SLA와 SLS가 래피드 프로토타이핑 산업을 변화시키는 방법

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게시일:2018년 7월 13일 | By Will, WayKen 프로젝트 관리자

기술의 발전으로 3D 프린팅은 단순한 개념에서 현실로 진화했습니다. 산업의 포화로 인해 제조업체의 주요 목표는 제품을 제조하는 것뿐만 아니라 짧은 시간에 더 많은 제품을 생산하여 생산량을 늘리기 위해 혁신적인 방법을 사용하는 것입니다. 따라서 오늘날 제조업체는 다양한 래피드 프로토타이핑 기술을 사용하고 있습니다. 이러한 혁신적인 방법은 시간을 절약할 뿐만 아니라 비용 효율적입니다. 이러한 쾌속 프로토타이핑 기술은 오늘날 3D 프린팅(SLA 프로토타이핑 및 SLS 프로토타이핑)을 사용하는 것입니다. ). 3D 프린팅은 시간과 비용을 절약할 뿐만 아니라 제품의 3D CAD 모델에서 최상의 기능 프로토타입을 생성합니다.

3D 프린팅의 역사

3D 프린팅의 개념은 1981년 나고야 시 산업 연구소가 UV 노출 영역을 제어하기 위해 마스크 패턴을 사용하는 3차원 모델을 제작하기 위해 광경화성 열경화성 폴리머를 사용했을 때부터 시작되었습니다. 그러나 그 당시에는 재료와 3D 모델링 소프트웨어의 제한으로 인해 사용이 적었습니다. 이미 2000년에 중국은 상업용 쾌속 조형 장비를 수입했으며 주요 응용 분야는 산업용 3D 프린팅이었습니다. 2013년 NASA 직원인 Samantha Snabes와 Matthew Fiedler가 저렴한 3D 프린터인 Gigabot의 첫 번째 프로토타입을 소개하면서 이 단어는 산업계에서 인기 있는 단어가 되었습니다.

3D 프린팅:래피드 프로토타이핑의 주요 트렌드

비용 절감부터 혁신을 통한 효율성 증대까지 많은 사람들이 3D 프린팅이 제조의 미래에 미칠 영향에 대해 기대하고 있습니다. 하지만 이미 국내 고객은 물론 업계에도 상당한 영향을 미치고 있는 것이 사실입니다.

국내 3D프린터는 연구개발 제품으로 활용되고 있으며 산업체에서 3D모델을 설계하는데 활용되고 있다. 하지만 산업체 고객들을 위한 제품일 뿐이라고 말하는 것은 옳지 않다. 이제 응용 프로그램이 크기 때문에 민간 고객 사이에서 널리 인기를 얻고 있습니다. 주로 3D 프린팅에 사용되는 재료가 시간이 지남에 따라 더 저렴해지고 쉽게 구할 수 있게 되었기 때문입니다. 또한 3D 프린터는 CNC 밀링, 선반 및 정밀 연삭과 같은 기존의 절삭 공구실 방식에 비해 훨씬 적은 공간을 차지합니다.

오늘날 모델링 소프트웨어의 가용성은 이 기술의 개발에도 도움이 됩니다. 일반적으로 모델은 CAD 모델의 삼각 측량을 기반으로 데이터를 저장하는 래피드 프로토타이핑을 위한 CAD 파일 형식인 STL 형식으로 저장됩니다. 그러나 이 형식은 오류를 생성하는 많은 수의 격자 구조로 파일을 저장하는 데 사용됩니다. 그러나 최신 소프트웨어는 파일을 더 적은 수의 오류를 생성하는 AMF(Additive Manufacturing File Format)로 저장합니다. 또한, 이러한 소프트웨어는 사용자 친화적인 인터페이스를 갖추고 있어 국내 및 산업 사용자가 제품의 3D 모델을 쉽게 모델링할 수 있습니다.

최근 연구에 따르면 2020년까지 전 세계적으로 670만 대의 3D 프린터가 출하될 것이며 이는 2016년보다 14배 증가한 수치입니다. 새로운 기술이 3D 프린터의 사용을 개선함에 따라 이 기술은 계속해서 제조 산업을 더 큰 영광으로 이끌 것입니다.

그림 1:2015년부터 2020년까지 3D 프린터의 전 세계 출하량

3D 프린팅 기술

3D 프린팅 기술과 관련하여 가장 일반적으로 사용되는 기술은 SLA Rapid Prototyping 및 SLS Rapid Prototyping의 두 가지입니다.

1. SLA 신속한 프로토타이핑

Stereolithography라고도 알려진 SLA Rapid prototyping은 광중합 기술을 사용하여 레이어 방식으로 다양한 프로토타입, 모델, 패턴을 만드는 데 사용되는 3D 인쇄 기술의 한 유형입니다. 광중합은 빛의 작용하에 분자가 연결되어 고분자를 형성하는 과정입니다. 따라서 기본적으로 수지(시제품 제작에 사용되는 재료)는 빛과 자외선을 사용하여 굳어집니다. 이러한 방식으로 SLA 래피드 프로토타이핑을 사용하여 원하는 프로토타입이 레이어별로 생성됩니다.

그림 2:SLA 래피드 프로토타이핑 프로세스를 보여주는 그림

UV 방사선은 포토폴리머 통에 미리 프로그래밍된 모양을 만드는 데 사용됩니다. 따라서 포토폴리머는 UV 방사선에 민감하기 때문에 수지는 응고되어 원하는 원형의 단일 층을 형성합니다. 이러한 방식으로 원하는 프로토타입이 형성될 때까지 수지 층이 고형화됩니다.

SLA 프로토타입 제품은 모든 3D 래피드 프로토타이핑 기술 중 가장 높은 해상도와 표면 마감을 제공하지만 그 다양성은 사용된 수지에 있습니다. 기술의 발전으로 재료 엔지니어는 표준 엔지니어링 열가소성 재료의 특성과 일치하는 특성을 가진 SLA 프로토타이핑에 사용되는 다양한 수지를 만들었습니다.

용도

SLA 래피드 프로토타이핑은 처음부터 제품 개발을 위해 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

· 의료 모델링

SLA Rapid 프로토타입 제품은 기술이 도입된 이후로 의료 분야에서 사용되고 있습니다. 컴퓨터 스캔에서 얻은 데이터를 기반으로 환자 신체의 여러 영역에 대한 해부학적 3D 모델을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 모델은 진단 및 치료를 돕는 데 사용됩니다. 외과의는 이 모델을 사용하여 수술을 지원하고 보철의는 맞춤형 임플란트를 제조하는 데 사용합니다.

그림 3:SLA 래피드 프로토타이핑으로 생성된 모델

· 프로토타이핑

SLA Rapid prototyping은 또한 비교적 저렴한 비용으로 균일/불규칙한 모양의 재료의 프로토타입을 만드는 데 사용됩니다. SLA Rapid prototyping 공법으로 제작된 시제품은 가공이 가능하며 다양한 금속 주조 작업의 패턴을 형성할 수 있습니다.

2. SLS 래피드 프로토타이핑

일반적으로 SLS 급속 프로토타이핑 기술이라고 하는 선택적 레이저 소결은 레이저를 분말 재료의 응고제로 사용합니다. 주로 사용되는 분말 소재는 나일론입니다. 나일론은 기계적 특성이 인상적인 엔지니어링 열가소성 수지로 가볍고 안정적입니다. 이 유형의 3D 프린터는 필요한 구조를 만들기 위해 분말 재료를 응고시키는 레이저를 자동으로 조준합니다. SLS Rapid prototyping은 SLM에서와 같이 선택적 레이저 용융과 다릅니다. SLS Rapid prototyping에서와 같이 소결되지 않고 재료가 녹습니다.

그림 4:SLS 래피드 프로토타이핑 프로세스를 보여주는 그림

SLA Rapid prototyping과 같은 SLS Rapid prototyping은 소결 분말의 도움으로 필요한 프로토타입을 개발하기 위해 컴퓨터 지원 설계를 사용합니다. 그것은 필요한 프로토 타입을 형성하기 위해 분말 형태의 작은 입자의 융합 소스인 고출력 레이저를 주로 사용합니다. 레이저는 CAD 모델에 의해 생성된 단면을 스캔하고 필요한 프로토타입 형태로 소결된 재료를 선택적으로 융합합니다. 단면을 스캔한 후 파우더 베드를 낮추고 원하는 제품이 형성될 때까지 상단에 새로운 재료 층이 적용됩니다.

SLS 쾌속 프로토타입 제작에 사용되는 나일론 소재는 기계적 강도가 높은 프로토타입과 충격, 가벼움, 방수 프로토타입을 만드는 데 유용합니다. 저비용 생산과 높은 생산성으로 인해 이 기술은 신속한 프로토타이핑을 위해 업계에서 매우 인기가 있습니다.

용도

SLS Rapid prototyping은 처음부터 제품 개발을 위해 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다.

· 항공우주 산업

SLS 래피드 프로토타이핑은 고품질 부품이 더 적은 양으로 필요한 산업에서 상당히 인기가 있습니다. 그러한 산업 중 하나는 항공기의 프로토타입이 필요한 항공우주 산업입니다. 항공기 및 기타 항공우주 차량은 더 적은 수로 제작되고 수십 년 동안 계속 사용되므로 SLS 래피드 프로토타이핑은 항공기 산업을 위한 고품질 부품을 생산하는 데 사용됩니다.

그림 5:Airbus에서 SLS 래피드 프로토타이핑을 사용하여 생산한 구획 패널

· 복잡한 형상의 프로토타이핑

SLS Rapid prototyping은 CAD 모델을 사용하여 복잡한 모양의 형상을 생산하기 위해 업계에서 널리 사용됩니다. SLS Rapid prototyping은 레이저의 작용으로 융합되는 다양한 재료로 프로토타입을 생산할 수 있기 때문입니다. 구조물을 지지할 필요가 없기 때문에 고품질 부품을 생산하는 업계에서도 널리 사용됩니다.

그림 6:SLS Rapid prototyping으로 설계된 프로펠러

SLA와 SLS의 비교

1. 사용된 원료

SLS -사용된 원료는 나일론 분말과 다릅니다. 염화비닐에 폴리카보네이트 탄소 분말; 파우더이지만 고성능입니다.

SLA - 사용된 원료는 열가소성 소재와 비교할 수 없는 품질의 액체 폴리머입니다.

2. 재료 수축

SLS - 재료 수축 범위는 2-4%입니다.

SLA -재질 수축률이 0.4%이하로 보다 디테일한 부품제작이 가능합니다.

3. 빌드 크기

SLS -최대 1500 x 750 x 500 mm 크기의 프로토타입을 생산할 수 있습니다.

SLA -최대 145 x 145 x 175mm 크기의 프로토타입을 생산할 수 있습니다.

4. 표면 마감

SLS - 소재의 마감이 거칠고 다소 헐렁합니다.

SLA - 소재의 마감이 비교적 매끄럽습니다.

5. 힘

SLS -원료를 사용하여 부품의 강도가 높다.

SLA - 생산되는 재료의 강도가 상대적으로 낮습니다.

6. 가공 작업

SLS - 생산된 시제품은 밀링, 선반, 드릴링 등의 가공이 용이합니다.

SLA -시제품의 강도가 약하여 가공이 어려우며 각별한 주의가 필요합니다.

7. 내마모성

SLS - 내마모성이 열가소성 소재와 유사합니다.

SLA - 환경 조건에 대한 저항성이 낮습니다. 에폭시 수지를 사용하면 저항성을 상당히 향상시킬 수 있습니다.

그림 7:SLS 래피드 프로토타이핑으로 생성된 모델

장점:SLA 및 SLS를 사용한 3D 인쇄

더 짧은 시간 안에 제품을 대량 생산하기 위해서는 3D 프린팅이 필수 도구다. 이 기술을 사용하면 많은 이점을 누릴 수 있습니다.

1. 비용 효율성

비용 효율성은 3D 프린팅의 주요 이점 중 하나입니다. 이 과정에서 생산된 프로토타입의 강도와 마감은 비용을 절약하는 수정을 원하지 않습니다. 또한 제품을 대량 생산할 수 있어 비용도 많이 절감됩니다.

2. 속도

이 기술을 통해 산업가는 사용되는 기존 산업 공정에 비해 훨씬 더 적은 시간을 소비하면서 더 많은 수의 제품을 더 빠른 속도로 생산할 수 있습니다. 사용자는 CAD 모델만 필요하고 프린터는 해당 모델을 사용하여 훨씬 더 짧은 시간에 제품을 개발합니다. 더욱이 디자인된 프로토타입은 높은 품질과 강도로 이 기술을 전 세계의 민간인은 물론 산업계에서도 널리 사용하고 있습니다.

3. 저장 공간 감소

3D 프린터는 지금까지 산업에서 사용되는 기존의 대량 생산 기계에 비해 훨씬 적은 공간을 차지합니다. 또한, 이러한 기계의 도구는 공간을 훨씬 적게 차지하는 소형 3D 프린터에 비해 무겁고 비쌉니다.

4. 위험 완화

3D 프린팅은 또한 CAD 모델에서 값비싼 프로토타입을 생산하기 전에 설계 검증을 가능하게 합니다. 따라서 CAD 모델이 그에 따라 수정되었습니다. 또한 테스트 금형의 생산은 이미 생산된 금형을 변경하는 것보다 훨씬 저렴합니다.

5. 피드백

프로토타입을 사용하면 실제로 제품을 생산하기 전에 제품의 시장 잠재력을 테스트할 수 있습니다. 실제로 제품을 생산하기 전 구매자의 반응은 제품의 미래 전망을 예측할 수 있고, 시장에 공급하기 위해 양산할 제품의 수를 결정하는 데 도움이 될 수 있다.

6. 개인화

대량 생산에 사용되는 표준 가공 작업으로 모든 부품은 동일한 디자인이나 결함이 있는 기계나 금형에서 나옵니다. 그러나 3D 프린팅의 경우 고객이나 시장의 요구에 따라 제품을 맞춤화하거나 개인화하는 작업이 항상 있습니다.

결론

SLA 프로토타이핑과 SLS 프로토타이핑은 모두 기술 세계의 위대한 혁명 중 하나로 간주됩니다. 기능 프로토타입의 생산은 프로토타입의 특성 요구 사항에 따라 이 두 가지 기술을 사용하여 쉽게 생산할 수 있기 때문에 이제 더 이상 어려운 작업이 아닙니다. SLA는 표면 마무리에 더 좋지만 SLS는 고강도 제품 생산에 더 좋습니다. 둘 다 최고 수준의 신속한 프로토타이핑 기술이며 오류가 적은 제품의 대량 생산에 사용할 수 있습니다.