선택적 레이저 소결(SLS) 3D 프린팅:상세 가이드

138억 4천만 달러에 달하는 적층 제조 산업은 현대 시대에서 가장 빠르게 성장하는 제조 기술 중 하나입니다. 선택적 레이저 소결(SLS)은 급속한 성장을 촉진하고 광범위한 산업 적응에 영감을 준 혁신적인 3D 인쇄 기술 중 하나입니다.

이 종합 가이드에서는 워크플로, 장점/단점, 재료 기능 및 일부 응용 프로그램을 포함하여 SLS 인쇄의 다양한 측면에 대해 설명합니다.

선택적 레이저 소결 3D 프린팅이란?

SLS 3D 프린팅은 가이드 레이저를 열 에너지원으로 사용하여 원자재 입자 층을 강하고 내구성 있는 구조로 소결합니다. 입자는 가열되면 녹지 않고 합쳐집니다. 그래서 용융이 아닌 소결이라고 합니다.

또한 SLS 3D 프린터는 데스크탑에서 대규모 산업에 이르기까지 다양한 빌드 볼륨으로 제공됩니다. 또한 레이저 유형(파이버, 다이오드, CO2 레이저 등), 레이저 출력, 비용 및 제조 정확도와 같은 요소도 다릅니다.

이 기술은 기능 부품 제조 및 신속한 프로토타이핑을 위한 실행 가능성으로 알려져 있습니다. SLS 3D 프린터 부품의 바람직한 재료 품질은 제조업체와 제품 개발자에게 유망한 요소입니다.

선택적 레이저 소결에 대해 더 자세히 알아보고 더 나은 이해를 위해 워크플로를 분석해 보겠습니다.

SLS 3D 프린팅의 작업 흐름

SLS 3D 프린팅은 여러 단계로 수행됩니다. 다음은 대부분의 SLS 3D 프린터에 대한 단계별 절차 표준입니다.

1. CAD 모델 준비

이야기는 인쇄할 부품의 CAD 모델로 시작됩니다. 완성된 모델은 SLS 프린터에 내장된 사용자 인터페이스 또는 3D 프린팅에 적합한 파일 형식의 슬라이싱 소프트웨어로 전송됩니다. 가장 일반적인 파일 형식은 STL입니다.

슬라이싱 소프트웨어는 3D 인쇄용 CAD 파일을 준비하여 프린터 컨트롤러가 레이저의 스캔 동작과 관련하여 해석할 수 있는 명령(G-코드라고 함)을 생성합니다. 또한 이 소프트웨어는 최종 빌드 품질을 결정하는 요소인 레이어 두께, 레이저 출력 및 해상도와 같은 사용자 정의 설정을 통합합니다.

이 단계에서 소프트웨어는 인쇄 시간 및 재료 소비와 같은 중요한 정보도 예측합니다.

2. 인쇄 전 확인

SLS 3D 프린터는 작동하는 데 교육과 관리가 필요한 정교한 기계입니다. 인쇄가 시작되기 전에 인쇄가 원활하게 진행되는지 확인하기 위해 몇 가지 검사를 수행합니다.

빌드 챔버(파우더 베드)가 올바른 레벨과 올바른 재료로 채워집니다. 또한 전문 운영자는 인쇄 가능성에 영향을 미치는 허점이 없는지 확인하기 위해 사전 인쇄 CAD 검사를 수행합니다.

원하는 인쇄 경로를 따라 레이저 빔을 보내는 거울인 검류계를 보정해야 합니다. 이를 작동시키는 서보 모터는 오류를 최소화하기 위해 홈 위치로 이동합니다. 이에 대한 교정 일정은 핸드북에서 제조업체에서 권장하는 경우가 많습니다.

3. 분말 예열

빌드 챔버의 분말은 인쇄가 융점 바로 아래로 떨어지기 전에 예열됩니다. 이러한 방식으로 레이저의 열 에너지는 소결에만 사용됩니다. 이를 통해 빠른 3D 인쇄가 가능합니다.

4. 인쇄

실제로 인쇄 과정 자체는 매우 간단하고 독창적입니다. 레이저는 파우더 베드의 상단 표면 위에 있는 부품의 상단 레이어(슬라이서에서 앞서 정의함)를 스캔합니다.

레이저 출력은 층 두께와 동일한 소결 깊이를 달성하도록 정밀하게 설정됩니다. SLS 3D 프린팅의 일반적인 레이어 두께 범위는 0.05-0.15mm입니다.

그런 다음 침대는 한 층의 두께만큼 아래로 이동하여 빌드를 가져옵니다. SLS 재료의 새로운 층이 재코팅 블레이드/롤러에 의해 베드 위에 펼쳐집니다. 레이저는 이번에는 이전 레이어와 결합하는 두 번째 레이어를 스캔합니다.

그런 다음 이 프로세스는 전체 부품이 인쇄될 때까지 계속 반복됩니다.

5. 부품 복구 및 후처리

인쇄가 완료된 후 잠시 동안 챔버 내부를 식힙니다. 냉각되면 빌드 챔버에서 추출됩니다. 부품의 모든 면이 소결되지 않은 분말로 둘러싸여 있기 때문에 추출 과정을 종종 "탈분말"이라고 합니다.

SLS 3D 프린팅의 장점

SLS 3D 프린팅은 수많은 장점을 자랑하며 산업계에서 가장 인기 있는 적층 제조 방법 중 하나입니다.

1. 견고한 부품

SLS 3D 프린팅 부품은 기계적 강도, 인장 계수, 내열성, 방수 및 기밀성과 같은 유리한 특성을 가지고 있습니다. 이는 개별 폴리머 입자를 강력하게 결합하는 소결 과정 때문입니다.

이러한 견고성으로 인해 SLS 프린터는 테스트 제품의 외관뿐만 아니라 기능도 모방한 기능성 프로토타입을 개발 및 테스트하기 위한 공통 장비가 되었습니다.

2. 지원이 필요하지 않음

돌출부 또는 브리지와 같은 기능이 있는 3D 인쇄 구조는 인쇄 중에 이러한 요소를 유지하기 위해 지지 지오메트리가 필요합니다. FDM과 같은 대부분의 3D 프린팅 방법은 이러한 지지 구조를 프린팅하는 데 많은 시간과 재료를 낭비합니다.

그러나 선택적 레이저 소결에서는 이것이 문제가 되지 않습니다. 전체 빌드가 느슨한 파우더 풀에 갇혀 있기 때문에 빌드 중에 이미 잘 지원됩니다. 이는 시간을 절약할 뿐만 아니라 비용도 절감합니다.

3. 빨리

이 기계는 최대 48mm/hr의 속도로 상업용 인쇄가 가능한 고속 3D 프린터로 간주됩니다. 이는 상당한 수의 대체 3D 프린팅 방법을 능가합니다.

이 외에도 이 프로세스의 워크플로는 여러 단계로 나누어져 있지만 시간 효율적입니다. 레이저 스캐닝은 거의 즉각적이며, 첫 번째 챔버가 냉각되면 빌드 챔버를 분리하여 다른 챔버로 교체할 수 있으며, 다음에 논의할 일괄 인쇄의 가능성도 있습니다.

4. 일괄 인쇄

3D 프린터는 더 큰 기계의 경우 한 방향으로 최대 750mm까지 다양한 빌드 챔버 볼륨으로 제공됩니다. 생산적인 접근 방식은 배치 인쇄를 적용하여 빌드 챔버 볼륨을 효율적으로 사용하는 것입니다.

이는 빌드 챔버 내부에 '배치'로 많은 부품을 맞추는 것을 의미합니다. 레이저 스캐닝 자체가 매우 빠르기 때문에 이것은 신중합니다. 배치 인쇄에서 한 번의 스캔으로 한 개가 아닌 여러 부품의 레이어를 소결할 수 있어 인쇄 시간을 절약할 수 있습니다.

5. 높은 차원 정확도

SLS는 매우 정확한 부품을 생산합니다. 앞서 언급했듯이 레이어 높이는 0.05mm만큼 낮을 수 있습니다. 게다가 대부분의 3D 프린터는 +/- 3% 이내의 공차를 제조할 수 있습니다. 파우더 베드가 제공하는 패킹 압력도 뒤틀림을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

이 때문에 SLS 3D 인쇄 부품은 그물 모양에 가깝고 광범위한 후처리가 필요하지 않습니다.

SLS 3D 프린팅의 단점

모든 제조 공정과 마찬가지로 SLS에는 장점 외에도 단점이 있습니다. SLS를 선택하기 전에 염두에 두어야 할 몇 가지 사항에 대해 설명합니다.

1. 제한된 원자재 옵션

선택적 레이저 소결은 강력한 재료 카탈로그를 제공하지 않습니다. 몇 가지 유형의 나일론, 열가소성 엘라스토머 및 TPU(열가소성 폴리우레탄)를 제외하고 SLS와 호환되는 재료는 구하기가 다소 어렵습니다. 물리적 외관도 회색빛이 도는 금속 마감재로 제한됩니다.

과학적 연구가 SLS 인쇄의 재료 범위를 확장하고 있지만 현재로서는 명백한 단점입니다.

2. 거친 표면

최종 빌드는 치수가 정확하지만 매끄럽고 반짝이는 표면이 없습니다. 많은 경우 제조 요구 사항을 충족하기 위해 추가 표면 처리가 필요할 수 있습니다. 광조형 기술과 같은 경쟁 기술은 훨씬 더 나은 표면 마감을 제공합니다.

다음 섹션에서 이 문제를 해결하는 데 도움이 되는 몇 가지 인기 있는 후처리 방법에 대해 논의할 것입니다.

3. 비싼 프린터

SLS 프린터는 일반적으로 고가의 기계입니다. 더 저렴한 버전에 $5,000 이상을 지출할 것으로 예상해야 합니다. 고급 버전은 $100,000+ 범위입니다.

그러나 여기서 초기 투자는 비교적 낮은 재료 및 인쇄 비용으로 약간 상쇄된다는 점에 유의해야 합니다. 또한, 비싸지 않지만 적절한 사양을 갖춘 혁신적인 벤치탑 3D 프린터의 새로운 물결이 시장에 진입하고 있습니다. 3D 프린팅 서비스 비용에 대해 자세히 알아보세요.

4. 건강 및 환경 위험

SLS 재료는 입자 크기가 20마이크론만큼 작은 미세 분말 형태로 제공됩니다. 이러한 미세 입자는 호흡기에 쉽게 침투하여 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 소결은 작업 환경을 벗어나 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 연기를 생성할 수 있습니다.

작업자는 이러한 물질을 다룰 때 마스크, 장갑과 같은 적절한 PPE를 사용할 것을 권장합니다.

SLS 3D 프린팅에 적합한 재료

소결 가능한 분말 폴리머는 SLS 재료의 주요 부류입니다. 아래에 이 범주에 속하는 주요 자료가 요약되어 있습니다.

1. PA12

PA 12는 일반적으로 나일론 12 및 폴리아미드 12로도 알려져 있습니다. 인장 강도, 인성 및 유연성이 뛰어납니다. PA 12는 또한 내화학성 및 내열성이 있어 기능성 제품에 이상적인 후보입니다.

3D 프린팅 후 표면이 약간 거칠고 무광택입니다. 당연히 다른 색상으로 편리하게 염색할 수 있는 화이트 색상을 가지고 있습니다.

2. PA11

폴리아미드 11/나일론 11은 생체 적합성, 강성, 유연성, 내열성 및 내화학성입니다. 자동차 인테리어, 보철 및 의료 장비와 같은 특정 하중 지지 응용 분야에서 뛰어난 등방성 거동으로 유명합니다.

3. 알루미늄

Alumide는 알루미늄 분말로 채워진 나일론입니다. 이 혼합물은 더 높은 강도와 ​​강성을 위해 만들어졌습니다. 또한 알루미늄은 PA12 또는 PA11과 같은 순수한 나일론 소재만큼 거칠지 않은 최종 제품에 반짝이는 금속성을 부여합니다.

4. PA-CF

탄소 섬유로 채워진 나일론은 우수한 강도와 내충격성을 갖춘 고성능 조합입니다. 탄소섬유 제품의 특징으로 매우 가볍습니다. 일반적인 응용 분야에는 지그, 고정 장치 및 경량 자동차 부품이 포함됩니다.

SLS 인쇄 부품의 표면 마감 옵션

후처리는 위에서 다루었지만 우리는 전문가들이 사용하는 다양한 기술을 강조하지 않았습니다. 그러나 탈가루 부품의 표면 마감은 이상적이지 않습니다. 따라서 제조 요구 사항에 따라 여러 표면 처리를 적용할 수 있습니다.

1. 수동 샌딩/연삭

수동 기술을 사용하면 약간 더 미세한 표면을 얻을 수 있습니다. 작업자는 다양한 등급의 사포나 연삭기를 사용하여 표면 처리를 균일하게 하고 형상의 모든 모서리에 도달합니다.

2. 폭파 및 텀블링

이러한 방법은 훌륭한 표면 조도를 달성합니다. 비드 블라스팅의 경우 일반적인 매체는 유리 비드이고 텀블링의 경우 세라믹 칩이 널리 사용됩니다. 두 경우 모두 이 입자가 SLS 부품의 표면과 충돌하여 평평해집니다.

그러나 단점은 일부 재료도 제거되어 부품 치수가 변경된다는 것입니다. 또한 날카로운 모서리가 둥글게 나올 수도 있습니다. 이는 바람직하거나 바람직하지 않을 수 있습니다.

3. 화학 처리

아세톤과 같은 화학 물질은 표면을 매끄럽게 만들기 위해 반응할 수 있습니다. 이것은 대중적인 방법은 아니지만 어떤 경우에는 실행 가능합니다. 화학물질 선택 시 반응성에 주의해야 합니다.

4. 코팅

특정 물리적 특성을 얻기 위해 다양한 코팅을 적용할 수 있습니다. 금이나 구리와 같은 금속 코팅은 때때로 강도와 미학을 추가하는 데 사용됩니다. 3D 프린팅된 부품은 다공성이므로 실리콘과 같은 방수 코팅을 적용하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.

5. 염색/옻칠

표면 품질을 향상시키는 쉬운 해결책은 거친 표면에 페인트나 래커를 바르는 것입니다. 이렇게 하면 부품의 외관이 향상되고 반짝이는 느낌이 들며 시간이 많이 걸리지 않습니다.

SLS 3D 프린팅의 응용

SLS는 수많은 장점으로 인해 여러 중요한 산업에서 응용 프로그램을 찾았습니다.

1. 신속한 프로토타이핑 및 제조

SLS 3D 인쇄 부품의 기계적 특성은 다른 공정을 통해 제조된 부품과 비슷합니다. 그러나 생산이 더 빠르고 편리합니다. 이러한 이유로 SLS 부품은 쾌속 조형 및 기능성 제품 제조에 널리 사용됩니다.

제품 개발자는 빠른 인쇄 속도와 부품 기능 덕분에 설계 반복 작업을 신속하게 진행할 수 있습니다.

2. 항공 및 자동차

이 두 산업 모두 SLS 인쇄의 특징인 가볍고 충격에 강한 부품을 끊임없이 찾고 있습니다. 따라서 3D 프린팅은 자동차를 개조하거나 장식하기 위한 맞춤형의 세련된 부품을 제조하는 데에도 인기를 얻고 있습니다.

항공우주 엔진의 난연성 부품은 SLS 재료의 특정 품질이 적합한 또 다른 응용 분야입니다. 이 외에도 에어 덕트 및 프로토타입 제작에도 인기가 있습니다.

3. 의료

의료 산업에서 기능적이고 맞춤형으로 설계된 보철 및 보조기는 오늘날 3D 프린팅됩니다. 이는 3D 스캐닝 기술을 통해 이러한 부품이 환자의 체격에 따라 정확하게 형성되고 SLS가 필요한 기계적 특성을 달성하는 데 도움이 되기 때문입니다.

WayKen의 SLS 3D 프린팅 서비스

SLS는 정밀도, 정확성 및 생산성을 위해 많은 산업 분야에서 널리 사용되는 적층 제조 기술입니다. 그러나 기술을 마스터하는 것은 어려울 수 있으므로 양질의 결과를 제공할 수 있는 경험과 전문 지식을 갖춘 평판이 좋은 서비스 제공업체와 협력하는 것이 중요합니다.

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결론

선택적 레이저 소결은 최근 몇 년 동안 적층 제조 분야에서 두말할 나위 없이 강한 인상을 남겼습니다. 점점 더 많은 기업가들의 시선을 사로잡으면서 그 잠재력과 활용도가 계속 높아지고 있습니다.

이 가이드를 마무리하기 위해 독자들에게 3D 프린팅을 선택할 때 의사 결정에 이 가이드를 사용하도록 조언합니다. 아직 비교적 새로운 시장이며 3D 프린팅 방법 및 제조업체 선택을 완료하기 전에 충분한 정보를 얻어야 합니다.

FAQ

SLS 3D 프린터의 유형은 무엇입니까?

SLS 3D 프린터는 여러 면에서 다릅니다.

-크기 :빌드 볼륨이 100x100x100mm인 데스크탑 프린터부터 빌드 볼륨이 최대 500x500x500mm인 고급 산업용 프린터까지.

-레이저 유형 :SLS 프린터는 CO2 레이저, 파이버 레이저, 적외선 레이저 또는 레이저 다이오드를 장착할 수 있습니다.

-인쇄 사양 :인쇄 속도, 최소 레이어 두께, 재질 능력 등의 사양은 모두 제품마다 다릅니다.

선택적 레이저 소결(SLS) 인쇄와 선택적 레이저 용융(SLM) 인쇄의 차이점은 무엇인가요?

SLS는 재료 입자를 소결하여 결합합니다. 이 과정은 재료의 융점 아래에서 발생하며 입자는 단순히 서로 융합됩니다. 반면에 SLM은 융점 이상에서 작동하여 입자를 완전히 녹인 다음 균일한 부분으로 응고합니다.

SLM은 더 나은 기계적 특성을 가진 부품을 생산하며 매우 높은 품질의 응용 분야에 적합합니다. SLS는 기능 부품도 생산하지만 SLM만큼 강력하지는 않습니다.

SLS 3d 인쇄에 일반적으로 사용되는 재료는 무엇입니까?

열경화성 폴리머 및 열가소성 폴리우레탄은 SLS 3D 프린팅에 사용되는 일반적인 재료입니다. 특히 나일론 12, 나일론 11과 같은 소재가 가장 인기 있는 소재입니다. 일부 특수 용도는 금속(알루미늄) 또는 섬유(탄소 섬유, 유리 섬유)와 이들의 혼합물을 사용하기도 합니다.