SLS의 진화:새로운 기술, 재료 및 응용 프로그램

[이미지 제공:3D Hubs]

선택적 레이저 소결(SLS)은 산업 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 폴리머 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 30여 년 전에 등장한 SLS는 기능적 프로토타이핑이 가능한 기술로 점차 성숙해지고 있으며, 최근에는 생산도 가능합니다.

이러한 진화를 주도하는 것은 하드웨어 및 재료 분야의 지속적인 혁신과 새로운 SLS 애플리케이션을 개발하려는 기술 채택자의 의지입니다.

오늘 기사에서는 SLS의 최근 개발을 살펴보고 현재 기술의 기능과 미래 기회에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

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SLS의 간략한 역사

레이저 소결은 고출력 레이저를 사용하여 분말 재료를 한 번에 한 층씩 융합합니다. SLS 인쇄 사용의 주요 이점 중 하나는 설계에 지지 구조가 필요하지 않다는 것입니다. 인쇄물이 만들어지면 모든 빈 공간이 자동으로 사용되지 않은 파우더로 채워져 SLS 인쇄물이 자립할 수 있게 됩니다.

SLS 인쇄의 개념은 1980년대 초에 처음 구상되었지만 1992년이 되어서야 최초의 SLS 산업용 프린터인 DTM의 Sinterstation 2000(나중에 3D Systems와 합병됨)이 상용화되었습니다. 1994년 EOS의 EOSINT P350이 그 뒤를 이었습니다.

그 이후로 광범위한(그리고 성장하는) 기계가 시장에 진입하여 산업 분야에서 더 빠르고 더 큰 규모의 인쇄 시대의 시작을 알렸습니다. 문맥.

SLS 하드웨어의 주목할만한 발전

EOS의 SLS 기술의 진화

독일의 폴리머 및 금속 3D 프린팅 회사인 EOS는 아마도 시장에서 가장 큰 SLS 전문가일 것입니다. 2016년에 이 회사는 전 세계적으로 약 3000개의 장치가 설치되어 있다고 주장했으며 그 중 51%가 SLS 시스템입니다.

30년의 역사를 통해 EOS는 SLS를 다음 수준으로 발전시킬 수 있었습니다. 프로토타이핑과 생산 모두에서 다양한 응용 프로그램에 적합한 성숙한 기술입니다.

이 여정의 이정표 중 하나는 2006년 FORMIGA P 100을 출시한 것입니다. 시스템은 품질에 대한 표준을 설정했습니다. 플라스틱 부문에서 산업용 3D 프린팅이 도입된 지 수년 후.

2012년 EOS는 FORMIGA 100의 후속 제품인 FORMIGA P 110을 출시했습니다. 이 제품은 3D Hubs의 프린터 가이드 2018 설문조사에서 최고의 레이저 소결 기계로 선정되었습니다.

총 제작 크기가 200 × 250 × 330mm인 P 110은 보다 비용 효율적인 소량 인쇄를 가능하게 했으며 중형 프로토타입 제작 및 매우 복잡한 형상의 부품에 사용되었습니다.

2018년으로 빠르게 이동하여 P 110은 FORMIGA 110 Velocis로 향상되었습니다. 개선된 가속 가열 시스템 및 재코팅 공정이 특징이며 소프트웨어 제어를 사용하여 30와트 레이저 빔으로 폴리머 재료를 더 빠른 속도로 예열합니다.

이제 추가적인 기술 개선 및 약간의 정제를 통해 Velocis는 생산성을 최대 20%까지 높이고 제작 영역의 온도 분포를 개선하여 부품 품질을 더욱 균일하게 만듭니다.

고온 SLS

SLS에서 가장 일반적으로 사용되는 재료는 나일론이지만 EOS는 PEEK와 같이 일반적으로 인쇄하는 데 높은 온도가 필요한 고급 재료의 처리도 가능하게 하고자 했습니다.

이로 인해 2008년에 최초의 고온 SLS 플랫폼인 EOSINT P 800이 공개되었습니다. 약 385°C의 온도까지 폴리머를 처리할 수 있는 이 플랫폼은 SLS 기술을 다음으로 확장했습니다. 새로운 열가소성 수지 제품군, 즉 PEEK.

10년 후 EOS는 EOS P 810을 고온 3D 프린터 제품군에 추가했습니다. 이 새로운 시스템은 탄소 섬유 강화 PEKK 소재에 최적화된 세계 최초의 고온 레이저 소결 시스템이라고 합니다.

지속적인 혁신:FDR 및 LaserProFusion 기술

SLS 기술 분야에서 EOS의 개선과 혁신은 계속되고 있습니다. 예를 들어, 올해 Formnext에서 EOS는 FDR(Fine Detail Resolution) 폴리머 기반 3D 프린팅 기술을 선보였습니다. 이 새로운 프로세스는 CO 레이저를 사용하여 정밀한 세부 해상도 표면과 최소 벽 두께가 0.22mm인 섬세하면서도 견고한 폴리머 구성요소를 3D 프린팅합니다.

EOS는 분말 기반 산업용 3D 프린팅을 위한 CO 레이저 솔루션을 개발한 최초의 제조업체라고 주장합니다. 현재 SLS 기계의 대부분은 하나 또는 몇 개의 CO₂ 레이저를 사용합니다.

CO 레이저 유형은 초점 직경이 현재 SLS 기술의 절반 크기인 초미세 레이저 빔을 생성합니다. 이렇게 추가된 정밀도의 중요한 결과 중 하나는 매우 미세한 표면을 가진 부품을 생성할 수 있는 새로운 노출 매개변수입니다.

새로운 기술은 필터 장치와 유체 채널, 플러그 및 기타 전자 부품을 3D 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다. 안경과 같은 소비재뿐만 아니라.

FDR 기술은 섬세한 구성 요소에 중점을 두고 있지만 아직 상용화되지 않은 EOS의 또 다른 솔루션인 LaserProFusion 기술은 최대 생산성을 위해 설계되었습니다.

EOS는 LaserProFusion 시스템에 최대 100만 개의 다이오드 레이저를 장착할 예정이며, 5킬로와트 이상의 축적된 레이저 출력을 생성할 수 있습니다. 이 기술은 주로 연속 생산의 요구 사항을 충족하는 것을 목표로 하며 EOS는 많은 응용 분야에서 사출 성형의 대안으로 사용할 수 있다고 말합니다.

26년 전 최초의 SLS 3D 프린터가 출시된 이래 EOS는 SLS 기술의 놀라운 발전을 이끈 핵심 원동력 중 하나였습니다. SLS의 비전을 시리즈 생산 솔루션으로 지속적으로 추구하고 있으며, 이는 결국 현실이 됩니다.

Farsoon의 비행 기술

SLS 기술에 혁명을 일으키려는 또 다른 회사는 Farsoon입니다. SLS를 더욱 빠르고 정확하게 만들기 위해 Farsoon은 새로운 Flight Technology에서 파이버 레이저의 성능을 활용합니다.

현재 SLS 기계는 CO₂ 레이저를 사용하지만 중국 3D 프린터 제조업체는 표준 CO₂ 레이저를 대체했습니다. 파이버 레이저로.

파이버 레이저 시스템은 분말 베드에 더 많은 전력을 공급하고 재료에 대한 에너지 분포를 개선할 수 있습니다. 파이버 레이저 빔이 더 작은 레이저 스폿 크기를 가능하게 하기 때문입니다. 이것은 더 높은 출력 밀도로 해석되어 더 짧은 시간에 분말을 소결할 수 있습니다.

Farsoon은 파이버 레이저 외에도 새로운 스캐닝 시스템을 개발하여 스캐닝 속도를 높였습니다. 20m/s 이상. 이는 유사 기술의 약 4배입니다. 또한 레이저의 추가된 출력으로 기능 세부 사항을 0.3mm만큼 작게 만듭니다.

대량 생산을 위한 SLS 3D 인쇄의 채택을 촉진하도록 설계된 Flight Technology는 확실히 한 걸음 더 나아갔습니다. 이 방향입니다.

두 개의 분말을 사용한 SLS 3D 프린팅

EOS 및 기타 기존 SLS 플레이어가 주로 선형 혁신에 중점을 둔 반면, 벨기에 신생 기업인 Aerosint는 두 가지 다른 분말로 인쇄할 수 있는 SLS 시스템을 개발하기 위해 급진적인 접근 방식을 취했습니다. 이렇게 하면 기계가 분말 중 하나를 저렴한 지지 재료로 사용할 수 있습니다.

일반적으로 SLS 기계에서 융합되지 않은 지지체 분말은 부품을 인쇄하는 데 사용되는 것과 동일한 재료이며 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 물론 분말을 100% 재사용할 수 있다면 이는 문제가 되지 않을 것이며 현재로서는 불가능합니다.

한 가지 이유는 SLS 공정에서 폴리머가 고온에 노출되기 때문입니다. 오랜 시간 동안 소결 특성을 예측하기 어렵게 만드는 화학적 변화를 겪습니다. 현재 이 문제를 극복할 수 있는 유일한 방법은 '사용했지만 융합되지 않은' 분말을 약 50%의 처녀 분말과 혼합하여 재사용하는 것입니다.

한 서비스 제공업체의 추정에 따르면 월 500kg의 분말을 구입하는데, '25%는 부품이 되고 25%는 폐기물이 되고 50%는 다음 빌드를 새로 고치기 위해 재사용됩니다'.

저렴한 지지 재료를 사용할 수 있는 기계를 소개합니다. 부품 인쇄를 위한 두 번째 재료는 SLS 프로세스를 사용하는 사람들에게 상당한 비용을 절약할 수 있습니다.

Aerosint의 기술인 선택적 분말 증착은 빌드 영역을 통과하는 회전 드럼에서 분말 재료를 선택적으로 증착함으로써 이를 달성합니다. 하나의 드럼은 하나의 재료를 증착하므로 다중 분말 증착을 달성하기 위해 적어도 두 개의 드럼이 사용됩니다.

Aerosint의 기술은 본질적으로 라인 단위이며 최대 200mm/s의 인쇄 속도를 달성할 수 있습니다. 이 속도는 오늘날의 SLS 리코터 이동 속도와 비슷합니다.

이 기술의 성숙은 분말 폐기물 감소, 재료 비용 절감 및 후처리 시간 단축 등의 이점을 포함하여 제조업체에게 수많은 기회를 제공할 것입니다.

SLS 3D 프린터를 컴팩트한 형식으로 만들기

2014년, SLS 시장에는 원래 SLS 특허 만료를 이용하고 기술을 보다 저렴하게 만들려는 새로운 기업이 등장했습니다.

이러한 변화로 인해 벤치탑 SLS가 탄생했습니다. 3D 프린터는 '데스크톱'이라고 부를 만큼 작지는 않지만 작업대에 놓을 만큼 컴팩트합니다. 탁상용 3D 프린터의 등장은 산업용 SLS 시스템을 위한 자금이나 공간이 없는 프로슈머와 소규모 비즈니스에 이 기술을 제공했습니다.

Sinterit, Sharebot, Sintratec과 같은 신생 기업 그리고 최근에는 Formlabs가 소형 SLS 3D 프린팅 경쟁에 뛰어들었습니다.

Sharebot은 2016년에 처음으로 고객에게 배송되기 시작한 SnowWhite와 함께 벤치탑 SLS 기계를 시장에 출시한 최초의 회사입니다. 다이오드 레이저가 장착된 Sintratec 및 Sinterit의 시스템과 달리 SnowWhite는 고급 전문가용 기계에 일반적으로 설치되는 보다 강력한 CO2 레이저 , SnowWhite 시스템은 재료 개발 응용 분야에 특히 적합합니다.

이 분야의 또 다른 대기업은 Sinterit Lisa 시스템을 보유한 폴란드 회사인 Sinterit로, 이 성장하는 시장 부문에서 선두를 달리고 있습니다. €6,990부터 시작하는 Sinterit Lisa는 150 x 200 x 150mm 빌드 볼륨과 0.075미크론의 최소 레이어 해상도를 제공하므로 부피가 큰 장비에 너무 많은 자본을 투자하지 않고도 SLS 기술을 도입하려는 소규모 비즈니스에 적합합니다.

작년에 이 회사는 최신 벤치탑 SLS 3D 프린터인 Sinterit Lisa Pro도 공개했습니다.

이 부문에서 잠재적으로 중요한 혁신은 발표된 SLS 3D 프린터인 Fuse 1이 될 수 있습니다. 2017년 데스크탑 스테레오리소그래피 리더인 Formlabs에서 제공. 165 x 165 x 320mm의 인쇄 볼륨과 파이버 레이저를 특징으로 하는 이 시스템의 가격은 약 $10,000이며 2020년 중반에 상업용으로 출시될 예정입니다.

2010년대 초 더 저렴한 데스크탑 FDM 및 SLA/DLP 3D 프린터의 홍수는 업계에 혼란을 일으키면서 AM 산업의 성장에 크게 기여했습니다. 저렴한 SLS는 이 여정의 시작일 뿐이며 비슷한 경로를 따를 수 있습니다. 이것은 궁극적으로 SLS의 범위를 더 넓은 범위의 산업 및 사용자로 확장할 것입니다.

SLS 자료의 발전

최초의 SLS 3D 프린터는 널리 사용되는 엔지니어링 열가소성 수지인 나일론을 가장 일반적으로 사용했으며 경량 특성, 강도 및 내구성으로 찬사를 받았습니다. 폴리아미드(PA)라고도 하는 나일론은 충격, 화학 물질, 열, 자외선, 물 및 먼지에 대해 안정적이어서 신속한 프로토타이핑 및 생산에 이상적입니다.

오늘날 나일론은 여전히 ​​남아 있습니다. 가장 인기있는 SLS 소재. 그러나 기술과 3D 프린팅 재료의 발전으로 나일론 기반 복합 재료의 출현이 가능해졌습니다. 나일론 기반 복합 재료는 폴리아미드의 기계적 및 열적 특성을 더욱 향상시키기 위해 탄소 섬유, 유리 섬유 및 알루미늄과 혼합된 재료입니다.

오늘날의 SLS 3D 프린터는 나일론 외에도 PEEK, PEKK, 유연한 TPU, 난연성 폴리머 및 정전기 방지 폴리머를 처리할 수 있습니다. 고성능 재료를 가공할 수 있는 가능성은 기술 혁신과 밀접하게 연결되어 있습니다. EOS 예에서와 같이 회사는 PEEK와 같은 재료를 인쇄하기 전에 먼저 고온 3D 프린터를 만들어야 했습니다.

새로운 SLS 자료

SLS용 신소재 개발 속도도 고무적입니다.

이탈리아 3D 프린팅 회사인 CRP Technology는 Windform 브랜드로 유명한 SLS 소재의 핵심 독립 개발자 중 하나일 것입니다. . 이 회사는 다양한 나일론 기반 합성물과 고무 같은 플라스틱 분말을 제공합니다.

가장 최근에 Windform 라인에 추가된 제품은 Windform FR1 및 Windform FR2입니다. 난연성 복합 재료는 항공기 응용 분야(예:내부 부품, 조종석 구성 요소, 공기 덕트 및 공기 배출 밸브)에 적합합니다. 운송 부품(차량 내부, 하우징 및 인클로저 어셈블리) 및 소비재 및 전자 제품(조명 및 가전제품).

화학기업인 DSM도 최근 SLS용 소재 개발에 나섰다. 그 결과 지난해 PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트) 분말이 출시됐다. 흥미롭게도 DSM은 이 재료가 실제로 SLS 3D 프린팅을 위해 상업적으로 이용 가능한 최초의 PBT 분말이라고 지정합니다. PBT는 절연 특성 덕분에 전자 산업에 응용되는 열가소성 엔지니어링 폴리머입니다.

또한 화학 대기업인 BASF의 자회사인 Forward AM은 Ultrasint에서 다양한 SLS 재료를 제공합니다. 상표. 난연성 Ultrasint Polyamide PA6 Black FR 소재는 이 범위에서 가장 최신 제품이며 높은 강성과 우수한 열 안정성을 자랑합니다. Forward AM에 따르면 이미 차량 화재 방지 요구 사항을 충족하는 차량용 새 구성 요소를 생산하는 데 사용되었습니다.

BASF와 DSM은 최근 프랑스 제조업체인 Prodways로부터 SLS 3D 프린터를 인수했습니다. 증가된 SLS 용량으로 두 화학 회사는 SLS 3D 인쇄용 고급 재료 개발을 가속화할 수 있습니다.

SLS의 후처리

SLS 기술은 지지 구조 설계 및 제거의 필요성을 제거하지만 후처리 문제가 없는 것은 아닙니다. 그 중 가장 큰 것은 부품 표면에 남아 때로는 부품 내부에 갇힌 여분의 분말을 제거해야 한다는 것입니다.

현재 이러한 문제는 수동 세척 및 청소와 비드 블라스팅 및 텀블링과 같은 전통적인 기술로 해결됩니다.

그러나 이러한 방법은 많은 수동 개입이 필요하므로 깨지기 쉬운 형상이 손상되고 일관성 없는 최종 부품이 생성될 위험이 높아집니다.

표면 마무리와 관련하여 SLS 부품은 일반적으로 3D 인쇄용으로 설계되지 않은 반자동 장비를 사용하여 샌딩하고 매끄럽게 만드는 경우가 많습니다. 이러한 접근 방식은 SLS 프린터의 기능을 최대한 활용하고 더 많은 생산량으로 확장하는 데 실용적이지 않습니다.

다행히도 여러 업계 관계자들이 SLS 부품 후처리를 위한 자동화 솔루션을 개발하고 있습니다.

예를 들어 PostProcess Technologies는 압축 공기, 세제 및 부유 고형물로 구성된 2개의 수직 단일 축 제트 기류가 표적 폭발을 제공하는 TAF(열분무식 Fusillade) 기술로 분말화된 솔루션을 제공합니다. 최대 표면 노출을 위해 360° 부품 회전을 사용하는 동안 시퀀스.

그런 다음 영국 회사인 AMT는 올해 말에 자동 탈가루 솔루션을 출시할 예정입니다.

궁극적으로 수동에서 자동 탈가루로 전환하면 수동 노동 시간을 줄일 뿐만 아니라 기업이 SLS 생산을 보다 효율적으로 확장할 수 있게 함으로써 SLS 3D 프린팅 워크플로를 크게 최적화하는 데 도움이 될 것입니다.

SLS 애플리케이션:프로덕션 환경에서의 사용 증가

SLS 기술은 프로토타입 제작에 계속 사용되지만, 기능 부품 테스트 및 생산 애플리케이션에도 점점 더 대중화되고 있습니다.

항공우주

예를 들어, 항공우주 산업은 SLS를 사용하여 항공기의 내부 부품을 만들고 있습니다. UAE 최대 항공사인 에미레이트항공이 대표적이다. 이 항공사는 3D 프린팅을 사용하여 비디오 모니터링 덮개와 통풍구 그릴을 포함한 항공기 객실 구성 요소를 생산하고 있습니다. 후자는 이미 에미레이트 항공의 기내 시험용으로 인증 및 설치되었습니다.

Emirates는 SLS 기술과 3D Systems의 DuraForm ProX FR1200 나일론 소재를 사용하여 비디오 모니터링 슈라우드를 생산하기 위해 3D Systems와 협력하고 있습니다. 객실 내부 부품에 대해 항공우주 산업에서 요구하는 난연성 임계값을 충족합니다.

소비재

소비재 산업에서 샤넬은 마스카라 브러시용 SLS 3D 프린팅 사용을 개척하고 있습니다. 이 브랜드는 현재 프랑스 3D 프린팅 서비스 제공업체인 Erpro Group과 협력하여 수백만 개의 마스카라 브러시를 3D 프린팅하고 있습니다.

SLS 기술을 사용하여 브러시 디자인이 최적화되었습니다. 예를 들어 SLS 기술로 구현된 거칠고 알갱이 질감은 마스카라의 속눈썹 밀착력을 향상시킵니다.

In 미용 제품 외에도 SLS는 의료 및 신발 분야에서 맞춤형 깔창 및 샌들을 생산하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

모터스포츠

모터스포츠에서 이 기술은 레이싱 팀이 기존 기술에서 허용하는 것보다 더 빠르게 자동차 디자인을 혁신하고 테스트하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Alfa Romeo의 Sauber Formula One(F1) 팀은 모터스포츠 회사가 SLS 3D 프린팅을 활용하는 방법을 보여주는 좋은 예입니다.

SLS는 풍동에서 Alfa Romeo F1 자동차의 공기역학적 개발과 다양한 라미네이팅 몰드, 코어 및 복잡한 직렬 부품에 주로 사용됩니다.

사우버 엔지니어링에서 개발한 분말 기반 소재를 생산 시 F1 브레이크 벤틸레이션부터 시제품 및 프로토타입용 차체 부품까지 특히 가볍고 단단한 부품이 필요한 경우 사용합니다. , 바로 사용할 수 있는 광범위한 구성 요소로.

SLS 응용 프로그램의 한계는 하늘입니다. SLS 재료 및 기술의 최근 발전을 고려할 때 이 진술은 특히 사실입니다.

SLS:폴리머 3D 프린팅을 위한 최고의 선택 중 하나

SLS 3D 프린팅 시장은 계속해서 진화하고 있습니다. 이 기술은 작고 저렴한 벤치탑 시스템의 도입으로 대중화되었습니다. 그 동안 산업용 SLS 장비 제조업체는 SLS를 생산 도구로 확립하는 데 도움이 되는 솔루션에 더 큰 초점을 맞췄습니다.

결과적으로 SLS 기술로 달성한 프로젝트의 양이 꾸준히 증가하고 있습니다.

Sculpteo의 보고서에 따르면 2019년에 3D 프린팅 프로젝트의 75% 이상이 SLS 방법을 사용했다는 사실이 이에 대한 증거입니다. 여기서 중요한 점은 SLS가 폴리머 3D 프린팅을 위한 최고의 선택 중 하나로 간주된다는 것입니다. 우리는 이것이 가까운 미래와 먼 미래 모두에 계속 유효할 것이라고 믿습니다.