[논문 리뷰] A Review of Multi-material and Composite Parts Production by Modified Additive Manufacturing Methods

Maziar Toursangsaraki|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies참고 문헌 156인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 다재료 및 복합재 부품의 제조를 가능하게 하는 수정된 Additive Manufacturing(AM) 방법을 검토한다. 단일 제조 공정 내에서 다양한 재료를 통합함으로써 재료의 유연성 향상, 통합 설계에 의한 부품 수 감소, 복잡한 부품에서의 기능성 향상 및 경량화를 강조한다.

ABSTRACT

Aside from the capability of additive manufacturing (AM) methods in fabricating components with complex geometries, two crucial potentials of this manufacturing process that are worth mentioning are its flexibility in being combined with other production methods as well as use of a variety of materials in a single production platform to make multi-material and composite products. Implementation of multiple materials in integrated structures has been shown to improve the functionality, weight reduction and, by merging the assembly and production into one stage, modify the manufacturing processes. Different approaches towards modification of AM processes aimed to reach multi-material or composite parts are being reviewed in this paper.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조(AM)가 기능성이 향상된 다재료 및 복합재 부품을 제조할 수 있도록 어떻게 수정될 수 있는지 검토하기.
• 다양한 재료를 단일 AM 플랫폼 내에서 통합할 수 있도록 하는 공정 수정 사항을 특정하기.
• 다재료 AM이 부품 통합, 경량화, 제조 효율성에 미치는 영향을 분석하기.
• 재료 호환성 및 공정 제어 분야에서의 현재 기술 수준을 평가하고 핵심 과제를 규명하기.
• 수정된 AM 방법을 활용한 기능성 향상된 하이브리드 구조 부품을 생산하기 위한 새로운 기법에 대한 종합적 개요 제공하기.

제안 방법

• 다재료 및 복합재 부품 제조에 중점을 둔 수정된 적층 제조 공정에 대한 체계적 검토.
• 기존 AM와 후속 공정(예: 재료 증착, 후처리, 현장 내 재료 혼합 등)을 융합한 하이브리드 AM 기법 분석.
• 이중 nozzles, 다재료 nozzles, 다양한 공급재를 사용한 순차적 층 쌓기 등을 포함한 재료 증착 전략 평가.
• 다재료 AM에서의 계면 결합, 치수 정확도, 기계적 안정성에 영향을 미치는 공정 매개변수 검토.
• 금속, 고분자, 세라믹 등 이질 재료를 단일 부품에 성공적으로 통합한 사례 연구 검토.
• 재료 불일치, 열팽창 차이, 공정 확장성 등의 기술적 한계 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적층 제조는 어떻게 수정되어 단일 제조 공정 내에서 다수의 재료를 동시에 증착할 수 있는가?
• RQ2 AM로 제조된 복합재에서 이질 재료 간 강력한 계면 결합을 달성하는 데 있어 핵심 기술적 과제는 무엇인가?
• RQ3 수정된 AM 공정은 기존 제조 방식에 비해 기능성 향상과 부품 수 감소에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 공정 매개변수가 다재료 AM 부품의 기계적 및 열적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 다재료 AM의 산업적 도입을 위한 재료 호환성 및 확장성의 현재 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 수정된 AM 방법은 기능성 향상과 조립 필요성 감소를 동시에 달성하는 복잡한 다재료 부품의 제조를 가능하게 한다.
• 금속, 고분자, 세라믹 등 이질 재료를 단일 제조 공정 내에서 통합한 사례가 이미 입증되었으며, 이는 설계 자유도 향상과 부품 효율성 향상에 기여한다.
• 다양한 부품을 단일 AM 제조 부품으로 통합함으로써 중량 감소와 함께 구조적 안정성 향상이 뚜렷하게 이루어진다.
• 계면 결합 품질은 여전히 핵심 과제로 남아 있으며, 특히 열팽창 및 융해 거동의 큰 차이를 보이는 재료 간 접합 시 문제가 된다.
• 이중 nozzles 및 다재료 증착 시스템은 제어된 재료 분포와 점진적 성질을 달성하는 데 잠재력이 있다.
• 진전이 있었음에도 불구하고, 재료 호환성, 공정 제어 및 확장성의 과제로 인해 다재료 AM의 광범위한 산업적 도입은 아직 제한되어 있다.