선택적 레이저 소결(SLS): 최첨단 기술, 첨단 소재, 확장되는 응용 분야

[이미지 출처: 3D Hubs]
 
선택적 레이저 소결(SLS)은 산업 애플리케이션에서 가장 인기 있는 폴리머 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 30년 전 등장 이후 SLS는 기능 시제품 제작이 가능하고, 더 최근에는 생산에도 활용될 수 있는 기술로 점차 성숙해 왔습니다.
 
하드웨어와 소재 분야의 지속적인 혁신, 그리고 기술 도입자들의 새로운 SLS 애플리케이션 개발 의지가 이 진화를 견인합니다.
 
오늘 기사에서는 SLS의 최근 발전을 살펴보며 기술의 현재 역량과 미래 기회를 알아봅니다.
 
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SLS 간략 역사

 
레이저 소결은 고출력 레이저로 분말 소재를 한 층씩 융합합니다. SLS 프린팅의 주요 이점 중 하나는 설계에 지지 구조가 필요 없다는 점입니다. 프린팅이 진행되면서 모든 빈 공간이 미사용 파우더로 자동 채워져 SLS 프린트가 자가 지지됩니다.
 
SLS 프린팅 개념은 원래 1980년대 초 구상되었으나, 1992년 첫 산업용 SLS 프린터가 상용화되기까지 기다려야 했습니다. DTM의 Sinterstation 2000(나중 3D Systems와 합병). 이어 1994년 EOS의 EOSINT P350이 나왔습니다.
 
그 후 다양한(그리고 성장하는) 머신들이 시장에 진입해 산업 맥락에서 더 빠르고 대규모 프린팅 시대의 막을 열었습니다.
 

SLS 하드웨어의 주목할 만한 발전

EOS SLS 기술의 진화

 
독일 폴리머·금속 3D 프린팅 기업 EOS는 아마도 시장에서 가장 큰 SLS 전문 기업일 것입니다. 2016년 기준 전 세계 약 3,000대 설치, 그중 51%가 SLS 시스템이라고 주장했습니다.
 
30년 역사 내내 EOS는 SLS를 시제품과 생산 모두에 적합한 성숙한 기술로 진화시켰습니다.
 
이 여정의 마일스톤 중 하나는 2006년 FORMIGA P 100 출시입니다. 이 시스템은 소개된 지 수년이 지나도 플라스틱 부문 산업용 3D 프린팅 품질 표준을 설정했습니다.
 
2012년 EOS는 FORMIGA 100의 후속작 FORMIGA P 110을 출시했는데, 3D Hubs의 2018년 프린터 가이드 설문에서 최고의 레이저 소결 머신으로 선정되었습니다.
 

총 빌드 사이즈 200 × 250 × 330 mm를 갖춘 P 110은 저량 프린팅을 더 비용 효율적으로 만들었으며, 중간 크기 시제품 빌드와 고도로 복잡한 형상 부품에 사용되었습니다.
 
2018년으로 빨리 감으면 P 110이 FORMIGA 110 Velocis로 향상되었습니다. 개선된 가속 히팅 시스템과 리코팅 공정, 소프트웨어 제어로 폴리머 소재를 30와트 레이저 빔으로 더 빠른 속도로 예열합니다.
 
이제 추가 기술 개선과 다듬기로 Velocis는 최대 20% 생산성 증가와 빌드 영역의 더 나은 온도 분포로 더 균질한 부품 품질을 달성합니다.
 
고온 SLS
 
SLS에서 가장 흔히 쓰이는 소재는 나일론이지만, EOS는 PEEK 같이 프린팅에 고온이 필요한 더 첨단 소재 가공도 가능케 하려 했습니다.
 
그 결과 2008년 최초 고온 SLS 플랫폼 EOSINT P 800이 공개되었습니다. 약 385°C까지 폴리머 가공이 가능해 SLS 기술을 PEEK 같은 새로운 열가소성 수지 범위로 확장했습니다.
 
10년 뒤 EOS는 고온 3D 프린터 라인에 EOS P 810을 추가했습니다. 새 시스템은 탄소 섬유 강화 PEKK 소재에 최적화된 세계 최초의 고온 레이저 소결 시스템이라고 주장됩니다.
 
지속적 혁신: FDR과 LaserProFusion 기술
 
EOS의 SLS 기술 분야 개선과 혁신은 계속됩니다. 예를 들어 올해 Formnext에서 EOS는 Fine Detail Resolution(FDR) 폴리머 기반 3D 프린팅 기술을 선보였습니다. 새 공정은 CO 레이저로 섬세하면서도 견고한 폴리머 부품을 프린팅하며, 최소 벽 두께 0.22mm의 미세 디테일 해상도 표면을 구현합니다.
 
EOS는 파우더 기반 산업용 3D 프린팅용 CO 레이저 솔루션을 개발한 최초 제조사라고 주장합니다. 현재 대다수 SLS 머신은 하나 또는 몇 개의 CO₂ 레이저를 사용합니다.
 
CO 레이저 타입은 현재 SLS 기술의 절반 크기인 초미세 레이저 빔 포커스 직경을 만듭니다. 이 추가 정밀도의 중요한 결과 중 하나는 극도로 미세한 표면을 가진 부품을 만들 수 있는 새로운 노출 파라미터입니다.
 
이 새 기술로 필터 유닛, 유체 채널, 플러그, 기타 전자 부품, 안경 같은 소비재를 3D 프린팅할 수 있습니다.
 
FDR 기술이 섬세한 부품에 초점을 맞춘다면, 아직 상용화되지 않은 또 다른 솔루션인 LaserProFusion 기술은 최대 생산성을 위해 설계되었습니다.
 
EOS는 LaserProFusion 시스템에 최대 100만 개 다이오드 레이저를 장착해 5킬와트 이상 누적 레이저 출력을 낼 수 있게 할 예정입니다. 이 기술은 주로 양산 요건 충족을 목표로 하며, EOS는 많은 애플리케이션에서 사출 성형 대안으로 쓸 수 있다고 말합니다.
 

 
첫 SLS 3D 프린터 출시 26년 이래 EOS는 SLS 기술의 놀라운 진전을 이끈 핵심 원동력 중 하나였습니다. SLS를 양산 솔루션으로 만들겠다는 비전을 지속적으로 추구해 왔으며, 이는 결국 현실이 되고 있습니다.
 

Farsoon의 Flight 기술

 
SLS 기술을 더 빠르고 정확하게 만들려는 또 다른 기업은 Farsoon입니다. 중국 3D 프린터 제조사는 새로운 Flight 기술에 파이버 레이저의 힘을 활용합니다.
 
현재 SLS 머신이 CO₂ 레이저를 쓰는 반면, Farsoon은 표준 CO₂ 레이저를 파이버 레이저로 대체했습니다.
 
파이버 레이저 시스템은 파우더 베드에 더 많은 파워를 전달하고 소재에 에너지 분포를 개선할 수 있습니다. 파이버 레이저 빔이 더 작은 레이저 스팟 크기를 가능케 하기 때문입니다. 이는 더 높은 파워 밀도로 이어져 파우더를 더 짧은 시간에 소결할 수 있게 합니다.
 
파이버 레이저 외에도 Farsoon은 새로운 스캐닝 시스템을 개발해 20m/s 이상의 스캐닝 속도를 구현했습니다. 이는 동급 기술의 약 4배입니다. 또한 레이저의 추가 파워로 0.3mm 같은 미세 피처 디테일이 가능해집니다.
 
고량 생산을 위한 SLS 3D 프린팅 도입을 돕도록 설계된 Flight 기술은 확실히 이 방향의 진전입니다.
 

두 가지 파우더로 SLS 3D 프린팅하기

 
EOS 등 기존 SLS 플레이어들이 대부분 선형 혁신에 집중하는 반면, 벨기에 스타트업 Aerosint는 두 가지 다른 파우더로 프린트할 수 있는 SLS 시스템 개발에 급진적 접근을 취했습니다. 이는 한 파우더를 저렴한 서포트 소재로 쓸 수 있게 합니다.
 
일반적으로 SLS 머신의 미융합 서포트 파우더는 부품 프린팅에 쓰이는 소재와 같으며 고가인 경향이 있습니다. 물론 파우더가 100% 재사용 가능하다면 문제없겠지만 현재는 불가능합니다.
 
한 가지 이유는 SLS 공정에서 폴리머가 장시간 고열에 노출되어 화학적 변화가 일어나 소결 특성이 훨씬 덜 예측 가능해지기 때문입니다. 현재 이 문제를 극복하는 유일한 방법은 '사용되었으나 미융합된' 파우더를 약 50% 버진 파우더와 섞어 재사용하는 것입니다.
 
한 서비스 업체 추산에 따르면 월 500kg 파우더 구매 시 '25%는 부품이 되고, 25%는 폐기물, 50%는 다음 빌드용 리프레시로 재사용'됩니다.
 
저렴한 서포트 소재와 부품용 소재를 분리해 쓰는 머신이 도입되면 SLS 공정 사용자의 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
 
Aerosint의 기술인 선택적 파우더 증착(Selective Powder Deposition)은 회전 드럼이 빌드 영역 위를 지나며 파우더 소재를 선택적으로 증착해 이를 구현합니다. 드럼 하나당 한 소재를 증착하므로 최소 두 개 드럼으로 다중 파우더 증착을 달성합니다.
 

 
Aerosint 기술은 본질적으로 라인 바이 라인 방식이며 최대 200mm/s 프린트 속도를 달성합니다. 이 속도는 오늘날 SLS 리코터 이동 속도와 비교 가능합니다.
 
이 기술의 성숙은 제조사에게 파우더 폐기물 감소, 소재 비용 절감, 후처리 시간 단축 등 기회의 바다를 열 것입니다.
 

SLS 3D 프린터를 컴팩트 포맷으로

 
2014년 원조 SLS 특허 만료를 틈타 기술을 더 저렴하게 만들려는 새로운 기업들이 SLS 시장에 등장했습니다.
 
이 변화로 벤치톱 SLS 3D 프린터가 탄생했습니다. '데스크톱'이라 부르기엔 작지 않지만 작업대 위에 올릴 만큼 컴팩트합니다. 벤치톱 3D 프린터 등장으로 산업용 SLS 시스템의 비용이나 공간이 부담스러운 프로슈머와 중소기업에도 기술이 열렸습니다.
 
Sinterit, Sharebot, Sintratec, 최근 Formlabs 같은 스타트업이 컴팩트 폼 SLS 3D 프린팅 경쟁에 뛰어들었습니다.
 
Sharebot이 SnowWhite로 벤치톱 SLS 머신을 최초 출시했습니다. 2016년 첫 고객 출하를 시작했습니다. Sintratec과 Sinterit 시스템이 다이오드 레이저를 쓰는 반면, SnowWhite는 고가 전문 머신에 흔히 쓰이는 더 강력한 CO2 레이저를 탑재했습니다.
 
레이저와 아담한 100 x 100 x 100 mm 빌드 볼륨(최소 300g 파우더로 프린팅 가능)은 SnowWhite 시스템을 소재 개발 애플리케이션에 특히 적합하게 만듭니다.
 
이 분야 또 다른 큰 플레이어는 폴란드 기업 Sinterit으로, Sinterit Lisa 시스템이 이 성장 세그먼트에서 선두를 유지합니다. 6,990유로부터 시작하며 150 x 200 x 150 mm 빌드 볼륨과 0.075미크론 최소 레이어 해상도로, 거대 장비에 큰 자본 투자 없이 SLS 기술 입문을 원하는 중소기업에 적합합니다.
 

 
작년 회사는 최신 벤치톱 SLS 3D 프린터 Sinterit Lisa Pro도 공개했습니다.
 
이 세그먼트의 잠재적 중요한 혁신은 Formlabs가 2017년 발표한 Fuse 1, SLS 3D 프린터일 수 있습니다. 165 x 165 x 320 mm 프린트 볼륨과 파이버 레이저를 갖췄으며 약 10,000달러 가격으로 2020년 중반 상용화 예정입니다.
 
2010년대 초반 저가 데스크톱 FDM과 SLA/DLP 3D 프린터 홍수가 산업을 뒤흔들며 AM 산업 성장에 크게 기여했습니다. 합리적 SLS는 이제 그 여정을 시작했으며 비슷한 경로를 따를 수 있습니다. 이는 궁극적으로 SLS의 도달 범위를 더 넓은 산업과 사용자로 확장할 것입니다.
 

SLS 소재의 진화

 
첫 SLS 3D 프린터는 주로 나일론을 썼습니다. 가벼운 물성, 강도, 내구성으로 칭송받는 인기 엔지니어링 열가소성 수지입니다. 나일론은 폴리아미드(PA)로도 알려져 있으며 충격, 화학물질, 열, UV, 물, 먼지에 안정적이어서 시제품과 생산 모두에 이상적입니다.
 
오늘날 나일론은 여전히 가장 인기 있는 SLS 소재입니다. 하지만 기술과 3D 프린팅 소재 진보로 나일론 기반 복합재(탄소 섬유, 유리 섬유, 알루미늄 혼합으로 폴리아미드 기계적·열적 물성 추가 향상)가 등장했습니다.
 
나일론 외에도 오늘날 SLS 3D 프린터는 PEEK, PEKK, 플렉시블 TPU, 난연 폴리머, 정전기 방지 폴리머도 가공할 수 있습니다. 고성능 소재 가공 가능성은 기술 혁신과 긴밀히 연결됩니다. EOS 사례처럼 회사가 먼저 고온 3D 프린터를 만들어야 PEEK 같은 소재 프린팅이 가능해졌습니다.
 

신규 SLS 소재

 
SLS 신소재 개발 속도도 고무적입니다.
 
이탈리아 3D 프린팅 기업 CRP Technology는 아마도 SLS 소재 핵심 독립 개발사 중 하나로, Windform 브랜드로 유명합니다. 나일론 기반 복합재와 고무 같은 플라스틱 파우더 라인업을 제공합니다.
 
Windform 라인 최신 추가분은 Windform FR1과 Windform FR2로, 난연 복합재이며 항공기 애플리케이션(내부 부품, 콕핏 컴포넌트, 에어 덕트, 에어 아웃렛 밸브), 운송 부품(차량 내부, 하우징, 인클로저 어셈블리), 소비재·전자제품(조명, 가전)에 적합합니다.
 
화학 기업 DSM도 최근 SLS 소재 개발에 나섰습니다. 그 결과 작년 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 파우더가 출시되었습니다. 흥미롭게도 DSM은 이 소재가 SLS 3D 프린팅용으로 상용화된 최초의 PBT 파우더라고 명시합니다. PBT는 절연 특성 덕분에 전자 산업에 애플리케이션이 있는 열가소성 엔지니어링 폴리머입니다.
 
또한 화학 거대 기업 BASF의 자회사 Forward AM이 Ultrasint 브랜드로 SLS 소재 라인업을 제공합니다. 난연 Ultrasint 폴리아미드 PA6 블랙 FR 소재가 이 라인업 최신작으로 높은 강성과 우수한 열 안정성을 자랑합니다. Forward AM에 따르면 이미 차량 화재 보호 요건을 충족하는 신규 차량 부품 생산에 쓰였습니다.
 
BASF와 DSM 모두 최근 프랑스 제조사 Prodways에서 SLS 3D 프린터를 도입했습니다. SLS 역량 확대로 두 화학 기업은 SLS 3D 프린팅용 첨단 소재 개발을 가속화할 수 있게 되었습니다.
 

SLS 후처리

 
SLS 기술은 지지 구조 설계와 제거 필요성을 없애지만, 후처리 과제가 없는 건 아닙니다. 가장 큰 과제는 부품 표면에 남은 여분 파우더와 때로 부품 내부에 갇힌 파우더를 제거해야 한다는 점입니다.
 
현재 이 과제는 수작업 세척과 비드 블라스팅, 텀블링 같은 전통 기법으로 해결합니다.
 
하지만 이 방식들은 많은 수작업 개입이 필요해 취약한 형상 손상 위험을 높이고 일관성 없는 최종 부품을 만듭니다.
 
표면 마감 면에서 SLS 부품은 샌딩과 3D 프린팅용으로 설계되지 않은 반자동 장비로 스무딩하곤 합니다. 이 접근법은 SLS 프린터 역량을 온전히 활용하고 더 큰 생산량으로 확장하기에 비현실적입니다.
 
다행히 여러 업계 플레이어가 SLS 부품 후처리 자동화 솔루션을 개발 중입니다.
 
예를 들어 PostProcess Technologies는 Thermal Atomized Fusillade(TAF) 기술 기반 솔루션을 제공합니다. 압축 공기, 세제, 현탁 고체로 된 두 수직 단일 축 제트 스트림이 360° 부품 회전으로 최대 표면 노출을 확보하며 표적 블라스트 시퀀스를 제공합니다.
 
영국 기업 AMT도 올해 자동 디파우더링 솔루션 출시를 준비 중입니다.
 
궁극적으로 수동에서 자동 디파우더링으로 전환하면 수작업 시간 단축뿐 아니라 기업이 SLS 생산을 더 효율적으로 확장할 수 있게 되어 SLS 3D 프린팅 워크플로를 크게 최적화할 것입니다.
 

SLS 응용 분야: 생산 용도 증가

 
SLS 기술이 시제품 제작에 계속 쓰이는 한편, 점점 기능 부품 테스트와 생산 애플리케이션에도 인기를 얻고 있습니다.
 
항공우주
 
예를 들어 항공우주 산업은 SLS로 항공기 내부 부품을 만듭니다. UAE 최대 항공사 Emirates가 사례입니다. 이 항공사는 비디오 모니터링 슈라우드와 에어 벤트 그릴 등 항공기 객실 부품 생산에 3D 프린팅을 활용합니다. 후자는 이미 인증받아 에미레이트 항공기 탑재 시험 중입니다.
 
Emirates는 3D Systems와 협력해 비디오 모니터링 슈라우드를 SLS 기술과 3D Systems의 DuraForm ProX FR1200 나일론 소재로 생산합니다. 이는 항공우주 산업이 객실 내부 부품에 요구하는 난연 기준을 충족합니다.
 

소비재
 
소비재 산업에서는 Chanel이 SLS 3D 프린팅으로 마스카라 브러시를 선도적으로 만듭니다. 브랜드는 이제 프랑스 3D 프린팅 서비스 업체 Erpro Group과 협력해 수백만 개 마스카라 브러시를 3D 프린팅합니다.
 

 
SLS 기술로 브러시 설계가 최적화되었습니다. 예를 들어 SLS 기술로 구현된 거친 입자 텍스처가 마스카라의 속눈썹 접착력을 높입니다.
 
뷰티 제품 외에도 SLS는 의료와 신발 분야에서 맞춤형 인솔과 샌들 생산에 점점 더 쓰이고 있습니다.
 

모터스포츠
 
모터스포츠에서 기술은 레이싱 팀이 전통 기술로는 허용되지 않는 속도로 차량 설계를 혁신하고 테스트하도록 돕습니다.
 
Alfa Romeo의 Sauber 포뮬러 원(F1) 팀이 모터스포츠 기업이 SLS 3D 프린팅을 활용하는 좋은 예입니다.
 
SLS는 주로 Alfa Romeo F1 차의 공력 개발을 위한 풍동 시험과 다양한 라미네이팅 몰드, 코어, 복잡한 양산 부품에 쓰입니다.
 
생산 중에는 Sauber Engineering이 개발한 파우더 기반 소재를 쓰는데, 특히 가볍고 강성 있는 컴포넌트가 필요할 때 사용합니다. F1 브레이크 환기와 양산 전 차량 바디 컴포넌트부터 다양한 즉시 사용 건설 요소까지 범위가 넓습니다.
 
최근 SLS 소재와 기술 발전을 고려하면 SLS 애플리케이션의 하늘은 한계가 없습니다.
 

SLS: 폴리머 3D 프린팅 최고의 선택 중 하나

 
SLS 3D 프린팅 시장은 지속적 진화 상태에 있습니다. 컴팩트하고 합리적인 벤치톱 시스템 도입으로 기술이 민주화되는 한편, 산업용 SLS 장비 제조사들은 SLS를 생산 도구로 정착시키는 솔루션에 더 큰 초점을 두고 있습니다.
 
그 결과 SLS 기술로 달성되는 프로젝트 볼륨이 꾸준히 증가하고 있습니다.
 
증거로 2019년 3D 프린팅 프로젝트의 75% 이상이 SLS 방식을 사용했다는 Sculpteo 보고서가 있습니다. 여기서 얻을 교훈은 SLS가 폴리머 3D 프린팅 최고의 선택 중 하나로 여겨진다는 점입니다. 우리는 이것이 근미래와 원미래 모두에서 사실로 남을 것이라 믿습니다.