선택적 레이저 소결(SLS): 3D CAD 설계를 고체 부품으로 변환하는 방법

적층 제조에서 SLS는 3D CAD 설계를 단 몇 시간 만에 물리적 부품으로 변환하는 데 사용됩니다.

선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS)의 정의는 무엇인가요? SLS는 선택적 레이저 소결을 의미하는 3D 프린팅 또는 적층 제조(AM) 기술입니다. SLS는 소결(sintering)이라는 공정을 사용하는데, 분말 재료를 근용융 온도까지 가열하여 입자들이 서로 결합되어 고체를 형성하게 합니다.

SLS는 나일론이 가장 일반적이지만 플라스틱과 금속도 사용할 수 있는 다양한 재료를 사용할 수 있습니다.

이전에 "불가능한" 부품을 생산할 수 있는 능력(자세한 내용은 아래 참조)과 재료의 높은 회수율 덕분에 SLS는 1990년대 초 상용화 이후 산업 현장에서 인기를 끌었습니다.

SLS는 1980년대 칼 데카드(Carl Deckard)와 조 비맨(Joe Beaman)이 미국 국방부 산하 연구개발 기관인 국방고등연구계획국(DARPA)의 후원으로 처음 개발했습니다.

SLS 기술은 결코 새로운 것이 아니지만 여전히 주로 산업용 애플리케이션에 사용됩니다. SLS 공정에서 사용되는 정밀 레이저는 복잡한 부품조차도 높은 정확도로 제조할 수 있게 합니다. 이 때문에 SLS는 신속 프로토타이핑(rapid prototyping)과 저량 맞춤형 부품 생산에 널리 사용됩니다.

반면, 강력한 레이저와 분말 재료의 사용으로 대부분의 소규모 또는 가정용으로는 비현실적이며, 특히 SLS 프린터가 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터 같은 다른 인기 기술보다 훨씬 비쌉니다.

최근 분말 베드 융합 기술의 발전으로 SLS에 대한 관심이 되살아났으며, 현재 FDM과 스테레오리소그래피(SLA) 다음으로 인기가 있습니다.

선택적 레이저 소결(SLS): SLS 모델 전처리

모든 적층 제조(AM) 기술에는 한계가 있으며, SLS(선택적 레이저 소결)도 예외는 아닙니다. 특히 SLS는 날카로운 모서리나 얇은 벽을 프린팅하는 데 적합하지 않으며, 이러한 기능을 포함하는 설계는 전처리 단계에서 수정해야 합니다. 예를 들어:

• 얇은 벽이 있는 부품은 얇은 벽 분석 기능을 포함한 설계 제품을 사용하여 분석할 수 있습니다. 이 기능은 프린팅 공정을 시뮬레이션하여 설계자가 설계가 성공적으로 프린팅될 가능성이 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 그렇지 않다면 프린팅 전에 적절한 변경을 할 수 있습니다.
• 날카로운 모서리가 있는 부품의 경우, 설계자는 CAD 소프트웨어의 필렛(filleting) 기능을 사용하여 성공적인 프린팅을 위해 해당 모서리를 둥글게 처리할 수 있습니다.

추가로 염두에 두어야 할 몇 가지 사항:

• 프로젝트에 지나치게 복잡한 형상이 포함된 경우, 설계자는 SLS를 위한 데이터 준비 과정에서 형상 단순화 도구를 사용하여 설계가 프린팅 준비가 되었는지 확인할 수 있습니다.
• 무게를 절약하기 위해 많은 SLS 부품은 중공으로 프린팅되며, 설계자는 자동화된 도구를 사용하여 설계를 '중공화'하고 프린팅 후 미소결 재료를 제거할 수 있는 탈출 구멍을 포함할 수 있습니다.
• 완전한 기능을 갖춘 설계 소프트웨어로 작업하는 경우, 설계자는 시뮬레이션 모델링 기법을 사용하여 설계가 프린팅 공정 중과 실제 사용 시 어떻게 수행될지 확인해야 합니다.

마지막으로 3D 모델이 프린팅 준비가 되기 전에, SLS 프린터가 레이저를 각 분말 재료 층에 걸쳐 안내하는 데 사용할 2D 층(단면이라고도 함)으로 '슬라이싱'되어야 합니다. 일부 무료 '슬라이서'를 사용하여 SLS를 위한 데이터 준비를 완료할 수 있지만, 신뢰성에 의문이 있을 수 있으므로 전문 설계자는 전처리 요구 사항에 대해 공인된 소프트웨어 패키지를 사용하는 것이 좋습니다.

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적층 제조에서 SLS 공정

선택적 레이저 소결 공정은 다음과 같은 면에서 다른 분말 베드 융합 기술과 유사합니다:

1. 설계자가 컴퓨터 지원 설계(CAD) 프로그램을 사용하여 3D 모델 생성
2. 설계를 얇은 (2D) 층으로 분할
3. 분할된 설계를 SLS 프린터로 전송
4. 레벨링 롤러가 프린터의 빌드 플랫폼에 얇은 분말 재료 층을 펼침
5. CO₂ 레이저가 재료에 단면을 추적하여 가열 및 융합
6. 한 층이 완료되면 빌드 플랫폼이 낮아져 다음 분말 층을 위한 공간 확보
7. 각 층이 완료된 후 미사용 재료 재활용
8. 부품이 완료될 때까지 SLS 공정 반복, 층층이 쌓아 올림

프린팅 공정 중에 SLS 부품은 미소결 분말에 둘러싸여 있습니다. 이 여분의 분말은 프린팅 중 부품을 지지하여 서포트 구조물이 필요 없게 합니다.

선택적 레이저 소결: 후처리

SLS 후처리의 첫 단계는 부품 회수입니다. 새로 SLS 프린팅된 부품은 부분적으로 소결된 분말로 된 다공성 고치에 싸여 있으며, 이를 깨뜨려 부품을 꺼내야 합니다. 이 과정은 가정 환경에서는 지저분할 수 있지만, SLS는 주로 산업 현장에서 사용되며, 압축 공기 흡입구가 있는 밀폐된 인클로저를 통합한 특수 설계된 세척 챔버가 사용됩니다.

세척 후 SLS 프린팅 부품은 원래 사양을 충족하는지 검사하고 테스트합니다. SLS 부품은 수축과 뒤틀림이 발생하기 쉬우므로, 이 과정은 각 부품이 목적에 적합한지 확인해야 합니다.

마지막으로, 대부분의 SLS 부품은 실제 사용을 위해 염색 및/또는 코팅됩니다. 염료와 코팅은 순수하게 미용적인 것부터 높은 기능성까지 다양하며, 다음을 포함합니다:

• 스크래치 방지
• 반사 또는 비반사
• 편광
• 내구성

SLS 재료 회수

남은 재료를 회수하는 것은 SLS 제조 공정의 필수적인 부분입니다.

분말 재료가 프린팅 중 SLS 부품을 지지하므로 실제 부품에 필요한 양보다 훨씬 더 많은 분말이 사용됩니다. 그러나 빌드 챔버 내의 모든 분말이 소결 공정을 돕기 위해 예열되므로, '사용된' 분말은 미래의 SLS 프린팅에 미사용 분말보다 덜 효과적입니다. 따라서 SLS 프린팅 전문가들은 모든 SLS 프린팅 프로젝트에 최대 50% 재활용 분말 사용을 권장합니다.

SLS 시스템의 다양한 유형

기본적으로 산업용과 데스크톱의 두 가지 유형의 SLS 시스템이 있습니다.

산업용 SLS 시스템

산업용 SLS 시스템은 수십 년 동안 존재해 왔으며 항공우주, 자동차, 툴링 등 다양한 산업의 선도 기업들이 사용해 왔습니다. 산업용 SLS 시스템은 하나 이상의 고출력 CO₂ 레이저를 사용합니다.

크기와 열 요구 사항 때문에 산업용 SLS 시스템은 분말이 산화되지 않도록 불활성 환경이 필요합니다. 그 결과 이러한 시스템은 공기 흡입과 배기를 관리하기 위한 특수 장비도 필요로 합니다. 또한 산업용 전원 공급이 필요합니다.

데스크톱 SLS 시스템

데스크톱 SLS 시스템은 산업용 시스템과 유사한 공정을 사용하지만 소규모 비즈니스나 취미 환경에 쉽게 들어갈 수 있는 기계에 패키징되어 있습니다. 이 시스템은 CO₂ 레이저 대신 저출력 다이오드 또는 파이버 레이저를 사용하며, 이것이 비용 절감의 부분적 원인입니다.

더 작은 크기 덕분에 데스크톱 시스템은 소결 공정에 더 적은 열이 필요하여 특수 공기 관리 시스템이 필요 없고 표준 AC 전원으로 작동할 수 있습니다.

SLS 재료

SLS라는 용어는 일반적으로 플라스틱 기반 소결을 설명하지만, 플라스틱, 금속, 유리, 세라믹, 복합 재료를 포함하는 재료의 소결을 포괄하는 용어로도 사용될 수 있습니다. 공정은 모든 재료에서 유사하지만 소결 공정에 필요한 온도는 다릅니다.

SLS가 금속에 적용될 때, 일반적으로 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)이라는 용어가 사용됩니다. 공정은 이 문서 앞부분에서 설명한 것과 정확히 동일하지만, 소결 공정에는 플라스틱 기반 소결보다 훨씬 더 많은 열이 필요합니다.

SLS 장단점

모든 제조 공정과 마찬가지로 SLS에도 장단점이 있습니다.

SLS 장점:

• 자체 지지. SLS 부품이 제작되면서 중공 공간이 미소결 분말로 채워집니다. 결과적으로 SLS 프린트는 자체 지지되며 추가 서포트 구조가 필요하지 않습니다.
• 설계 자유도. 서포트 구조가 필요 없기 때문에 설계자는 제조 가능성을 걱정하지 않고 목표를 충족하는 부품을 만드는 데 훨씬 더 많은 자유를 가집니다. 그 결과, 기존 절삭 제조 기술의 제약으로 인해 '불가능'하다고 여겨졌던 많은 부품을 이제 SLS 적층 제조로 만들 수 있습니다.
• 속도. SLS에 사용되는 나일론 분말은 소결되기 위해 매우 짧은 레이저 노출만 필요하므로 SLS 프린팅은 가장 빠른 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. FDM 같은 다른 기술과 달리 SLS에서는 프린팅 속도와 고품질 보장 사이에 사실상 트레이드오프가 없습니다.
• 염색 용이. SLS 프린트는 자연적으로 다공성이며 수분과 기타 액체를 쉽게 흡수합니다. 이러한 다공성 특성은 특히 핫 배스 공정을 사용할 때 SLS 부품을 착색하기에 이상적입니다.

SLS 단점:

• 다공성 및 취성. SLS 부품의 다공성은 구조적 무결성을 저해할 수 있습니다. 일반적으로 우수한 인장 강도를 가지지만, SLS 부품은 비탄성적이며 상대적으로 낮은 변형 수준에서도 실패할 수 있습니다. 이 때문에 SLS 프린트는 종종 개념 증명 프로토타입으로 사용됩니다. SLS 생산 부품은 거친 표면 마감을 가질 수도 있습니다.
• 수축 및 뒤틀림 경향. SLS에 사용되는 나일론 분말은 소결 중 고온에 노출된 후 급격히 냉각됩니다. 부품이 식으면서 수축하기도 하는데, 이는 프린팅된 부품의 부정확성을 초래할 수 있습니다. 가장 흔하게는 날카로운 모서리와 코너에서 발생합니다.
• 폐기물. SLS 프린팅의 분말은 재사용할 수 있지만, 위에서 언급한 것처럼 대부분의 SLS 전문가는 향후 프린팅에 최대 50% 재활용 분말 사용을 권장합니다. 결과적으로 SLS 프린팅 공정에는 항상 낭비 요소가 있습니다.
• 비용. 데스크톱 SLS 프린터조차 5,000~40,000달러 사이로, 다른 AM 기술을 사용하는 동급 프린터보다 훨씬 비쌉니다. 산업용 SLS 프린터는 매우 빠르게 매우 비싸집니다.

SLS를 사용해야 할 때

SLS의 가장 인기 있는 용도는 신속 프로토타이핑으로, 속도와 자체 지지 특성이 이상적입니다. SLS는 설계자가 구조적 서포트를 포함하거나 사출 성형 같은 전통적인 제조 기술을 사용할 필요 없이 다양한 프로토타입을 생성하고 테스트하기 쉽게 만듭니다.

어떤 산업이 SLS에 의존하는가?

제공하는 이점으로 인해 SLS는 항공우주, 자동차, 의료 산업에서 광범위하게 사용되었습니다.

항공우주 및 자동차 제조업체는 주로 금속 및 복합 분말을 사용하여 높은 내구성을 달성하는 반면, 의료 제조업체는 일반적으로 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 선호합니다. TPU는 우수한 기계적 특성, 내구성, 내유성 및 내화학성을 가진 유연하고 내구성이 뛰어난 플라스틱입니다.

SLS는 일반적으로 가격이 주요 고려 사항이 아닌 상황, 적어도 자본 장비 구매 측면에서는 사용됩니다. SLS 시스템은 매우 비쌀 수 있어 주로 산업 현장에서 사용되는 주요 이유입니다.

그러나 자본 비용을 제외하면, 많은 저량 부품을 생산하는 제조업체(예: 프로토타입)는 실제로 SLS로 비용을 절감할 수 있습니다. SLS는 툴링의 상당한 비용 없이 이러한 부품을 쉽게 생산할 수 있게 하므로 저량 및 맞춤형 부품 생산에 널리 사용됩니다.

일반적인 사용 사례:

• 맞춤형 툴 및 고정구
• 연료 탱크
• 공기 덕트
• 건축 모델
• 무인 항공기용 비행 등급 구성요소
• 자동차 설계
• 예술 조각

SLS의 다음 단계는?

현재 SLS는 주로 SLS 3D 프린터의 높은 비용뿐만 아니라 강력한 레이저와 분말 재료 사용으로 인해 산업용으로 제한됩니다. 현재 취미 또는 홈 크리에이터라면 FDM과 SLA 같은 다른 기술이 더 저렴한 옵션입니다. 그러나 산업 현장에서는 SLS 시스템이 매우 가치 있을 수 있습니다.

모든 AM 기술과 마찬가지로 SLS도 제조업체가 고도로 정확하고 최적화된 3D 모델을 생산하는 능력에 의존합니다. 그리고 SLS의 한계(특히 얇은 벽이나 날카로운 모서리가 있는 부품을 프린팅할 수 없는 점)를 고려할 때, 이러한 모델을 생성하고 최적화하기 위한 특정 소프트웨어 기능이 필수적입니다.

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