선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린팅 가이드

선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린팅은 튼튼하고 기능적인 파트를 생산할 수 있다는 점에서 다양한 산업 분야의 엔지니어와 제조 업체의 신뢰 받는 기술입니다.

폭넓은 내용이 수록된 이 가이드에서 선택적 레이저 소결 프로세스, 다양한 시스템과 시장에서 사용할 수 있는 소재, SLS 프린터를 사용한 워크플로, 여러 가지 응 용분야, 다른 적층 및 기존 제조 방식 보다 먼저 SLS 3D 프린팅 사용을 고려할 시기를 다룹니다.

선택적 레이저 소결은 적층 제조(AM) 기술로, 고출력 레이저를 사용해 미세한 입자 형태를 띤 고분자 분말을 3D 모델에 맞춰 고체 구조로 소결하는 기술입니다

수십 년 동안 SLS 3D 프린팅은 수십 년 동안 엔지니어와 제조 업체 사이에서 인기 있는 선택지가 되어왔습니다. 저렴한 파트당 생산 비용, 높은 생산성과 구하기 쉬운 소재 덕분에 이 기술은 신속한 프로토타이핑에서 소규모 배치, 브릿지 또는 맞춤형 제조에 이르기까지 다양한 응용 분야에 이상적으로 사용할 수 있습니다.

최근들어 기계, 소재, 소프트웨어가 두루 발전하여 SLS 프린팅이 더욱 광범위한 사업에 접근할 수 있게 되고 과거에는 소수의 첨단 산업에 한정되었던 도구들을 점차 더 많은 기업에서 이용할 수 있게 되었습니다.

Formlabs Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터를 만나보세요. 마침내 고성능 SLS 3D 프린팅이 가능해졌습니다.

1. 프린팅:

   빌드 챔버 내부에 있는 플랫폼 상단에 분말을 얇은 층으로 도포합니다. 프린터가 원료의 녹는 점보다 다소 낮은 온도까지 분말을 예열하므로 레이저가 모델 형태에 맞춰 파트를 응고시킬 때 분말 베드의 온도를 특정 영역까지 손쉽게 높일 수 있습니다. 레이저는 3D 모델의 단면을 스캔하여 분말을 소재의 녹는점 바로 아래 온도 또는 정확하게 녹는점과 같은 온도까지 가열합니다. 이렇게 하면 입자가 기계적으로 용융되어 하나의 고체 파트가 만들어집니다. 프린트를 진행하는 동안 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 그런 다음 플랫폼이 보통 50~200 미크론 사이 두께로 빌드 챔버를 향해 한 층씩 내려가고 파트가 완성될 때까지 층마다 프로세스가 반복됩니다.

2. 냉각: 프린트 이후 빌드 챔버에서 최적의 기계적 성질을 얻고 파트가 뒤틀리지 않게 하려면 프린트 인클로저 내부와 프린터 외부를 가볍게 식혀야 합니다.

3. 후처리 과정: 프린트가 끝난 파트는 빌드 챔버에서 떼어내 꺼낸 후 파트에 묻어 있는 여분의 분말을 제거해야 합니다. 분말은 재사용할 수 있으며 프린팅을 마친 파트는 미디어 블라스팅 또는 미디어 텀블링으로 후처리할 수 있습니다.

더 자세한 워크플로는 아래의 “SLS 3D 프린팅 워크플로" 섹션을 참고해 주세요.

프린팅을 진행하는 동안 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 따라서, SLS는 내부에 특징적 구조가 있는 형태, 언더컷 형태, 박벽, 안쪽으로 함몰된 형태를 비롯하여 복잡한 형태를 프린트하는 데 이상적으로 사용할 수 있습니다.

SLS 3D 출력으로 생산된 파트는 기계적 특성이 우수하며 사출 성형 부품과 유사한 강도 또한 겸비하고 있습니다.

처음으로 등장한 적층 생산 기술 중 하나인 선택적 레이저 소결은1980년대 중반, 오스틴 텍사스 대학의 Carl Deckard 박사와 Joe Beaman 박사가 개발했습니다. 이 때부터 플라스틱, 메탈, 유리, 세라믹, 다양한 합성 소재 분말 등 소재를 사용하는 제조에 SLS 방식을 채택해왔습니다. 오늘날에는 이런 기술을 총칭해서 분말 베드 퓨전으로 분류하며 이는 열에너지로 분말 베드의 영역을 선택적으로 용융하는 적층 제조 공정입니다.

가장 일반적인 분말 베드 퓨전 3D 프린팅 시스템 두 가지는 일반적으로 SLS라고 부르는 플라스틱 기반 시스템과 다이렉트 메탈 레이저 소결(DMLS) 또는 선택적 레이저 소결(SLM)이라고 부르는 금속 기반 시스템이 있습니다. 최근까지는 플라스틱 및 메탈 분말 베드 퓨전 시스템이 상당히 고가이며 복잡하기까지해서 이들 시스템을 항공우주 산업용 부품 또는 의료 기기용 부품 같은 고가의 부품 또는 맞춤형 부품을 소량으로 생산하는 데만 사용했습니다.

그러다가 이 분야에서 급진적인 혁신이 이루어졌고 이제 플라스틱 기반 SLS는 광경화 수지 조형 방식(SLA)과 융합적층모델링 방식(FDM) 같은 다른 3D 프린팅 기술을 활용하여 접근성이 뛰어난 시스템을 폭넓게 채택할 준비가 되어있습니다.

선택적 레이저 소결 3D 프린터는 모두 이전 섹션에서 설명한 프로세스를 중심으로 생산됩니다. 이들은 주로 레이저 유형, 최대 빌드 볼륨 크기, 시스템의 복잡성에서 차이가 있습니다. 다양한 제품들이 온도 조절, 분말 분산, 적층에 각기 다른 솔루션을 사용하는 것입니다.

선택적 레이저 소결 방식에는 프린팅 프로세스 전반에 걸쳐 높은 수준의 정밀도와 엄격한 제어가 필요합니다. 예열, 소결 및 보관의 세 가지 단계를 거치는 내내 분말와 (제작 중인) 파트의 온도 변화를 2°C 이내로 제어하여 휨, 응력, 열 왜곡을 최소화해야 합니다.

선택적 레이저 소결은 전문 영역에서 수십 년간 가장 인기 있던 3D 프린팅 기술이었으나 해당 기술의 복잡성과 요구사항, 높은 가격 때문에 대행 업체와 대기업에서나 사용할 수 있었습니다.

이들 장비에는 특별히 HVAC와 산업용 전원이 필요하고 가장 작은 산업용 장비도 설치 공간이 최소 10 m²는 필요합니다. 장비를 준비하는 데는 여러 날이 소요되며 여기에는 현장 설치 및 교육도 포함됩니다. 워크플로가 복잡하고 학습 곡선은 가파는 것으로 보아 이 시스템을 작동하고 유지관리하는 데는 숙련된 사내 기술자가 필요하다는 점 또한 알 수 있습니다.

시작 가격인 $200,000로는 솔루션을 완전히 갖추고도 남겠지만, 기존 산업용 SLS에 접근하기가 쉽지 않았던 기업이 많습니다.

FDM 또는 SLA 같은 다른 3D 프린팅 기술과 마찬가지로 최근에 저가의 소형 SLS 시스템이 시장에 등장하기 시작했지만, 초기에는 이러한 솔루션으로 프린트한 파트의 품질이 좋지 않았고 후처리 솔루션이 부족하여 복잡한 수동 워크플로를 거치는 등 포기해야 하는 부분이 상당히 많았으므로 산업 및 생산 환경에서 제한적으로 사용해야 했습니다.

Formlabs Fuse 1는 이러한 한계를 뛰어넘어 비용은 기존의 산업용 SLS 시스템보다 훨씬 적게 들지만, 프린트 품질이 우수하며, 좁은 공간에도 설치할 수 있고, 부가적인 작업이 필요없도록 워크플로가 간소해져 최초의 벤치탑 산업용 SLS 3D 프린터라는 독자적인 범주를 만들었습니다. 이제 차세대 Fuse 1 + 30W는 더 강력해진 레이저, 향상된 분말 처리 기능, 새로운 소재를 사용한 산업 품질의 파트 생산, 방대한 처리량으로 그 범주를 넓히고 있습니다.

Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터에는 단일 레이저와 기존 방식보다 덜 가열해도 작동하는 작은 빌드 챔버를 채택했습니다. 에너지를 더 적게 소비하게 되어 특수 인프라 없이 표준 AC 전원으로 실행할 수 있습니다. Fuse 1+ 30W 프린터의 선택 사항인 질소 주입 기능을 이용하면 비활성 기체 환경을 조성하여 소결되지 않은 분말의 품질은 유지하면서 리프레시 비율(연속 빌드 시 새로운 분말보다 재활용 분말의 비율을 높임)을 낮춰 폐기물을 줄이고 표면 마감이 탁월한 소결 파트를 얻을 수 있습니다.

Fuse 시리즈 프린터는 또한 Surface Armor라는 특허 출원 중인 솔루션을 사용하는 것이 특징이며, 이는 프린트 시 파트 주변 영역을 균일하게 가열하여 우수한 표면 조도, 일관된 기계적 특성, 높은 신뢰성 및 더 나은 리프레시 비율을 보장해주는 반소결 쉘입니다.

Fuse 시리즈 프린터에는 파트 추출과 분말 회수, 보관과 혼합을 단일 독립형 장치에서 진행할 수 있는 Fuse Sift와 완전 자동화 청소 및 폴리싱 솔루션 Fuse Blast 또한 함께 제공해드려 다양한 기술이 밀집되어 있지만 정돈된 에코시스템을 형성하고 종단간에 분말을 처리할 수 있습니다.

종합적으로 Fuse 시리즈 프린터를 사용해 테이블 위에서 산업용 SLS 3D 파트를 프린팅하면 보급형인 기존 SLS 시스템에 비해 빌드 볼륨은 근소하게 작아지지만 설치 공간은 훨씬 더 좁아져서 워크플로를 간소화하고 비용을 절감할 수 있습니다.

Formlabs Fuse 벤치탑 산업용 SLS 시스템과 EOS 및 3D 시스템의 기존 산업용 SLS 시스템을 기반으로 비교했습니다.

SLS 3D 프린팅은 혁신을 가속하여 엔지니어링, 제조 및 의료 서비스를 포함한 다양한 산업 분야의 기업을 뒷받침해드립니다.

CAD 소프트웨어 또는 3D 스캔 데이터로 모델을 디자인하고 3D 프린팅이 가능한 파일 형식(STL, OBJ, 3MF 중 택 1)으로 내보냅니다. SLS 프린터에는 각각 프린팅 설정값과 모델의 방향을 지정하고 정렬하며, 프린트 시간 추산, 프린팅에 사용되는 디지털 모델의 레이어를 분할하는 소프트웨어와 미세 조정 프린트 설정이 포함되어 있습니다. 프린트 준비 소프트웨어의 설치를 완료하면, 소프트웨어가 무선 또는 유선 연결로 프린터에 지침을 전송합니다.

프린터 준비에 필요한 워크플로는 시스템에 따라 달라집니다. 기존 SLS 시스템에는 준비와 유지보수에 대부분 광범위한 교육과 도구, 물리적 노력이 필요합니다.

모듈식 구성 요소와 함께 단순성과 효율성을 위해 SLS 워크플로를 재해석했으므로 Fuse 시리즈 프린터를 이용하시면 논스톱 프린팅과 종단간 분말 처리가 가능합니다.

사전 프린트 확인 사항을 모두 확인하면 기계가 프린트를 준비합니다. SLS 방식으로 3D 프린팅하는 데는 파트의 크기, 복잡성, 파트 밀도에 따라 몇 시간에서 며칠까지 걸릴 수 있습니다. 고출력 레이저 덕분에 Fuse 1+ 30W 프린터에서 빌드 볼륨을 꽉 채운 분량도 일반적으로는 24시간 이내에 완료할 수 있습니다.

프린트가 완료되면, 다음 단계로 이동하기 전에 빌드 챔버를 프린트 인클로저 안에서 잠시 식혀야 합니다. 그렇게 한 다음에야 빌드 챔버를 꺼낸 후 새로운 챔버를 삽입하여 다른 파트를 프린트할 수 있습니다.

프린트 후, 최적의 기계적 물성을 얻고 파트가 뒤틀리는 것을 방지하려면 후처리 과정을 진행하기 전에 파트가 아직 들어 있는 빌드 챔버를 잠시 더 식혀야 합니다. 이 과정에 프린트 시간의 절반이 소요될 수 있습니다.

SLS 파트를 후처리하는 데는 다른 프린터를 이용한 3D 프린팅 과정에 비해 시간과 노동력이 적게 듭니다. 서포트 구조가 없으므로 대규모 작업이 쉽고 파트를 여러 번 프린트해도 일관성 있는 결과를 얻을 수 있습니다.

빌드 챔버가 식으면 완성된 파트를 꺼내 소결되지 않은 분말에서 추출할 수 있습니다. 이런 작업에 필요한 솔루션은 비교적 저렴한 수동 분말 회수 솔루션인 Fuse Depowdering Kit에서 파트와 미소결 분말에서 추출하는 것은 물론, 보관, 공급, 혼합 등을 처리할 수 있는 Fuse Sift 같은 올인원 분말 회수 스테이션까지 다양하게 선택할 수 있습니다.

파트를 꺼낸 후 남은 분말는 여과하여 비교적 큰 입자를 제거한 후 재활용할 수 있습니다. 용융되지 않은 분말는 고온 노출 시 다소 분해될 수 있어 후속 프린트 작업에 사용하려면 사용하지 않은 분말과 함게 재생 과정을 거쳐야 합니다. 후속 작업에 소재를 재사용할 수 있는 이러한 장점 덕분에 SLS 방식은 폐기물이 가장 적게 발생하는 제조 방식 중 하나가 되었습니다.

파트를 추출한 후 미디어 블라스팅은 SLS 3D 프린팅 파트에서 분말을 완전히 제거하고 분말 없는 매끄러운 마감을 얻는 데 필요한 중요한 단계입니다. 이 과정에서 미세 분말이 제거되고 프린팅을 마친 파트에서 반소결 Surface Armor를 제거할 수 있습니다.

시중에는 다양한 가격대의 수동 및 자동 블라스팅 솔루션이 있습니다. Formlabs의 Fuse Blast는 프린터에 구애받지 않으며 최초의 저렴하고 자동화된 미디어 블래스팅 솔루션입니다. Fuse 시리즈 SLS 에코시스템을 완성하거나 다른 유형의 분말 베드 융합 3D 프린터에도 사용할 수 있습니다.

미디어 블라스팅은 또한 SLS 워크플로에서 가장 시간 소모적이고 물리적으로 까다로운 부분을 크게 줄일 수 있습니다.

Fuse Blast의 옵션으로 폴리싱 시스템을 업그레이드하면 올인원 시스템으로 청소를 넘어 표면 마감까지 처리할 수 있습니다. Fuse Blast로 폴리싱한 파트는 분말이 남아 있지 않을 뿐만 아니라 매끄럽고 긁힘 방지 처리가 되어 있으며 전문적인 반광택 마감 처리가 된 것과 같습니다. 그리고 이 모든 과정을 단 15분 만에 완료합니다. 연마재 비즈가 SLS 파트에 전형적으로 남는 거친 느낌을 효과적으로 분쇄하여 표면이 매끄러워지고 미세 구멍이 사라집니다.

엔지니어와 제조업체가 선택적 레이저 소결을 선택하게 되는 요인은 자유로운 설계, 높은 생산성과 처리량, 파트당 실용적인 비용, 검증된 소재를 최종품에 사용할 수 있는 점입니다.

광경화 수지 조형 방식(SLA) 및 융합적층모델 방식(FDM)과 같은 적층 제조 공정으로 돌출된 형상을 포함한 디자인을 제작하려면 특수한 서포트 구조가 필요합니다.

선택적 레이저 소결의 경우, 소결되지 않은 분말이 프린팅 작업 내내 파트를 둘러싸고 있기 때문에 서포트 구조가 필요하지 않습니다. SLS 프린팅을 이용하면 맞물리거나 움직이는 파트, 내부에 구성 요소 또는 채널이 있는 파트, 기타 매우 복잡한 디자인처럼 이전에는 불가능했던 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.

엔지니어는 일반적으로 최종 생산 프로세스를 염두에 두고 파트를 설계하며 이는 제조 특화 설계(DFM)로 알려져 있습니다. 적층 제조를 프로토타이핑에만 사용하는 경우, 기존 제조 도구를 이용한 생산 과정에서 궁극적으로 반복 생산이 가능한 파트와 디자인만 프로토타이핑할 수 있습니다.

최종품 분야에서 신속하게 실행 가능한 제조 방법으로 선택적 레이저 소결을 채택하는 사례가 점점 늘어나는 것으로 보아, 이 기술에는 설계 및 엔지니어링에 대한 새로운 가능성을 열어줄 잠재력이 있습니다. SLS 3D 프린터를 이용하면 기존 공정으로는 제조가 불가능하거나 엄청난 비용이 발생해서 시도하지 못했던 난해한 형상을 만들 수 있습니다. 또한 설계자는 SLS 덕분에 일반적으로 여러 개의 파트가 필요한 복잡한 조립체를 단일 파트로 통합하여 디자인할 수도 있습니다. 이렇게 하면 연결 부위가 약해질 가능성을 덜고 조립 시간을 줄이는 데 도움이 됩니다.

생성적 디자인(제너레이티브 디자인, generative design) 분야는 선택적 레이저 소결 덕분에 기존 방법으로는 제작할 수 없었던 복잡한 격자 구조를 경량 설계할 수 있어 그 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다.

SLS 프린팅은 기능과 내구성을 모두 갖춘 프로토타입과 최종 사용 부품을 제작하는 데 사용할 수 있는 가장 빠른 적층 생산 기술입니다. 분말을 녹이는 레이저는 스캔 속도가 훨씬 빨라 산업용 FDM과 같은 타 공정에 사용되는 레이어 적층 방식보다 정확도가 높습니다.

여러 파트를 조밀하게 배열하여 프린트할 수 있어 가용 빌드 공간을 최대화합니다. 작업자는 소프트웨어를 사용해 각 빌드를 최적화하여 생산성을 극대화하고 최소한의 간격으로 파트를 배열할 수 있습니다.

SLS 3D 프린팅의 기능성과 다양성의 핵심은 소재입니다. 나일론, 나일론 복합재, TPU는 검증받은 고품질 열가소성 플라스틱입니다.레이저로 소결한 나일론 파트는 사출 성형 같은 기존 제조 방식으로 제조된 파트에 필적할 만큼 기계적 특성이 우수하며 밀도는 100%에 가깝습니다.

SLS 나일론과 폴리프로필렌은 일반적으로 사용하는 사출 성형 플라스틱을 대체할 수 있는 훌륭한 대체재입니다. SLS 나일론과 폴리프로필렌으로 프린트한 파트는 스냅핏과 기계적 연결 부위가 타 적층 제조 기술로 프린트한 것에 비해 월등히 우수합니다. 다른 적층 제조 방식으로 생산된 파트는 시간 변화에 따라 성능이 저하되고 부서지기 쉬운 상태가 되는 데 반해 SLS 나일론과 폴리프로필렌은 내구성이 좋으므로 오래가는 플라스틱 파트가 필요한 기능적 활용 분야에 제격입니다.

SLS TPU는 전통적인 성형 워크플로를 대체할 훌륭한 대안이 될 수 있으며 기타 3D 프린팅 방식으로 인성이 우수하고 내구성이 좋은 유연한 파트를 생산할 때 사용할 수 있는 탁월한 솔루션이 될 수 있습니다. 신속 프로토타이핑, 주문형 제조 보조 도구, 맞춤형 또는 소량 최종 사용 파트를 제작하기에 좋습니다.

파트당 비용을 계산할 때는 일반적으로 장비 보유 여부, 소재, 인건비를 고려해야 합니다.

• 장비 보유 여부: 기계의 사용 수명 기간에 생산할 수 있는 파트가 많을수록 각 개별 파트의 생산비는 저렴해집니다. 결국, 생산성이 높아지면 파트당 장비 보유 비용이 낮아집니다. 레이저 스캔 속도가 빠르고, 파트를 효율적으로 배열해 빌드 용량을 극대화할 수 있으며, 후처리가 간단한 점을 고려한다면, SLS 3D 프린팅은 모든 플라스틱 적층 제조 기술 가운데 생산성과 처리량이 가장 우수합니다.

• 소재: 3D 프린팅 기술은 대부분 독점 소재를 사용하는 반면, 나일론은 산업 목적으로 대량으로 생산되는 일반적인 열가소성 플라스틱이며, 적층 제조에 있어 가장 저렴한 원자재 중 하나입니다. SLS 3D 프린팅에는 서포트 구조가 필요하지 않으며, 재활용 분말로 프린트할 수 있으므로 프로세스를 거치는 동안 최소한의 폐기물만 생성됩니다.

• 인건비: 인건비는 다수의 3D 프린팅 솔루션에 존재하는 아킬레스 건입니다. 프로세스의 워크플로가 복잡해서 대개는 자동화하기 어렵기 때문에 파트당 비용에 영향을 미칠 가능성이 상당히 큽니다. SLS 프린팅은 후처리 워크플로가 간단하여 노동력이 적게 필요하고, 이는 프로세스 확장이 용이함을 의미합니다.

SLS 3D 프린터를 사용하려면 초기에 상당히 많은 자본을 투자해야 하지만, 통상적으로 소형 장비보다 훨씬 빨리 초기 투자를 회수할 수 있습니다. 벤치탑 SLS를 이용하시면 이러한 진입장벽과 심지어 대부분의 응용 분야에서 액면 단가 또한 크게 낮출 수 있습니다.

사업에서 3D 프린팅의 활용 빈도가 낮을 때는 생산을 대행 업체에 아웃소싱하도록 권장할 수 있으나 이는 비용이 많이 들고 리드 타임도 길어집니다. 3D 프린팅의 가장 큰 장점 가운데 하나는 기존 제조 방식에 비해 속도가 빠르다는 점입니다. 파트를 아웃소싱하게 되면, 도착까지 한 주 또는 몇 주가 걸리게 되고 생산 속도는 급격하게 느려집니다. 

선택적 레이저 소결을 이용하면 설계 주기 초기에는 엔지니어가 파트를 프로토타입으로 사용하고 이후에는 동일한 기계와 소재로 최종 제품을 생산할 수 있습니다. SLS 3D 프린팅에는 기존 제조 방법에 필요한 것처럼 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 툴링이 필요하지 않아, 부품 및 조립체를 프로토타입으로 만들어 단 며칠만에 테스트하고 쉽게 수정할 수 있습니다. 이렇게 해서 제품 개발 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

파트당 비용이 저렴하고 내구성이 갖춰진 소재를 사용하는 점을 고려해볼 때, SLS 프린팅은 복잡한 맞춤형 파트 또는 최종 제품에 사용되는 일련의 작은 구성 요소들을 경제적으로 생산할 수 있는 방법입니다. 가동이 제한된 경우나 브리지 제조에 사용되는 사출 성형을 대체할 수 있고 비용 면에서 효율성을 갖춘 대안은 레이저 소결이라는 사실을 많은 사례에서 알 수 있습니다.

지금까지는 산업용 SLS 3D 프린터 한 대를 도입하는 데 $200,000 이상의 비용이 들었기 때문에 기업이 대체로 쉽게 접근하지 못했습니다.

Formlabs은 Fuse 1+ 30W를 선보이며 선택적 레이저 소결의 산업적 저력을 벤치탑으로 불러와 고성능 재료는 파트당 가장 저렴한 비용으로, 컴팩트한 설치 공간과 간단한 워크플로까지 더하여 제공해드리고자 합니다.

이제 Fuse 1+ 30W에서 독립적인 제작과 프로토타이핑이라는 새로운 파도가 밀려오고 있습니다.