138억 4천만 달러 규모의 적층 제조 산업은 현대 시대의 가장 빠르게 성장하는 제조 기술 중 하나입니다. 선택적 레이저 소결(SLS)은 그 급속한 성장을 견인하고 광범위한 산업적 채택을 영감을 준 혁신적인 3D 프린팅 기술 중 하나입니다.
이 종합 가이드에서는 워크플로, 장단점, 소재 능력, 애플리케이션 등 SLS 프린팅의 다양한 측면을 논의합니다.
SLS 3D 프린팅은 가이드 레이저를 열에너지원으로 사용하여 원자재 파티클 층을 강하고 내구성 있는 빌드로 소결합니다. 파티클은 가열될 때 녹지 않고 서로 합쳐집니다. 이것이 녹는 것이 아닌 소결 공정이라고 불리는 이유입니다.
또한 SLS 3D 프린터는 데스크톱부터 대형 산업용까지 다양한 빌드 볼륨으로 제공됩니다. 레이저 유형(파이버, 다이오드, CO2 레이저 등), 레이저 출력, 비용, 제조 정확도 등에서도 차이가 있습니다.
이 기술은 기능성 파트 제조와 신속 프로토타이핑에 대한 실행 가능성으로 알려져 있습니다. SLS 3D 프린터 파트의 바람직한 소재 특성은 제조업체와 제품 개발자에게 유망한 요소입니다.
선택적 레이저 소결을 더 깊이 파고들어 워크플로를 분석해 보겠습니다.
SLS 3D 프린팅은 여러 단계로 수행됩니다. 아래는 대부분의 SLS 3D 프린터에 표준인 단계별 절차입니다.
프린트할 파트의 CAD 모델로 시작합니다. 최종 모델은 SLS 프린터의 내장 사용자 인터페이스나 슬라이싱 소프트웨어로 3D 프린팅에 적합한 파일 포맷으로 전송됩니다. 가장 일반적인 파일 포맷은 STL입니다.
슬라이싱 소프트웨어는 CAD 파일을 3D 프린팅용으로 준비하며, 프린터 컨트롤러가 레이저의 스캐닝 모션 측면에서 해석할 수 있는 명령(G-코드)을 생성합니다. 소프트웨어는 레이어 두께, 레이저 출력, 해상도 등 최종 빌드 품질을 정의하는 사용자 정의 설정도 포함합니다.
이 단계에서 소프트웨어는 프린트 시간과 소재 소비량 같은 중요한 정보도 예측합니다.
SLS 3D 프린터는 작동에 훈련과 주의가 필요한 정교한 기계입니다. 프린팅이 시작되기 전에 프린팅이 원활하게 진행되도록 몇 가지 점검을 수행합니다.
빌드 챔버(파우더 베드)가 올바른 레벨과 올바른 소재로 채워집니다. 또한 전문 운영자는 프린트 가능성에 영향을 줄 허점이 없는지 사전 CAD 점검을 수행합니다.
레이저 빔을 원하는 프린팅 경로를 따라 안내하는 거울인 갈바노미터(galvanometers)는 보정되어야 합니다. 이를 작동시키는 서보 모터도 최소 오류를 위해 홈 위치로 이동됩니다. 이러한 보정 일정은 제조사 매뉴얼에서 종종 권장됩니다.
빌드 챔버의 파우더는 프린팅 시작 전에 녹는점 바로 아래까지 예열됩니다. 이렇게 하면 레이저의 열에너지가 소결에만 사용됩니다. 이는 빠른 3D 프린팅을 가능하게 합니다.
실제로 프린팅 공정 자체는 꽤 단순하고 독창적입니다. 레이저는 파트의 최상단 레이어(슬라이서에 의해 미리 정의됨)를 파우더 베드 상단 표면 위에서 스캔합니다.
레이저 출력은 레이어 두께와 동일한 소결 깊이를 달성하도록 정밀하게 설정됩니다. SLS 3D 프린팅의 일반적인 레이어 두께 범위는 0.05-0.15mm입니다.
그런 다음 베드가 한 레이어 두께만큼 아래로 이동하며 빌드를 함께 가져갑니다. 리코팅 블레이드/롤러에 의해 신선한 SLS 소재 층이 베드 위에 펼쳐집니다. 레이저가 이번에는 두 번째 레이어를 스캔하여 이전 레이어와 결합합니다.
이 공정은 전체 파트가 프린트될 때까지 반복됩니다.
프린트가 완료되면 챔버 내부에서 잠시 식힙니다. 식으면 빌드 챔버에서 추출됩니다. 파트가 모든 면에서 소결되지 않은 파우더로 둘러싸여 있으므로 추출 공정을 흔히 "디파우더링(depowdering)"이라고 부릅니다.
SLS 3D 프린팅은 수많은 장점을 자랑하며 산업 분야에서 가장 인기 있는 적층 제조 방식 중 하나입니다.
SLS 3D 프린팅 파트는 기계적 강도, 인장 계수, 내열성, 수밀/기밀성과 같은 유리한 특성을 가집니다. 이는 개별 폴리머 파티클을 강력하게 결합하는 소결 공정 덕분입니다.
이 견고함 덕분에 SLS 프린터는 기능성 프로토타입 개발과 테스트에 흔히 사용되는 장비가 되었습니다. 이는 테스트 제품의 외관뿐만 아니라 기능성도 모방합니다.
오버행이나 브리지 같은 특징이 있는 3D 프린팅 구조는 프린팅 중 이러한 요소를 지탱하기 위한 서포트 지오메트리가 필요합니다. FDM 같은 대부분의 3D 프린팅 방식은 이러한 서포트 구조를 프린팅하는 데 많은 시간과 소재를 낭비합니다.
하지만 선택적 레이저 소결에서는 이 문제가 되지 않습니다. 빌드 전체가 느슨한 파우더 풀에 갇혀 있어 빌드 중에 이미 잘 지지되기 때문입니다. 이는 시간 절약일 뿐만 아니라 비용도 감소시킵니다.
이 기계들은 상업용 프린팅 속도 최대 48mm/hr로 빠른 3D 프린터로 간주됩니다. 이는 꽤 많은 대체 3D 프린팅 방식을 능가합니다.
또한 이 공정의 워크플로는 여러 단계로 나뉘지만 꽤 시간 효율적입니다. 레이저 스캐닝은 근시각적이며, 빌드 챔버는 첫 번째가 식는 동안 다른 것으로 교체할 수 있고, 배치 프린팅 가능성도 있습니다(다음에서 논의).
3D 프린터는 다양한 빌드 챔버 볼륨으로 제공되며, 큰 기계의 경우 한 방향으로 최대 750mm까지 가능합니다. 생산적인 접근 방식은 빌드 챔버 볼륨을 '배치'로 최대한 많은 파트를 넣어 효율적으로 활용하는 것입니다.
이는 레이저 스캐닝 자체가 매우 빠르기 때문에 신중합니다. 배치 프린팅에서 한 번 스캔으로 단일 파트가 아닌 여러 파트의 레이어를 소결할 수 있어 프린팅 시간을 수시간 절약합니다.
SLS는 매우 정확한 파트를 생산합니다. 앞서 언급했듯 레이어 높이는 0.05mm까지 낮출 수 있습니다. 게다가 대부분의 3D 프린터는 +/- 3% 이내의 제조 공차를 달성할 수 있습니다. 파우더 베드가 제공하는 패킹 압력도 휨 최소화에 도움이 됩니다.
이로 인해 SLS 3D 프린팅 파트는 넷-쉐이프(near-net shape)에 가까워 광범위한 후처리가 필요하지 않습니다.
어떤 제조 공정과 마찬가지로 SLS도 장점 외에 단점이 있습니다. SLS 선택 시 염두에 두어야 할 몇 가지 사항을 조명합니다.
선택적 레이저 소결은 강력한 소재 카탈로그를 제공하지 않습니다. 몇 가지 나일론 유형, 열가소성 엘라스토머, TPU(열가소성 폴리우레탄) 외에는 SLS와 호환되는 소재를 찾기 어렵습니다. 물리적 외관도 회색빛, 금속성 마감으로 제한됩니다.
과학 연구가 SLS 프린팅의 소재 범위를 확장하고 있지만, 현재로서는 명확한 단점입니다.
최종 빌드는 치수적으로 정확하지만 매끄럽고 광택 있는 표면은 아닙니다. 많은 경우 제조 요건을 충족하기 위해 추가 표면 처리가 필요할 수 있습니다. 스테레오리소그래피 같은 경쟁 기술은 훨씬 더 나은 표면 마감을 가집니다.
이 문제를 해결하는 데 도움이 되는 인기 있는 후처리 방법은 다음 섹션에서 논의합니다.
SLS 프린터는 일반적으로 비싼 기계입니다. 저가형도 5,000달러 이상 예상해야 합니다. 고급형은 10만 달러 이상입니다.
하지만 초기 투자는 상대적으로 낮은 소재 및 프린팅 비용으로 약간 상쇄됩니다. 또한 괜찮은 사양을 갖춘 혁신적인 벤치탑 3D 프린터의 새로운 물결이 시장에 진입하고 있습니다. 3D 프린팅 서비스 비용에 대해 더 알아보세요.
SLS 소재는 입자 크기가 20미크론까지 작은 미세 파우더 형태입니다. 이렇게 미세한 치수의 파티클은 쉽게 호흡기로 들어가 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 소결은 작업 환경을 벗어나 환경에 부정적으로 기여할 수 있는 흄을 생성할 수 있습니다.
운영자는 이러한 소재를 다룰 때 마스크, 장갑 등 적절한 PPE 사용을 권장합니다.
소결 가능한 파우더 폴리머가 SLS 소재의 주요 클래스입니다. 이 범주에 속하는 주요 소재들을 요약합니다.
PA 12는 나일론 12 및 폴리아마이드 12로도 알려져 있습니다. 뛰어난 인장 강도, 인성, 유연성을 가집니다. PA 12는 내화학성, 내열성도 있어 기능성 제품에 이상적입니다.
3D 프린팅 후 약간 거친 매트 같은 표면을 가집니다. 자연스럽게 흰색이며 다른 색상으로 염색하기 편리합니다.
폴리아마이드 11/나일론 11은 생체적합성, 강도, 유연성, 내열성, 내화학성을 가집니다. 특정 하중 지지 애플리케이션(자동차 인테리어, 보철, 의료 장비 등)에 훌륭한 등방성 거동으로 알려져 있습니다.
알루마이드는 알루미늄 파우더가 충전된 나일론입니다. 이 혼합물은 더 높은 강도와 강성을 위해 만들어졌습니다. 또한 알루미늄이 최종 제품에 광택 있는 금속 외관을 부여하여 PA12나 PA11 같은 순수 나일론 소재만큼 거칠지 않습니다.
탄소섬유 충전 나일론은 엘리트 강도와 충격 저항성을 가진 고성능 조합입니다. 탄소섬유 제품의 특성답게 놀랍도록 가볍습니다. 일반적인 애플리케이션에는 지그, 고정구, 경량 자동차 부품이 포함됩니다.
후처리는 위에서 언급했지만 전문가들이 사용하는 다양한 기술을 강조하지는 않았습니다. 그러나 디파우더링된 파트의 표면 마감은 이상적이지 않습니다. 따라서 제조 요건에 따라 여러 표면 처리를 적용할 수 있습니다.
수동 기술을 사용하여 약간 더 미세한 표면을 얻을 수 있습니다. 운영자는 다양한 등급의 사포나 그라인딩 머신을 사용하여 균일한 표면 처리를 적용하고 지오메트리의 모든 구석에 도달합니다.
이 방법들은 훌륭한 표면 마감을 달성합니다. 비드 블라스팅의 일반적인 미디어는 유리 비드이며, 텀블링에는 세라믹 칩이 널리 사용됩니다. 두 경우 모두 이 파티클들을 SLS 파트 표면과 충돌시켜 평평하게 만듭니다.
하지만 단점은 일부 소재도 제거되어 파트 치수가 변경된다는 것입니다. 또한 날카로운 모서리가 둥글게 나올 수 있는데, 이는 바람직할 수도 있고 아닐 수도 있습니다.
아세톤 같은 화학물질은 표면과 반응하여 매끄럽게 만들 수 있습니다. 이는 대중적인 방법은 아니지만 일부 경우 실행 가능합니다. 화학물질 선택 시 반응성에 주의해야 합니다.
특정 물리적 특성을 얻기 위해 다양한 코팅을 적용할 수 있습니다. 금 또는 구리 같은 금속 코팅은 추가 강도와 미관을 위해 사용되기도 합니다. 3D 프린팅 파트는 다공성이므로 실리콘 같은 수밀 코팅을 적용해 성능을 향상시킬 수 있습니다.
거친 표면에 페인트나 래커를 칠해 표면 품질을 개선하는 쉬운 해결책입니다. 이는 파트 외관을 향상시키고 광택 있는 느낌을 주며 많은 시간이 걸리지 않습니다.
SLS는 수많은 강점 덕분에 여러 중요한 산업에서 애플리케이션을 찾았습니다.
SLS 3D 프린팅 파트의 기계적 특성은 다른 공정으로 제조된 파트와 비교 가능합니다. 그러나 생산이 더 빠르고 편리합니다. 이 때문에 SLS 파트는 신속 프로토타이핑과 기능성 제품 제조에 널리 사용됩니다.
제품 개발자는 빠른 프린팅 속도와 파트 기능성 덕분에 설계 반복을 빠르게 거칠 수 있습니다.
이 두 산업은 경량, 충격 저항성 파트를 끊임없이 찾고 있습니다. 이는 SLS 프린팅의 특징적 품질입니다. 따라서 3D 프린팅은 자동차 개조나 장식용 맞춤형 스타일리시 파트 제조에도 인기를 얻고 있습니다.
항공우주 엔진의 난연성 구성요소는 SLS 소재의 특정 품질이 적합한 또 다른 애플리케이션입니다. 이 외에도 에어 덕트와 프로토타입 제작에도 인기입니다.
의료 산업에서는 기능성, 맞춤 설계된 보철과 보조기가 요즘 3D 프린팅됩니다. 3D 스캐닝 기술로 이 파트들을 환자의 신체에 정확히 맞게 형상화할 수 있고 SLS가 필요한 기계적 특성을 달성하는 데 도움을 주기 때문입니다.
SLS는 정밀도, 정확성, 생산성으로 많은 산업에서 사용하는 인기 있는 적층 제조 기술입니다. 하지만 기술을 마스터하는 것은 어려울 수 있으므로 품질 결과를 제공하는 경험과 전문성을 갖춘 평판 좋은 서비스 제공업체와 협력하는 것이 중요합니다.
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선택적 레이저 소결은 최근 몇 년간 적층 제조 지형에 확고한 족적을 남겼습니다. 더 많은 산업계의 눈에 띄면서 그 잠재력과 활용도는 계속 성장하고 있습니다.
이 가이드를 마무리하며, 독자 여러분이 3D 프린팅 방식과 제조업체 선택을 결정할 때 이 가이드를 활용하시길 권장합니다. 여전히 비교적 새로운 시장이므로 최종 선택 전에 잘 알고 계셔야 합니다.
SLS 3D 프린터의 유형은 무엇인가요?
SLS 3D 프린터는 여러 면에서 다릅니다:
-크기: 빌드 볼륨 100x100x100mm 데스크톱 프린터부터 500x500x500mm까지 큰 고급 산업용 프린터.
-레이저 유형: SLS 프린터는 CO2 레이저, 파이버 레이저, 적외선 레이저, 레이저 다이오드 장착 가능.
-프린팅 사양: 프린팅 속도, 최소 레이어 두께, 소재 능력 등 모든 사양이 제품마다 다름.
선택적 레이저 소결(SLS) 프린팅과 선택적 레이저 용융(SLM) 프린팅의 차이는?
SLS는 소재 파티클을 소결하여 결합합니다. 이 공정은 소재 녹는점 아래에서 발생하며 파티클이 단순히 서로 융합됩니다. 반면 SLM은 녹는점 위에서 작동하여 파티클을 완전히 녹이고, 이는 균질한 파트로 응고됩니다.
SLM은 더 나은 기계적 특성의 파트를 생산하며 매우 고품질 애플리케이션에 적합. SLS도 기능성 파트를 생산하지만 SLM만큼 강하지는 않음.
SLS 3D 프린팅에 흔히 사용되는 소재는?
열경화성 폴리머와 열가소성 폴리우레탄이 SLS 3D 프린팅에 흔히 사용됩니다. 구체적으로 나일론 12와 나일론 11이 가장 인기 있습니다. 일부 특수 애플리케이션은 금속(알루미늄)이나 섬유(탄소섬유, 유리섬유)와 혼합하여 사용하기도 합니다.
3D 프린팅
3D 프린팅은 이미 모두의 입에 오르내리며 대다수가 일반 사용자와 전문 사용자 일상 모두에 주는 이점을 인지하지만, 덜 알려진 사실은 이 기술을 보완할 기계들이 있다는 점. 여기선 레이저 커터를 다룹니다. 3D 프린터와 레이저 커터는 완전히 다른 기계로 반대 작업 수행하지만, 구성 레벨에선 유사합니다. 3D 프린터는 최종 부품과 다른 형태의 원료(필라멘트, 펠릿, 레진 등)로 3차원 물체 제작. 반면 레이저 커터는 최종 부품과 동일 형태이되 더 큰 원료(목재 시트, 강철 등) 필요, 2차원 작업만 가능. 레이저 커터(전문가용) 장점
공작물 올바른 포지셔닝은 생산 공정 성공에 필수적입니다. 가장 중요한 고려사항: 열 집적 피하고 적절히 발산 가능해야 함: 이를 위해 완전히 겹치는 레이어들이 서로 위에 쌓이는 출력 피해야. 그래서 부품들을 보통 플랫폼에 대해 비스듬히 배치. 또한 반개방 볼륨은 개구부가 위쪽 향하도록 해야 함. 큰 평면은 워핑 발생: 과도하게 큰 상호연결 표면 가진 레이어 피해야. 일반적으로 단일 레이어에서 12cm² 초과 표면이나 한 축 기준 6cm 초과 표면 출력 권장하지 않음. 이미지 1: 잘못된 포지셔닝으로 워핑 발생한 부품 예시.
