SiC 3D 프린팅: 부품 생산 혁신

제조 환경은 극한 조건과 전례 없는 설계 자유도를 제공하는 공정을 견딜 수 있는 재료를 끊임없이 추구하면서 지각 변동을 겪고 있습니다. 이 혁명의 최전선에는 실리콘 카바이드(SiC) 3D 프린팅 장비가 있으며, 이는 여러 까다로운 산업 전반에서 고성능 부품 생산을 재정의할 준비가 되어 있는 기술입니다. 이 첨단 제조 방식은 실리콘 카바이드의 뛰어난 특성과 적층 제조가 제공하는 민첩성 및 복잡성을 결합하여 엔지니어, 설계자 및 조달 관리자에게 새로운 가능성을 열어줍니다.

탄화규소 이해: 미래를 이끄는 재료

실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘과 탄소의 합성 결정 화합물로, 까다로운 산업 응용 분야에 적합한 뛰어난 특성으로 유명합니다. 고유한 특성은 금속 및 기타 세라믹과 같은 기존 재료와 차별화됩니다.

• 뛰어난 경도: SiC는 알려진 가장 단단한 재료 중 하나로 다이아몬드에 가깝습니다. 이는 마찰 및 입자 침식에 노출된 부품에 매우 중요한 뛰어난 내마모성 및 내마모성으로 이어집니다.
• 고온 안정성: 실리콘 카바이드의 구조적 무결성과 기계적 강도는 극도로 높은 온도, 종종 1400°C(2552°F)를 초과하고 일부 형태에서는 최대 2700°C(4892°F)에서도 유지됩니다. 열 충격에 대한 저항성이 뛰어납니다.
• 뛰어난 열 전도성: 절연체 역할을 하는 많은 세라믹과 달리 SiC는 높은 열전도율을 자랑하여 열을 효율적으로 발산할 수 있습니다. 이는 전력 전자 장치 및 열 교환기의 열 관리 응용 분야에 매우 중요합니다.
• 화학적 불활성: SiC는 강산 및 알칼리를 포함한 광범위한 화학 물질의 부식 및 공격에 대한 뛰어난 저항성을 나타내며, 심지어 고온에서도 나타납니다. 이는 화학 처리 장비에 이상적입니다.
• 낮은 밀도: 많은 금속 및 기타 세라믹에 비해 SiC는 상대적으로 가볍기 때문에 무게 감소가 중요한 항공우주 및 자동차 응용 분야에서 유리합니다.
• 전기적 속성: 실리콘 카바이드 는 반도체로 설계할 수 있으므로 고전력, 고주파 전자 장치의 핵심 재료가 됩니다. 더 높은 전압, 온도 및 주파수에서 작동하는 능력은 기존 실리콘을 능가합니다.

기존 재료와 비교할 때:

속성	실리콘 카바이드(SiC)	금속(예: 강철, 알루미늄)	기타 기술 세라믹(예: 알루미나, 지르코니아)
최대 사용 온도	매우 높음(1400°C – 2700°C)	중간에서 높음(다름)	높음(알루미나 ~1700°C, 지르코니아 ~1200°C)
경도(모스)	~9-9.5	~4-8	알루미나 ~9, 지르코니아 ~8-8.5
열 전도성	높음	매우 높음(알루미늄)에서 중간(강철)	낮음에서 보통
내화학성	우수	가변적(부식되기 쉬움)	양호에서 우수로
밀도	낮음에서 중간(~3.2g/cm³)	가변적(강철 ~7.8g/cm³, Al ~2.7g/cm³)	중간(알루미나 ~3.9g/cm³, 지르코니아 ~6g/cm³)

이러한 특성의 고유한 조합은 반도체 처리 챔버에서 항공우주 추진 시스템 및 첨단 장갑 솔루션에 이르기까지 부품이 심각한 작동 환경을 견뎌야 하는 응용 분야에 SiC를 필수적으로 만듭니다. SiC 3D 프린팅의 출현은 이전에 효율적으로 제조할 수 없었던 복잡한 형상을 생성할 수 있도록 하여 이러한 고유한 이점을 더욱 활용합니다.

SiC 3D 프린팅으로 혁신된 주요 산업

실리콘 카바이드(SiC) 3D 프린팅 장비의 채택은 가혹한 환경에서 우수한 성능, 내구성 및 효율성을 제공하는 부품에 대한 수요에 의해 여러 부문에서 가속화되고 있습니다. 이 기술은 점진적인 개선이 아니라 설계 및 기능의 혁신을 가능하게 하는 파괴적인 힘입니다.

• 반도체 제조: 반도체 산업은 극도의 정밀도, 열적 안정성 및 화학적 저항성을 갖춘 부품을 필요로 합니다. SiC 3D 프린팅은 다음을 생산하는 데 사용됩니다.
  • 웨이퍼 척 및 취급 시스템: 고온에서 평탄도와 안정성을 제공합니다.
  • 챔버 부품: 플라즈마 침식에 저항하는 샤워 헤드, 라이너 및 링과 같은.
  • 정밀 고정구 및 지그: 다양한 처리 단계에 사용됩니다.
• 항공우주 및 방위: 무게 감소, 고온 강도 및 내마모성이 가장 중요합니다. SiC 3D 프린팅은 다음을 제공합니다.
  • 터빈 엔진 부품: 극심한 열과 부식성 가스를 견딜 수 있는 슈라우드, 노즐 및 연소기 라이너.
  • 전방 가장자리 및 제어 표면: 극초음속 차량용.
  • 경량 장갑 시스템: 뛰어난 방탄 성능을 제공합니다.
  • 광학 부품 및 거울: SiC의 열적 안정성과 연마성을 활용하는 정찰 및 표적 시스템용.
• 자동차: 특히 전기 자동차(EV) 및 고성능 자동차에서 SiC는 상당한 이점을 제공합니다.
  • 전력 전자 모듈: 인버터 및 컨버터는 SiC의 높은 열전도율 및 전기적 특성으로 인해 더 작고 효율적인 시스템을 얻을 수 있습니다.
  • 브레이크 시스템 부품: 우수한 내마모성 및 열 관리를 갖춘 디스크 및 패드.
  • 엔진 부품: 고온 및 마모가 문제인 터보차저 로터 또는 밸브 트레인 부품과 같은 내연 기관용.
• 전력 전자 및 재생 에너지: 전력 변환 시스템의 효율성과 신뢰성이 중요합니다.
  • 방열판 및 열 관리 부품: 고전력 밀도 장치용.
  • 전력 모듈용 기판: 전기 절연 및 높은 열전도율을 제공합니다.
  • 태양광 및 풍력 에너지 시스템용 부품: 까다로운 실외 조건에서 작동하는 인버터 및 컨버터용 견고한 부품과 같은.
• 야금 및 고온 처리: 용융 금속 및 극심한 열을 다루는 산업은 SiC의 내화 특성으로 이점을 얻습니다.
  • 도가니, 노즐 및 래들 라이너: 용융 금속 취급용.
  • 용광로 부품: 고온에서 강도를 유지하는 킬른 가구, 복사 튜브, 버너 및 지지 구조.
  • 열전대 보호 튜브: 공격적인 환경에서 정확한 온도 측정을 보장합니다.
• 화학 처리: SiC의 화학적 불활성은 부식성 물질을 취급하는 장비에 매우 중요합니다.
  • 펌프 부품: 씰, 베어링 및 임펠러.
  • 밸브 및 노즐: 부식성 유체를 제어하고 지시하기 위한.
  • 열 교환기 및 반응기 부품: 고온에서 공격적인 화학 물질이 포함된 공정을 위한.
• LED 제조: SiC 기판은 GaN 기반 LED를 성장시키는 데 사용되어 더 나은 열 관리 및 격자 정합으로 인해 광 출력을 향상시키고 수명을 연장합니다. 3D 프린팅은 MOCVD 반응기용 맞춤형 서셉터 및 챔버 부품을 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 산업 기계: 내마모성 부품은 다양한 기계의 수명을 연장하고 유지 보수를 줄입니다.
  • 베어링, 씰 및 노즐: 연마 마모 또는 가혹한 화학 환경에 노출됩니다.
  • 절삭 공구 및 내마모성 라이너: 까다로운 재료 가공 응용 분야용.

3D 프린팅을 통해 복잡하고 맞춤형 SiC 부품을 신속하게 프로토타입 제작하고 생산하는 능력은 이러한 산업이 성능 경계를 넓히고, 에너지 효율성을 개선하고, 운영 비용을 절감할 수 있도록 합니다.

기존 제조 방식 대비 SiC 3D 프린팅의 장점

소결, 반응 결합 및 CVD와 같은 실리콘 카바이드 부품에 대한 기존 제조 방식은 수십 년 동안 개선되었지만, SiC 3D 프린팅(적층 제조 – AM)은 특히 복잡하고 맞춤형 설계에 대해 설득력 있는 이점을 제공하는 패러다임 전환을 제공합니다.

• 전례 없는 설계 자유도 및 복잡한 형상:
  기존 방식은 종종 금형 기능 또는 가공 제약에 의해 제한됩니다. SiC 3D 프린팅은 다음을 허용합니다.
  • 내부 냉각 채널, 격자 구조 및 위상 최적화 설계.
  • 여러 부품을 단일 복잡한 부품으로 통합하여 조립 요구 사항을 줄입니다.
  • 기존 방식으로 제작하는 것이 불가능하거나 지나치게 비싼 모양을 만듭니다.
• 리드 타임 단축 및 신속한 프로토타이핑:
  기존 SiC 제조용 툴링은 생산하는 데 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 들 수 있습니다. AM은 이를 크게 가속화합니다.
  • CAD 모델에서 직접 생산하여 금형 또는 특수 툴링이 필요하지 않습니다.
  • 설계 유효성 검사 및 기능 테스트를 위한 더 빠른 반복 주기.
  • 맞춤형 부품의 소량에서 중간 배치에 대한 더 빠른 배송.
• 재료 효율성 및 폐기물 감소:
  적층 제조는 본질적으로 넷 셰이프 공정에 가깝습니다.
  • 재료는 필요한 곳에만 층별로 추가되어 원자재 소비를 최소화합니다.
  • 감산 방식에 비해 가공 폐기물이 크게 감소하며, 이는 SiC의 비용과 경도를 고려할 때 특히 유익합니다.
• 주문형 생산 및 대량 맞춤화:
  SiC 3D 프린팅은 민첩한 제조를 용이하게 합니다.
  • 필요에 따라 부품을 생산하여 재고 비용 및 보관 공간을 줄입니다.
  • 개별 고객 또는 응용 분야에 대한 특정 성능 요구 사항이 있는 고유하고 맞춤화된 부품 또는 소량 시리즈의 경제적인 생산.
  • 변화하는 요구 사항 또는 성능 피드백에 맞게 설계를 신속하게 조정하는 기능.
• 복잡한 부품의 비용 효율성:
  SiC 원자재 및 AM 장비는 비쌀 수 있지만, 고도로 복잡하거나 소량의 부품의 경우 3D 프린팅이 다음을 통해 더 비용 효율적일 수 있습니다.
  • 툴링 비용 제거.
  • 부품 통합을 통한 조립 작업 감소.
  • 재료 폐기물 최소화.
• 향상된 기능 성능:
  SiC 3D 프린팅이 제공하는 설계 자유도는 향상된 성능 특성을 가진 부품으로 이어질 수 있습니다.
  • 복잡한 냉각 채널 설계를 통한 최적화된 열 관리.
  • 강도를 손상시키지 않고 내부 격자를 통한 경량화.
  • 복잡한 내부 경로로 인한 노즐 또는 믹서의 향상된 유동 역학.

Sicarb Tech와 같은 회사는 이러한 이점을 활용하여 전문적인 사용자 지정 지원 고객이 특정 응용 분야에 SiC 3D 프린팅의 모든 잠재력을 실현하도록 돕습니다. 이 협력적 접근 방식은 고성능 맞춤형 세라

SiC 3D 프린팅 기술 및 장비 유형

탄화규소 부품 생산을 위해 여러 적층 제조 기술이 적용 및 최적화되고 있습니다. 각 방법은 구성 요소를 층별로 구축하는 고유한 접근 방식을 가지고 있으며, 기술 선택은 종종 원하는 부품 복잡성, 해상도, 재료 특성 및 생산량에 따라 달라집니다.

1. 바인더 제팅

바인더 제팅은 SiC를 포함한 세라믹에 대한 보다 개발된 AM 기술 중 하나입니다.

• 프로세스: 액체 결합제는 잉크젯 스타일의 프린트 헤드를 통해 SiC 분말의 얇은 층에 선택적으로 증착됩니다. 빌드 플랫폼이 내려가고, 또 다른 분말 층이 펼쳐지며, "그린" 부품이 형성될 때까지 이 과정이 반복됩니다.
• 후처리: 그린 부품은 깨지기 쉬우며, 주의 깊은 탈분말화, 경화, 탈바인더(바인더 제거), 고온 소결(반응 결합 탄화규소(RBSC)의 경우 용융 실리콘과 같은 침투제 사용)을 통해 밀도화 및 최종 특성을 달성해야 합니다.
• 장점: 비교적 빠른 빌드 속도, 대형 부품 제작 능력, 인쇄 중 지지 구조 불필요(분말층이 오버행을 지지).
• 고려 사항: 그린 부품은 강도가 낮습니다. 소결 및 침투 단계는 매우 중요하며 수축 또는 치수 변화를 유발할 수 있습니다. 적절하게 처리하지 않으면 다공성이 문제가 될 수 있습니다.

2. 직접 잉크 쓰기(DIW) / 로보캐스팅

DIW는 고농축 SiC 기반 잉크 또는 페이스트를 미세 노즐을 통해 압출하는 것을 포함합니다.

• 프로세스: 로봇 시스템 또는 갠트리는 CAD 모델에 따라 SiC 잉크를 층별로 정밀하게 분사합니다. 잉크는 증착 후 모양을 유지하도록 배합됩니다.
• 후처리: 인쇄된 부품은 건조된 후 고온에서 소결되어 재료를 밀도화합니다.
• 장점: 재료 조성에 대한 우수한 제어, 다중 재료 인쇄 가능성, 복잡한 내부 구조 및 미세 기능 생성 능력.
• 고려 사항: 바인더 제팅에 비해 대형 부품의 빌드 속도가 느립니다. 인쇄성 및 최종 특성을 위해 잉크의 신중한 배합이 중요합니다. 복잡한 오버행의 경우 지지 구조가 필요할 수 있습니다.

3. 배트 광중합(SiC 로드 레진을 사용한 SLA/DLP)

스테레오리소그래피(SLA) 또는 디지털 광 처리(DLP)는 SiC 입자가 많이 로드된 광경화성 수지를 사용하여 SiC에 적용할 수 있습니다.

• 프로세스: 광원(SLA의 경우 UV 레이저, DLP의 경우 프로젝터)은 SiC 로드 레진을 층별로 선택적으로 경화시킵니다.
• 후처리: 폴리머 바인더에 의해 유지되는 SiC 입자로 구성된 "그린" 부품은 과도한 수지를 제거합니다. 그런 다음 폴리머를 제거하기 위해 탈바인더 공정을 거친 후 SiC 입자를 융합하기 위해 소결합니다.
• 장점: 고해상도 및 미세 기능 디테일, 우수한 표면 마감.
• 고려 사항: 수지에 로드할 수 있는 SiC 분말의 양이 제한됩니다(일반적으로 최종 밀도 및 특성에 영향을 미침). 탈바인더 및 소결은 중요하고 복잡합니다. 수축이 상당할 수 있습니다.

4. SiC 3D 프린팅 장비에 대한 재료 고려 사항:

SiC 분말 선택은 성공적인 3D 프린팅에 매우 중요합니다.

• 입자 크기 및 분포: 분말층 밀도, 유동성(바인더 제팅의 경우) 및 소결 거동에 영향을 미칩니다. 일반적으로 미세한 입자는 소결을 돕지만 취급에 어려움을 겪을 수 있습니다.
• 형태: 입자 모양은 포장 및 흐름에 영향을 미칩니다. 구형 입자가 종종 선호됩니다.
• 순도: 불순물은 최종 SiC 구성 요소의 특성, 특히 전기적 및 열적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 첨가제/바인더: 우수한 인쇄성과 후처리 중 성공적인 제거를 보장하기 위해 바인더(바인더 제팅 및 배트 광중합) 또는 유변학적 제제(DIW 잉크)의 유형과 양을 신중하게 선택해야 합니다.

장비 자체는 일반적으로 정밀 모션 시스템, 분말 취급/확산 메커니즘(바인더 제팅), 정교한 프린트 헤드 또는 압출 시스템, 제어된 빌드 환경을 포함합니다. 후처리는 종종 제어된 분위기에서 SiC 소결 온도(종종 >2000°C)에 도달할 수 있는 고온로가 필요합니다.

SiC 3D 프린터로 제조하기 위한 설계 고려 사항

3D 프린팅을 사용하여 탄화규소 부품을 성공적으로 제조하려면 고급 장비 이상이 필요합니다. 이는 설계에 대한 신중한 접근 방식, 종종 적층 제조를 위한 설계(DfAM)라고 합니다. 여기에는 사용되는 특정 SiC 3D 프린팅 공정에 대한 부품의 형상을 최적화하고, 재료의 고유한 특성과 후속 후처리 단계를 고려하는 것이 포함됩니다.

SiC에 대한 주요 DfAM 원칙:

• 벽 두께:
  • 최소 벽 두께: 각 SiC 3D 프린팅 공정에는 입자 크기, 층 높이 및 그린 부품 강도로 인해 달성 가능한 최소 벽 두께가 있습니다. 이보다 낮게 설계하면 인쇄 실패 또는 취급 및 후처리 중 손상이 발생할 수 있습니다.
  • 최대 벽 두께: 매우 두꺼운 부분은 탈바인더 중 완전한 바인더 소모와 균일한 소결에 어려움을 겪을 수 있으며, 잠재적으로 내부 결함 또는 균열을 유발할 수 있습니다. 더 두꺼운 부품의 경우 내부 공극 또는 격자 구조를 통합하는 것을 고려하십시오.
• 기능 크기 및 해상도:
  • 작은 기능, 구멍 및 채널은 프린터 및 SiC 재료 시스템의 해상도 내에서 설계해야 합니다. 작고 지지되지 않는 기능은 올바르게 형성되지 않거나 후처리에서 살아남지 못할 수 있습니다.
  • 기능의 종횡비(높이 대 너비)를 고려하여 안정성을 보장해야 합니다.
• 오버행 및 지지 구조:
  • 바인더 제팅은 자체 지지되지만 DIW 또는 배트 광중합과 같은 다른 SiC AM 공정에는 특정 각도(일반적으로 >45도)를 초과하는 오버행 및 브리지를 위한 지지 구조가 필요할 수 있습니다.
  • 지지대는 부품을 손상시키지 않고 쉽게 제거할 수 있도록 설계해야 하며, 특히 소결 후 SiC의 경도를 고려해야 합니다. 지지대 재료를 고려하십시오. 때로는 희생 SiC 지지대가 사용됩니다.
  • 자체 지지 각도 또는 눈물 방울 모양의 구멍을 설계하면 지지대의 필요성을 최소화할 수 있습니다.
• 축소 및 왜곡:
  • SiC 부품은 소결 중에 상당한 수축을 겪습니다(공정 및 초기 그린 밀도에 따라 15-25% 이상일 수 있음). 이 수축은 초기 CAD 설계에서 정확하게 예측하고 보상해야 합니다.
  • 불균일한 수축은 특히 단면이 다른 부품에서 왜곡 또는 뒤틀림을 유발할 수 있습니다. 가능한 경우 균일한 벽 두께를 위해 설계하거나 시뮬레이션 도구를 사용하여 왜곡을 예측하고 완화하십시오.
• 내부 채널 및 복잡한 형상:
  • AM의 주요 강점 중 하나는 복잡한 내부 채널을 만드는 것입니다. 채널이 분말 제거(바인더 제팅) 또는 수지 배수(배트 광중합)에 충분히 크고 세척 공정을 견딜 수 있는지 확인하십시오.
  • 응력 집중 지점이 될 수 있는 날카로운 내부 모서리를 피하십시오. 필렛과 반경을 사용하십시오.
• 부품 방향:
  • 빌드 플레이트에서 부품의 방향은 표면 마감, 정확도, 빌드 시간 및 필요한 지지대 양에 영향을 미칠 수 있습니다. 빌드 방향에 따라 이방성 특성이 발생할 수도 있습니다.
  • 지지대가 중요한 표면에 최소화되도록 또는 적용 가능한 경우 특정 방향에서 최적의 강도를 위해 층을 정렬하도록 부품을 배치합니다.
• 설계 중 재료 고려 사항:
  • 부품이 반응 결합 탄화규소(RBSC)인 경우 실리콘 침투 경로를 고려하십시오.
  • 소결 탄화규소(SSC)의 경우 균일한 밀도화를 촉진하도록 설계하십시오.
• 허용 오차:
  • 선택한 SiC AM 공정 및 후처리 단계의 달성 가능한 공차를 이해하십시오. 이러한 공차를 염두에 두고 중요한 기능을 설계하고, 더 엄격한 요구 사항에 대해 2차 가공이 필요한 경우를 지정하십시오.

설계 단계 초기에 숙련된 SiC AM 제공업체와 협력하는 것이 중요합니다. 그들은 재료 선택, 공정별 DfAM 규칙에 대한 지침을 제공하고 잠재적인 제조 문제를 예측하여 궁극적으로 보다 성공적이고 비용 효율적인 결과를 얻을 수 있습니다.

후처리: 3D 프린팅된 SiC 부품 정제

3D 프린팅을 통해 탄화규소 부품을 만드는 것은 여러 단계로 이루어지는 공정이며, "인쇄된 그대로" 또는 "그린" 구성 요소는 종종 최종 기능 상태와 거리가 멉니다. 후처리 단계는 이 그린 부품을 원하는 재료 특성 및 표면 마감으로 조밀하고 강하며 정밀한 SiC 구성 요소로 변환하는 데 매우 중요합니다. 특정 단계는 사용된 3D 프린팅 기술(예: 바인더 제팅, DIW, 배트 광중합)에 따라 다릅니다.

1. 탈분말/세척(주로 바인더 제팅 및 분말 베드 시스템용)

• 목표: 그린 부품, 특히 내부 채널 및 복잡한 기능에서 모든 느슨하고 결합되지 않은 SiC 분말을 제거합니다.
• 방법: 부드러운 브러싱, 압축 공기 분사, 진공 청소. 그린 부품은 깨지기 쉬우므로 주의해야 합니다.
• 중요성: 분말 제거가 불완전하면 소결 후 결함 또는 원치 않는 융합 재료가 발생할 수 있습니다.

2. 경화 / 사전 소결(해당하는 경우)

• 목표: 탈바인더 및 소결 주요 단계 전에 취급을 더 쉽게 하기 위해 그린 부품을 약간 강화합니다. 이는 종종 바인더 제팅 부품과 관련이 있습니다.
• 방법: 바인더를 부분적으로 경화하기 위한 저온 오븐 가열.

3. 탈바인더(바인더 제거)

• 목표: 그린 부품에서 유기 바인더(바인더 제팅 또는 광중합 수지에서)를 완전히 제거하여 다공성 SiC 구조("브라운" 부품)를 남깁니다.
• 방법:
  • 열 디바인딩: 제어된 분위기 로에서 부품을 천천히 가열하여 바인더를 열분해(연소)합니다. 가스 발생이 급격하게 발생하여 균열 또는 팽창과 같은 결함이 발생하지 않도록 가열 일정이 매우 정확해야 합니다.
  • 솔벤트 디바인딩: 열 탈바인더 전에 바인더의 일부를 제거하기 위한 예비 단계로 사용되는 경우도 있습니다.
• 중요성: 잔류 바인더는 소결 중 SiC를 오염시키고 최종 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 불완전한 탈바인더는 결함을 유발할 수 있습니다.

4. 소결 / 침투

이것은 밀도화 및 최종 SiC 재료 특성 달성을 위한 가장 중요한 단계입니다.

• 고체상 소결(소결 탄화규소(SSC)의 경우):
  • 목표: 다공성 갈색 부품을 제어된 분위기(예: 아르곤 또는 진공)에서 매우 높은 온도(일반적으로 >2000°C, 예: 2100-2300°C)로 가열하여 조밀하게 만듭니다. 이렇게 하면 SiC 입자가 결합 및 융합되어 다공성이 감소합니다. 소결 조력제(붕소 및 탄소 등)가 자주 사용됩니다.
  • 결과: 고순도, 고밀도 SiC. 상당한 수축이 발생합니다.
• 반응 결합 / 침투(반응 결합 탄화규소(RBSC, 실리콘화 탄화규소(SiSiC)라고도 함)의 경우):
  • 목표: 용융 실리콘(일반적으로 약 1500-1700°C)으로 침투하여 다공성 SiC 프리폼을 밀도화합니다. 실리콘은 자유 탄소(종종 초기 SiC 분말 혼합물에 추가되거나 바인더 열분해로 형성됨)와 반응하여 새로운 2차 SiC를 in-situ로 형성하여 원래 SiC 입자를 결합합니다. 과도한 실리콘이 남은 기공을 채웁니다.
  • 결과: 1차 SiC, 2차 SiC 및 일부 자유 실리콘(일반적으로 8-15%)의 조밀한 복합체. SSC에 비해 수축이 적습니다. 종종 SSC보다 빠르고 저렴합니다.
• 액상 소결(LPS-SiC): 고온에서 액상을 형성하는 소결 첨가제를 사용하여 SSC보다 약간 낮은 온도에서 밀도화를 돕습니다.

5. 표면 마감 및 가공

소결 후에도 SiC 부품은 치수 공차 또는 표면 마감 요구 사항을 충족하기 위해 추가 가공이 필요할 수 있으며, 특히 SiC가 매우 단단하기 때문입니다.

• 연삭: 정밀한 치수와 평평한 표면을 얻기 위해 다이아몬드 연삭 휠을 사용합니다.
• 래핑 및 연마: 매우 매끄러운 표면(예: 씰, 베어링 또는 광학 부품의 경우)을 얻기 위해. 일반적으로 다이아몬드 슬러리가 사용됩니다.
• 레이저 가공: 소결된 SiC에 작은 구멍을 뚫거나 미세한 기능을 만들 수 있습니다.
• 방전 가공(EDM): SiC 등급이 충분한 전기 전도성을 갖는 경우(예: 자유 실리콘이 더 높은 일부 RBSC 등급) 적용 가능합니다.

6. 세척 및 검사

• 목표: 가공 또는 취급으로 인한 잔류물을 제거하기 위한 최종 세척.
• 점검: 치수 검사, 표면 거칠기 측정, 내부 결함을 감지하기 위한 X선 또는 초음파 검사와 같은 NDT(비파괴 검사) 및 재료 특성화.

이러한 후처리 단계에 필요한 복잡성과 정밀도는 특수 장비(고온로, 다이아몬드 가공 도구) 및 전문 지식이 필요함을 강조합니다. SiC와 같이 단단한 재료에서 원하는 공차(종종 마이크론 단위)와 표면 마감(연마된 표면의 경우 나노미터까지의 Ra 값)을 달성하는 것은 전체 제조 비용과 리드 타임을 증가시키는 중요한 엔지니어링 과제이지만 고성능 응용 분야에 필수적입니다.

SiC 적층 제조의 과제 극복

탄화규소(SiC) 적층 제조(AM)는 혁신적인 잠재력을 제공하지만, 광범위한 채택과 산업화에는 일련의 기술적 및 경제적 과제가 따릅니다. 지속적인 연구 개발은 SiC 3D 프린팅을 보다 강력하고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적으로 만들기 위해 이러한 장애물을 해결하는 데 중점을 둡니다.

1. 재료 일관성 및 분말 품질:

• 도전: 최종 SiC 부품의 특성은 시작 분말의 특성(입자 크기, 분포, 형태, 순도) 및 바인더 또는 슬러리와의 상호 작용에 크게 의존합니다
• 완화:
  • 다양한 AM 공정에 최적화된 표준화된 SiC 분말 개발.
  • 투입 원자재에 대한 엄격한 품질 관리.
  • 더 나은 유동성과 충전 밀도를 위한 개선된 분말 구형화 기술.

2. 고밀도 및 원하는 미세 구조 달성:

• 도전: 최적의 기계적, 열적, 화학적 특성을 위해서는 거의 완전한 이론 밀도를 달성하고 입자 크기를 제어하는 것이 중요합니다. 다공성은 응력 집중 장치로 작용하고 성능을 저하시키는 심각한 문제가 될 수 있습니다. 탈지 및 소결/침투 단계는 특히 민감합니다.
• 완화:
  • 인쇄 매개변수 최적화(층 두께, 바인더 포화도, 레이저 출력 등).
  • 결함을 방지하기 위한 탈지 일정 개선.
  • 첨단 소결 기술(예: R&D를 위한 스파크 플라즈마 소결(SPS), 기존 소결에서 압력, 온도 및 분위기 최적화).
  • 잔류 다공성 또는 반응하지 않은 실리콘을 최소화하기 위한 RBSC의 침투 공정에 대한 정밀한 제어.
  • SSC에 적합한 소결 보조제 사용.

3. 수축 제어 및 치수 정확도:

• 도전: 소결 중(특히 SSC의 경우) 상당하고 잠재적으로 불균일한 수축이 발생하여 반복적인 설계 조정 또는 후처리 없이는 좁은 치수 공차를 달성하기 어렵습니다.
• 완화:
  • 정확한 수축 예측 모델 및