Cold Spray에서는 금속 입자가 너무 가속되어 충격에 의해 변형되고 서로 접착됩니다.

임팩트 이노베이션(Impact Innovation)의 전무 이사인 레온하르트 홀츠가스너(Leonhard Holzgassner), 피터 리히터(Peter Richter), 안드레아스 그롭(Andreas Gropp)(왼쪽부터)이 "임팩트 건(Impact Gun)"으로 테스트 셋업을 하고 있다.

사진: 임팩트 이노베이션(Impact Innovations)

호주의 스타트업 "Spee3D"의 인터넷 동영상은 꽤 멋집니다. 제시된 기술도 마찬가지입니다: 그것은 차가운 가스 분무에 관한 것입니다. 관객은 한 남자가 공장 홀에 몰래 들어가는 것을 본다. 그는 자신이 눈에 띄지 않도록 합니다. 그는 비밀리에 큰 기계에 생명을 불어넣습니다. 디스플레이에서 CAD 파일을 선택합니다. 

즉시, 로봇 팔이 흥겨운 음악에 맞춰 움직이기 시작한다. 플레이트는 그 끝에 장착됩니다. 이제 금속 물체가 마치 마법처럼 그 위에서 자라고 있었다. 그것은 골프 클럽 헤드의 거친 구조를 가지고 있습니다. 몇 분 후에 구리 부분이 준비됩니다. 머시닝 센터에서 마무리 작업을 합니다. 준비된! 남자는 미소를 지으며 느슨하게 구멍을 뚫었다.

호주인들이 말하고 싶은 것은 그들의 기계가 모래나 주조 금형 없이도 매우 짧은 시간에 단단한 금속 부품을 만들 수 있다는 것입니다. 또한 솔리드에서 밀링할 필요가 없으며 재료와 에너지 소비가 많이 듭니다.

전무 이사이자 공동 설립자인 Byron Kennedy는 프로세스의 세부 사항을 설명합니다: "원래는 군사 부문에서 비롯되었습니다. 10년 전 미군이 차량 수리에 사용했다"고 말했다. 예를 들어, 노후된 기어박스 하우징은 먼저 녹이 슬지 않도록 제거한 다음 수동 유도 콜드 가스 건을 사용하여 다시 코팅했습니다. 

"공구의 기능 원리는 비교적 간단합니다: 내부에서 공정 가스가 가열되고 Laval 노즐의 팽창에 의해 초음속으로 가속됩니다. 금속 입자가 이 가스 흐름으로 유입됩니다." 표면에 부딪히자마자 먼저 녹지 않고 변형되어 단단히 접착되는 층을 형성합니다. 따라서 "콜드 가스 스프레이"라는 용어가 있습니다.

Spee3D 프린터 내부에서는 6축 로봇이 금속 분말 노즐 위로 빌드 플랫폼을 안내합니다. 그 결과 밀도가 98% 이상인 구성 요소가 생성됩니다. 사진: Spee3D

"지금까지 다른 어떤 회사도 3차원 부품의 목표 건설에 성공하지 못했다"고 케네디는 주장합니다. "그러나 우리 소프트웨어 덕분에 이제 문제 없이 이 작업이 가능합니다. 3D CAD 데이터를 6축 로봇의 팔 움직임으로 변환합니다." 따라서 기계는 노즐 입구 위로 건설 플랫폼을 정확하게 안내합니다. "구성 요소는 계층별로 생성됩니다." 밀도는 98% 이상입니다.

현재 호주의 3D 프린터는 구리와 알루미늄만 처리합니다. 여기서 매개변수는 비교적 쉽게 마스터할 수 있습니다. 예를 들어, 450°C의 공정 온도, 30bar 압력 및 660m/s의 입자 속도는 경금속에 충분합니다.

케네디는 이 기계가 대규모 산업에서 사용되는 것으로 보고 있습니다. "우리는 소량에서 중간 수량의 간단한 디자인을 빠르고 비용 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있습니다." 수만 개의 동일한 부품이 필요하자마자 다이캐스팅이 더 저렴합니다.

2015년에 시작된 회사의 기계 비용은 월 €550,000 또는 €15,000입니다. Kennedy에 따르면, 파우더 베드 프린터에 비해 두 가지 장점이 있습니다: 가장 간단한 표준 금속 분말을 처리합니다 – 입자 크기 분포는 거의 역할을 하지 않습니다. 그리고 부품을 훨씬 더 빠르게 생산합니다 – 골프 클럽 헤드는 10분 후에 준비됩니다. "레이저 용융 시스템은 유동성이 풍부하고 균질한 특수 재료에 의존하며 부품을 생산하는 데 많은 시간이 걸리는 경우가 많습니다"라고 43세의 그는 말합니다.

그가 말하지 않는 것은 비교가 약간 오해의 소지가 있다는 것입니다. 이는 레이저 프린터의 제품이 최종 모양에 더 가깝고 후처리가 덜 필요하며 더 높은 품질의 재료 특성을 갖기 때문입니다. 또한, 파우더 베드에서는 내부 경량 구조 등 세계의 어떤 차가운 가스 노즐도 결코 실현할 수 없는 형상을 실현할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 이 기술은 특히 구리 및 알루미늄과 같이 비교적 다루기 쉬운 금속에 국한되지 않기 때문에 그 존재 이유가 있습니다. 이는 Haun/Rattenkirchen의 Impact Innovations GmbH에 의해 입증되었습니다. 바이에른 사람들은 마케팅에 훨씬 더 절제되어 있습니다. 그들은 몇 가지 세부 사항에서 호주인보다 훨씬 앞서 있습니다. "콜드 가스 건을 사용하여 강철과 티타늄을 포함한 거의 모든 금속과 그 합금을 처리합니다"라고 공동 전무 이사인 Peter Richter는 설명합니다. "유일한 예외는 몰리브덴과 텅스텐입니다."

대부분의 경우 이를 위해서는 더 높은 온도와 더 많은 압력이 필요합니다. "우리는 보통 공기 대신 질소를 공정 가스로 사용합니다"라고 경영 동료인 Leonhard Holzgassner는 설명합니다. "압축하기가 더 쉽고 산화 문제를 일으키지 않습니다. 1100°C로 가열하고 압력을 최대 50bar까지 높입니다." 그러면 가스 흐름은 음속의 약 5배에 도달하게 됩니다. 입자는 충돌 전에 약 1000m/s의 속도로 이동하고 있었습니다. "질소를 헬륨으로 대체하면 가스 흐름은 음속의 15배에 달할 것"이라고 33세인 그는 말한다.

일반적으로 입자 속도는 스프레이 재료에 맞게 조정되어야 합니다. 캐리어 재료와 분말을 함께 접착하기에 충분해야 합니다. 그러나 기판이 제거될 정도로 높아서는 안 됩니다. 총 외에도 Impact Innovation은 고객에게 자격을 갖춘 분말 및 공정 노하우를 제공합니다. 2010년에 설립된 이 회사의 하드웨어 패키지에는 냉각 시스템과 분말 관리 장치도 포함되어 있습니다. 장비에 따라 비용은 €160,000에서 €320,000 사이입니다.

바이에른이 제공하지 않는 것은 공작물 및/또는 총을 움직이는 역학입니다. 이와 관련하여 그들은 로봇 및 공작 기계 제조업체와 협력합니다. "우리의 권총은 Spee3d 기계에도 통합될 수 있습니다"라고 Holzgassner는 말합니다. "또는 상업적으로 이용 가능한 5축 머시닝 센터에서." 각 경우에 선택한 솔루션의 크기에 따라 설치 공간의 크기가 결정됩니다.

Richter는 이러한 확장성을 3D 냉간 가스 분무의 주요 이점으로 보고 있습니다. "파우더 베드 기계 사용자는 최대1m3 부피의 부품을 생산할 수 있습니다. 기계 환경에 따라 몇 배나 많은 양을 쉽게 제공할 수 있습니다." 재료 적용도 불균형적으로 높습니다. "스테인리스강을 사용하면 시간당 약 10kg을 처리할 수 있습니다"라고 34세의 그는 말합니다. 이에 비해 레이저 용융의 축적 속도는 평균 0.3kg/h이고 레이저 적층 용접의 경우 약 4kg/h입니다. 냉간 가스 분무의 또 다른 장점은 입자가 녹지 않기 때문에 부품의 응력이 낮게 유지된다는 것입니다. 또한 서로 다른 금속을 하나의 구성 요소로 결합할 수 있습니다.

임팩트 이노베이션의 고객층은 규모가 큽니다. 이 기술은 예를 들어 항공 우주 산업, 전기 산업 및 가정 용품 부문에서 사용됩니다. Richter는 "우리는 프라이팬에서 로켓에 이르기까지 모든 것을 합니다"라고 요약합니다.