팅이 가능하며, Form 4는 20 x 12.5 x 21cm의 빌드 볼륨으로 소형 파트를 고속으로 제작하는 데 탁월한 솔루션을 제공합니다. Formlabs SLA 3D 프린터는 구현, 작동 및 유지 관리가 쉬워 모든 워크플로에 원활하게 통합할 수 있습니다.

Clear Cast Resin은 회분 함량이 낮은(<0.02%) 무안티몬 소재로서 미국에서 제조되며 다양한 응용 분야에 필요한 치수 정확도, 표면 품질 및 파트당 비용을 달성할 수 있는 능력을 보여주었습니다.

Formlabs은 이 워크플로우를 검증하기 위해 노던 아이오와 대학교(UNI)의 파운드리 4.0 센터를 비롯해 산업용 파운드리, 서비스 대행업체, 아트 파운드리 등 여러 파운드리와 협력했습니다. 이 보고서의 첫 번째 섹션에서는 단계별 방법을 살펴본 다음, 기술 데이터 및 비용 분석을 포함하여 이러한 산업 파운드리에서 공유한 테스트 결과를 제공합니다.

이러한 파운드리와 협업하여 청동, 황동, 알루미늄(A356), 6-4 티타늄, 4140 스틸, 8620 스틸, 스테인리스 스틸 316 및 17-4 PH를 모두 주조했습니다. 모든 경우에서 오토클레이브 없이 700°C에서 900°C 사이의 용광로에서 파트를 소각했습니다. 대부분의 파트는 표준 인베스트먼트 주조 왁스 스프루에 연결하여 각 고객의 특정 셸링 시스템에 담갔습니다.

인베스트먼트 주조에 사용되는 정확한 화학 물질과 방법은 다양하지만, 노던 아이오와 대학의 파운드리 4.0은 이 방법으로 알루미늄 A356파트를 성공적으로 주조할 수 있었으며 Formlabs의 공정으로 테스트했습니다.

파트는 처음에 벽이 0.5mm, 격자 지름이 1mm인 Materialise의 격자 모듈을 사용하여 사면체 격자로 제작되었습니다. 그런 다음 Form 3L을 사용하여 100미크론 레이어 높이로 프린팅하고 Formlabs의 표준 프린팅 프로세스에 따라 세척했습니다. 후처리가 완료된 파트는 끈적끈적한 왁스를 사용하여 스톡 주조 스프루에 접착했습니다. 그런 다음 100% 실리카 셸링 시스템을 사용하여 1차 코팅으로 Remet RP-1 밀가루를, 백킹 코팅으로 RG-1을 사용했으며, 일반적으로 2차 코팅 딥과 3차 백킹 코팅을 사용하고, 2차 1차 코팅 후와 이후 각 딥 후에 치장 벽토를 적용했습니다. 모든 셸링 공정은 자동화 프로세스를 통해 자동으로 진행되어 최소한의 수작업으로 최대한 균일한 코팅을 보장하며, 한 번의 스프루에 총 9~10시간이 소요됩니다.

건조가 완료된 파트는 900°C(1650°F)에서 2시간 동안 플래시 소결 후 냉각시켜 주조 시설로 옮겼습니다. 주조하기 전에 쉘을 540°C로 예열한 다음 700°C~750°C에서 알루미늄을 주조했습니다. 그런 다음 대량의 피스를 떼어내고 나머지를 폭파하는 방식으로 껍질을 제거하여 깨끗한 최종 피스를 만들었습니다.

사용자 피드백을 바탕으로 Formlabs Clear Cast Resin으로 3D 프린팅된 패턴은 기존 왁스 패턴과 비슷한 품질의 인베스트먼트 캐스트 파트를 제작할 수 있습니다. 3D 프린트 패턴은 왁스 패턴보다 더 부서지기 쉬우므로 주의해서 다루어야 합니다. 그렇지만 번아웃했을 때는 눈에 보이는 껍질 부분에 눈에 띄는 재가 남지 않고 깨끗합니다. 최종 금속 파트에는 비정상적인 결함이 보이지 않습니다.

Formlabs는 패턴을 직접 제작할 수 있어 툴링, 용해성 코어 또는 기타 복잡한 왁스 형성 기술 없이 즉시 파트를 제작할 수 있습니다. 언더컷, 구불구불한 채널, 박벽과 같이 왁스 사출을 위해 패턴화하기 어려운 피처는 3D 프린팅으로 쉽게 제작할 수 있습니다. 아래 표에서 다른 방법과 비교하여 3D 프린트 도구를 사용할 때 비용과 시간을 절약할 수 있는 방법을 확인할 수 있습니다.

이 표에서 많은 파트에서, 심지어 간단한 파트에서도 파운드리를 통해 수만 달러를 절약할 수 있음을 확인할 수 있습니다.

다음 섹션에서는 10곳 이상의 파운드리에서 받은 피드백과 가이드라인을 바탕으로 인베스트먼트 주조용 3D 프린트 패턴을 시작하는 단계별 가이드를 소개합니다.

희생 패턴은 세라믹 슬러리의 압력을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 하며, 재를 최대한 적게 남기면서 연소할 수 있을 만큼 얇아야 합니다. 이를 위해 파트 설계에는 얇은 외벽과 튼튼한 내부 격자 비계를 결합한 특수 설계가 활용됩니다. 파트 속을 비우고 격자 구조를 구축하는 데 도움이 되는 소프트웨어 솔루션이 시중에 나와 있습니다. 이 연구는 Materialise Magics의 인베스트먼트 주조 도구를 사용하여 진행했습니다.

 1. 원하는 CAD 소프트웨어로 파트를 설계하세요.

2. 파트의 속을 비우고 내부에 격자 구조를 세우세요. Materialise 지침에 따라 CAD 파일을 격자 모듈에 불러온 뒤 설계 설정값을 지정합니다. 격자를 사용하면 사용자가 외부 셸, 내부 구조의 크기, 배출구의 위치를 쉽게 제어할 수 있습니다. 올바른 설정값은 응용 분야와 요구 사항에 따라 달라지며 다음으로 이들 파라미터가 공정에 미치는 영향을 설명하겠습니다. 표를 참고하십시오.

2.1. 외부 셸을 설정합니다. 외벽이 얇을수록 주조 성공률은 높아지지만 프린트 성공률이 낮아지고 파트가 약해집니다. Formlabs은 0.5mm 벽 두께로 시작하여 프린팅에 실패하거나 치수 정확도에 문제가 있는 경우에만 두께를 늘릴 것을 권장합니다. 디테일 크기는 표준 값인 0.5mm를 유지할 수 있으며 주조 공정에 중요하지 않습니다.

2.2. 내부 구조를 설정합니다. 격자를 활용하면 파트의 외부를 지지하고 뒤틀림을 방지하며 얇은 벽으로 프린팅할 수 있습니다. 격자 지름을 기준으로 다리 두께를 늘리면 패턴이 강화되지만 패턴이 확장되어 쉘에 균열이 생길 가능성이 커집니다. Formlabs은 0.75mm의 다리 두께로 시작할 것을 권장합니다. 다리 길이는 격자 연결 사이의 거리이며 표준 값인 3mm를 유지할 수 있습니다.

2.3. 배수구 및 배출구를 추가합니다. 이 구멍은 '흡입 컵' 또는 '폭발'로 인한 프린팅 실패 위험을 줄이고 내부에 갇힌 액체 레진가 배출되도록 하는 두 가지 용도로 사용됩니다. 이러한 구멍을 추가할 때 Formlabs의 오리엔테이션 모범 사례 가이드에 따라 프린팅 방향을 염두에 두면 도움이 됩니다.

• 2.3.1 파트 방향의 상단과 하단에 구멍을 배치합니다.
• 2.3.2 후처리를 간소화하기 위해 희생 표면에 구멍을 뚫거나 게이트와 같이 절단할 수 있는 구멍을 뚫습니다.
• 2.3.3 Formlabs는 최소 반경 1mm를 권장하며, 중요한 표면을 변경하지 않는 한 더 늘릴 수도 있습니다.
• 2.3.4. 직선형 구멍(r1=r2) 또는 약간 모따기된 구멍(r1>r2)만 만듭니다.
• 2.3.5. 번아웃 시 공기가 잘 통할 수 있도록 스프 루를 놓을 위치에 배출구를 배치합니다.

2.4. 내보낸 파일을 3MF로 변환하여 파일 크기를 줄입니다. 격자형 파트로 인해 파일 크기가 커져 프린트 준비 및 지원 생성 프로세스가 느려질 수 있습니다.

3. Formlabs PreForm 소프트웨어에서 PreForm 가이드에 따라 파일 을 준비합니다.

3.1. 빌드 플랫폼을 기준으로 모델의 방향을 30~45도로 설정합니다. 레진 배출을 촉진하고 커핑을 최소화하기 위해 통풍구의 위치를 고려하세요.

3.2. 0.75 밀도 및 0.30mm 터치 팁 이하를 사용하여 전체 래프트 및 라이트 서포트를 추가합니다. 모델을 지지하고 프린팅 후 얇은 벽을 손상시키지 않고 쉽게 제거할 수 있습니다. 중요한 표면에는 지원 위치를 피하세요.

4. 100 미크론 레이어 높이에서 Form 4L, Form 3L 또는 Form 4에 Clear Cast Resin 을 사용하여 Formlabs의 지침에 따라 3D 프린팅합니다. Formlabs 레진의 물리적 특성은 다음 섹션에서 확인할 수 있습니다. Formlabs는 표면적이 넓은 파트를 출력할 때 Flex Build Platform 또는 Build Platform 2L을 사용할 것을 권장합니다.

5. Form Wash L로 파트를 IPA로 10분간 세척하고 압축 공기로 내부를 불어낸 다음 5분간 추가 세척합니다. 종이 타월과 IPA를 사용하여 추가 레진을 닦아냅니다. 파트를 30분 동안 자연 건조시키거나 압축 공기로 표면의 남은 IPA를 말립니다. 남아 있는 액체는 번아웃 시 증기를 발생시키고 쉘 균열을 일으킬 수 있으므로 갇힌 IPA를 모두 제거하는 것이 중요합니다.

6. 35°C에서 15분간 Form Cure L에서 파트를 후경화합니다. 경화는 파트의 강성을 강화하기 때문에 경화 전에 서포트를 제거해야 더 쉽습니다. 그러나 경화 후 서포트를 제거하면 특히 깨지기 쉬운 형상의 경우 파트가 파손되는 것을 방지할 수 있습니다. 파트가 휘어지기 쉬운 경우 열을 가하지 않는 후경화 스케줄을 사용합니다.

7 서포트를 제거하고 부스러기를 털어냅니다. 스크레이퍼, 플랫 스냅 또는 100~300입자 사포와 같은 표준 도구를 사용합니다.

8. 표준 파운드리 왁스 또는 UV 레진 펜을 사용하여 배출구와 배수구를 채우고 약 30초 동안 레진이 굳게 둡니다. 앱텍 래버러토리스 UVIFILL- SL-TX와 같은 펜은 아마존에서 쉽게 주문할 수 있습니다. 마지막 구멍에 압축 공기를 강제로 주입하고 새는 곳이 없는지 확인하여 구멍의 끼워맞춤 상태를 점검합니다.

9. 일반적인 패턴 조립 프로세스를 따르세요. 게이팅 및 트리밍 패턴을 준비하여 번아웃 프로세스 중 산소 흐름을 돕기 위해 게이팅 설정을 최적화합니다. 일반적으로 접착 왁스를 사용하여 왁스 트리에 파트를 부착하고 담그는 과정을 위해 트리에 T-바를 부착하는 것이 일반적입니다. 표준 파운드리 왁스가 가장 일반적으로 사용되지만 스프 루는 패턴의 일부로 3D 프린팅에 성공할 수 있습니다.

10. 선택적 벤팅: 일부 파운드리에서는 첫 번째 파트 수율을 보장하기 위해 게이팅을 추가하는 것과 같은 방식으로 패턴에 배출구를 부착하여 번아웃 시 공기 흐름을 개선합니다. 이 단계는 성공률을 높여주며 일회성 또는 시간에 민감한 배송과 같이 매우 짧은 기간에 파트를 제작할 때 권장됩니다. 번아웃 후 셸을 냉각하고 조립 과정에서 환기를 위해 구멍을 뚫는 작업이 필요합니다.

11. 일반적인 프로세스에 따라 트리를 슬러리에 담그세요. 일부 파운드리에서는 균열을 줄이기 위해 슬러리를 더 많이 팽창하는 "편차가 적은" 혼합물로 변경하거나 딥을 추가하기도 합니다. Formlabs는 표준 프로세스로 시작할 것을 제안하며, 위의 프로세스를 따를 때 프린팅된 패턴에 쉘 접착에 문제가 없는 것으로 확인되었습니다. 참고로 UNI는 6개의 딥을 수행하는 자동화된 로봇 셀을 사용합니다.

11.1. 표면 마감을 보존하기 위해 모래 없이 1차 슬러리에 1회 담급니다.

11.2. 백업 슬러리와 기본 모래에 한 번 담근 다음 백업 슬러리와 백업 모래에 세 번 담그고 쉘의 두께와 강도를 구축합니다.

11.3. 씰 코팅으로 모래 없이 1차 슬러리에 한 번 담급니다.

12. 일반적인 프로세스에 따라 용광로에서 패턴을 태우세요. 플래시 소결은 705°C~900°C(1,300°F~1,650°F) 사이에서 2시간 동안 패턴을 가열하는 표준 방법입니다. 파운드리는 고온 용광로에 접근할 수 있어야 하고 충분한 산소 흐름을 촉진할 수 있어야 합니다. 오토클레이브 또는 650°C(1200°F) 이하의 온도에서 패턴은 껍질에 균열이 생길 수 있습니다.

13. 번아웃 후 쉘에 균열이나 번쩍임이 있는지 확인하고 몰드에 남아있는 재를 날려버립니다. 프린팅된 패턴을 번아웃시키면 약간의 재가 남게 됩니다. Clear Cast Resin은 안티몬이 없고, 질량 기준으로 0.020% 미만의 회분을 함유하고 있으며, 중공으로 프린팅되므로 소량의 회분만 남을 수 있습니다.

14. 일반적인 주조 및 마무리 프로세스를 따르세요. 참고로 UNI는 다음 단계를 채택하고 있습니다:
14.1 345°C(650°F)의 가마에서 30분간 셸을 예열합니다.
14.2 금속을 붓고 완전히 굳을 때까지 식힙니다.
14.3 물 또는 모래 분사기를 사용하여 세라믹 셸을 제거합니다. 때때로 끌로 껍질의 일부를 깎아내는 것이 필요하지만 파트 보존을 위해 피해야 합니다. 
14.4 띠톱 또는 기타 도구를 사용하여 트리 에서 파트를 분리합니다.

이 보고서는 3D 프린트 패턴을 사용하여 신속한 프로토타이핑, 빠른 처리 또는 제한된 생산 파트의 경우 투자 주조에서 비용과 리드 타임을 줄일 수 있음을 보여줍니다. 3D 프린팅은 툴리스 제작 방식이기 때문에 기존 주조 공정에서 금속 툴링과 관련된 주요 문제를 해결합니다. 온디맨드 툴을 신속하고 비용 효율적으로 제작하는 동시에 설계의 자유도를 높일 수 있습니다.

제조업체는 기존 파운드리 워크플로에 3D 프린팅을 추가함으로써 고객의 요구에 더욱 신속하게 대응하고, 하드 툴링에 대한 투자를 지연시키며, 비용 효율적으로 설계를 검증할 수 있습니다. 여러 주조 공장에서 Formlabs 3D 프린터와 광경화성 레진 조형 방식을 사용하여 주조 워크플로우를 약간만 수정하고 초기 투자를 최소화하면서 툴링 비용을 최대 90%까지 절감하고 리드 타임을 몇 개월 단축할 수 있었습니다.

인베스트먼트 주조 또는 기타 엔지니어링 및 제조 분야에 광경화성 레진 조형 방식 프린터를 사용하는 것에 대해 궁금한 점이 있으십니까? 솔루션 전문가에게 문의하여 Clear Cast Resin으로 제작한 패턴 중 하나를 사용해 보세요.

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Formlabs는 인베스트먼트 주조용 소재를 개발하고 검증하는 과정에서 노던아이오와대학교(UNI)의 파운드리 4.0 센터와 파트너십을 맺었습니다. UNI는 두 가지 주요 재료, 즉 Clear Cast Resin과 BioMed Clear Resin의 베타 버전에 초점을 맞춰 Formlabs의 SLA 에코시스템을 테스트하고 특성을 분석했습니다. 테스트를 통해 UNI는 설계 파라미터를 조정하여 3D 프린팅 희생 패턴에 적합하고 채택하기 쉬운 프로세스를 개발할 수 있었습니다. 결과는 인기 있는 경쟁사 레진과 비교하여 표시됩니다. UNI가 수행한 테스트에는 압축, 굽힘 강도, 회분 함량 및 열팽창 테스트가 포함되었습니다. Formlabs는 주조 공정과의 호환성을 보장하기 위해 미량 물질 함량도 테스트했습니다. 테스트 결과, 이 백서에서 자세히 설명한 공정으로 재료를 검증하기 전에 여러 테스트 형상으로 주조한 Formlabs의 베타 클리어 캐스트 레진이 가장 적합한 후보 재료로 결정되었습니다. 그 이유는 낮은 회분 함량, 낮은 파쇄 강도, 높은 굴곡 강도의 독특한 조합을 유지하면서 번아웃 시 포탄 손상의 위험을 최소화할 수 있을 만큼 낮은 CTE를 유지했기 때문입니다.

샘플 파트 특성

다양한 외피 벽 두께와 격자 치수로 9개의 지오메트리를 평가했습니다. 샘플 파트의 특성은 표 1에 나와 있습니다. 이는 압축 강도와 프린팅 가능성의 최상의 조합을 찾기 위해 가능한 프린팅 범위를 스윕하기 위한 것입니다.

테스트:

위의 지오메트리에서 각 지오메트리당 3개씩 총 58개의 샘플 파트의 압축 강도를 테스트했으며, 그 평균이 표준 퀵 캐스트 공정으로 출력된 대표 샘플과 함께 그래프에 표시되어 있습니다. 그 결과, 베타 Clear Cast Resin은 파트 B의 형상에서 경쟁 공정보다 압축 강도가 높지만 벽 두께를 약간만 변경하면 압축 강도를 획기적으로 낮출 수 있음을 보여주었습니다. Formlabs 프린터의 낮은 힘과 높은 정확도로 인해 이러한 형상에서는 품질 저하가 발생하지 않으므로 더 얇은 형상이 선택되어 앞으로 계속 진행됩니다.

각 소재의 샘플 파트 4개를 표준 샘플 형상으로 ASTM D790을 사용하여 굽힘 강도를 테스트했습니다. 그 결과, 두 Formlabs 소재 모두 굽힘 강도가 우수하여 공정 전반에 걸쳐 거친 취급에도 견딜 수 있는 내구성 있는 파트가 탄생했습니다.

Formlabs 베타 Clear Cast Resin 샘플 파트 3개와 BioMed Clear Resin 3개 샘플 파트는 ASTM 표준 D2584에 따라 테스트되었습니다. 이를 위해서는 5g의 샘플 파트를 채취하여 가장 가까운 mg으로 측정한 다음 머플 용광로에서 완전히 태워버려야 합니다. 남은 재를 다시 측정하여 다음 데이터를 얻었으며, 이 데이터는 서로 다른 두 Formlabs 재료의 성능을 보여줍니다.

또한 Formlabs은 베타 Clear Cast Resin 샘플 파트에 대한 원소 분석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었습니다. 배치마다 약간의 차이가 있으므로 모든 자료를 대표할 수 있는 것은 아닙니다.

UNI는 열팽창 결과에 대해 여러 가지 대상 지오메트리를 테스트했으며, 그래프는 권장되는 Formlabs 지오메트리와 경쟁사 지오메트리를 직접 비교한 결과입니다. 이 테스트에서 BioMed Clear Resin의 주요 문제는 레진의 열팽창이었지만, Formlabs의 베타 Clear Cast Resin 은 주요 경쟁사 레진에 비해 최종 팽창이 낮아 껍데기가 깨질 가능성이 적다는 것을 보여주었습니다.

이러한 결과는 주조 실험을 통해 확인되었는데, 베타 Clear Cast Resin을 여러 번 주조한 결과 소성 중 쉘이 손상되지 않았지만 일부 BioMed Clear Resin 파트에서 쉘이 깨지는 현상이 발생했습니다.