HRL 연구소, 3D 프린팅 골절의 새로운 방법 개발

Jul 03, 2023

General Motors와 Boeing이 소유한 연구 센터인 HRL Laboratories의 연구원들은 내파괴성 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)를 사용하여 부품을 3D 프린팅하는 새로운 방법을 개발했습니다.

HRL 팀은 새로운 실록산 기반 프리세라믹 수지를 개발하고 이를 불활성 입자로 강화한 다음 열분해라는 극한 가열 공정을 사용하여 이를 옥시탄화규소(SiOC)로 전환했습니다. 그 결과 생성된 유리 소재는 내구성이 강화되었으며, 연구팀에 따르면 추진, 에너지 생성, 화학 처리 등 에너지에 민감한 새로운 분야에 사용될 수 있다고 합니다.

HRL의 프로젝트 수석 연구원인 Mark O'Masta는 "이 프로젝트에서 우리가 해결한 과제는 이 강화 솔루션을 3D 프린팅 프로세스와 통합하는 것이었습니다."라고 말했습니다. "이제 우리는 이러한 강화재를 대량으로 추가하여 3D 프린팅 세라믹 부품을 크게 강화할 수 있습니다."

"우리는 본질적으로 부서지기 쉬운 모놀리식 재료를 내구성이 있는 복합재로 만들었습니다. 추가 이점으로 보강재를 추가하면 일부 가공 제약이 완화되었습니다."

3D 프린팅 세라믹 적용 확대

세라믹 부품은 일반적으로 부식 및 마모에 대한 탁월한 저항성을 갖고 있으며 고유한 특성으로 인해 고온 영역에 응용할 수 있지만 성형에 문제가 있는 것으로 나타났습니다. 깨지기 쉬운 세라믹을 사용하여 좁은 형상의 복잡한 부품을 제작하면 내부 균열과 공극에 압력이 가해져 때로는 재앙적인 실패로 이어질 수도 있습니다.

O'Masta는 "전통적으로 가공되거나 3D 프린팅된 모든 세라믹 부품에는 가공, 취급 및 서비스 중에 발생하는 작은 공극과 같은 작은 결함이 있습니다."라고 설명했습니다. "문제는 해당 영역에 응력이 가해지면 결함이 제어할 수 없는 균열이 되어 전체 부품에 치명적인 결함이 발생할 수 있다는 것입니다."

세라믹 3D 프린팅 기술은 아직 초기 단계에 있지만 이 문제를 해결하기 위해 일반적으로 사용되는 기술이 이미 등장하기 시작했습니다. DIW(Direct Ink Writing)와 FDM(Fused Deposition Modeling) 접근 방식의 혼합이 시도되었지만 더 일반적으로 SLA(광중합)를 사용하여 폴리머 주입 공급원료를 경화합니다.

이러한 기존 공정 각각에서 인쇄된 '그린' 부품은 세라믹 입자가 소결되기 전에 폴리머를 제거(탈지)하는 2단계 열처리를 거칩니다. 최근 연구에서는 실록산 기반 수지를 대신 사용하여 3D 프린팅한 후 열분해를 통해 SiOC로 전환하는 대체 접근 방식을 제시했습니다.

이 새로운 세라믹 제조 기술은 오랜 시간이 걸리는 탈지 및 소결 단계를 제거하여 잠재적으로 기존 세라믹 인쇄 공정에 대한 더 빠른 대안이 될 수 있습니다. 하지만 이 새로운 온도 기반 접근 방식이 효과적으로 작동하려면 재료의 낮은 고유 인성을 해결하고 불량한 입자 융합을 방지하는 세라믹 재료를 개발해야 합니다.

3D 프린팅 세라믹에 대한 HRL Labs의 새로운 접근 방식

세라믹 고유의 취약성을 해결하기 위해 HRL 팀은 세라믹 섬유 강화 CMC의 개발이 필요한 새로운 공정을 개발했습니다. 연구진은 분산된 불활성 세라믹 입자를 포함하는 실리콘 옥시카바이드(SiOC) 물질과 광개시제의 혼합물을 사용하여 새로운 수지를 제조했습니다.

그런 다음 연구원들은 Prodways ProMaker L5000 산업용 프린터를 활용하여 공식을 평가하고 최적화할 목적으로 1.25(t) × 2.5(h) ×15(l) mm3 샘플 시리즈를 제작했습니다. 여러 가지 특성화 테스트를 거친 후 팀은 높은 수준의 입자 분산과 강화된 부품의 인장 강도에서 이상한 동작을 확인했습니다.

결과적으로 두꺼운 샘플은 얇은 샘플보다 균열이 발생하기 쉬우며, 이 발견을 통해 HRL 팀은 달성할 수 있는 강화 수준의 "최적 지점"을 식별했습니다. 강화 요소를 너무 많이 추가하면 "보강 한계"를 초과하고 부품이 약해지며, 충분히 포함하지 않으면 세라믹이 파손될 수 있습니다.