레이저 적층 제조 기술은 레이저를 열원으로 사용하고 레이저의 고에너지 빔 집속 효과를 이용해 금속 분말을 빠르게 녹이는 제조 방식입니다.
레이저의 높은 에너지 밀도로 인해 항공 우주 등에 사용되는 티타늄 합금 및 고온 합금과 같이 기계 가공이 어려운 금속의 제조를 실현할 수 있습니다. 또한 레이저 적층 제조 기술은 부품의 구조에 제한을 받지 않는다는 장점이 있어 복잡한 구조, 까다로운 가공 및 얇은 벽의 부품을 가공하고 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
현재 레이저 적층 제조 기술은 티타늄 합금, 고온 합금, 철 기반 합금, 알루미늄 합금, 내화 합금, 비정질 합금, 세라믹 및 그라데이션 재료 등을 포함하는 재료에 적용되고 있습니다. 항공우주 분야의 고성능 복합 부품과 바이오 제조 분야의 다공성 복합 구조물 제조에 상당한 이점이 있습니다.
레이저를 열원으로 사용하는 적층 제조 기술은 크게 분말 공급을 기반으로 하는 레이저 증착 공정과 분말 확산을 기반으로 하는 레이저 선택 영역 용융 기술로 나뉩니다.
단위의 이름이 다르기 때문에 분말 공급 기반 레이저 용융 증착 기술은 직접 에너지 증착, DED, 레이저 고체 성형, LSF, 직접 금속 증착, DMD, 레이저 용융 증착, LMD 등으로도 알려져 있습니다. 이름에 관계없이 원칙은 금속 분말을 원료로 사용하고 고 에너지 레이저를 에너지원으로 사용하여 미리 정해진 처리 경로에 따라 층별 용융, 급속 응고 및 층별 증착에 의해 주어진 금속 분말의 동기화를 통해 금속 부품의 직접 제조를 달성하기 위해 신속한 프로토 타이핑의 기본 원리를 사용하는 것입니다.
일반적으로 레이저 금속 성형 시스템 플랫폼은 아래 그림과 같이 레이저, CNC 테이블, 분말 공급 노즐, 고정밀 조정 가능한 분말 공급기 및 기타 보조 장치로 구성됩니다. 패턴 준비 공정에 사용할 수 있는 레이저는 주로 빔 패턴에 따라 반도체 연속 레이저, 파이버 연속 레이저, CO2 연속 레이저 및 YAG:Nd 펄스 레이저로 나뉩니다. 노즐의 배치에 따라 주로 동축 분말 공급 노즐 그룹과 측면 분말 공급 노즐로 나뉩니다.
레이저 선택적 용융 기술은 고휘도 레이저를 사용하여 바인더 없이 금속 분말 재료를 직접 녹여 3D 모델을 단조와 비슷한 성능으로 복잡한 구조 부품으로 직접 성형하고 부품은 표면 마감만 하면 사용할 수 있습니다. 주요 레이저 적층 기술로는 선택적 레이저 용융(SLM), 분말 베드 증착 공정 등이 있습니다.
레이저 구역 용융의 기본 원리는 레이저 빔이 미리 계획된 경로에 따라 스캔되어 미리 놓인 금속 분말을 녹이고, 일정 수준의 스캔을 완료 한 후 작업 챔버가 높이 층을 떨어 뜨리고 분말 층이 분말 층을 다시 놓는 등의 작업을 반복하여 필요한 금속 부품이 제조 될 때까지 층별로 전체 공정이 진공 환경에있어 공기 중 유해한 불순물의 영향을 효과적으로 피할 수 있다는 것입니다.
레이저 선택적 용융 공정은 중간 전이를 거치지 않고 최종 금속 제품으로 직접 만들 수 있습니다. 준비된 부품은 치수 정확도가 높고 표면 거칠기 (Ra 10 ~ 30μm)가 우수하여 다양한 복잡한 모양의 공작물, 특히 복잡한 내부 형상 구조를 가진 복잡한 공작물에 적합합니다. 전통적인 방법으로는 제조 할 수 없으며 금형없이 단일 및 소량 배치 복잡한 구조 부품에 적합, 신속한 기계는 금형없이 단일 부품 및 소량 복잡한 구조 부품에 적합하며 신속한 응답 제조에 적합합니다.
Additional FAQs: Laser Additive Manufacturing Technology
1) What are the main differences between Laser Powder Bed Fusion (LPBF/SLM) and Directed Energy Deposition (DED)?
- LPBF uses a powder bed and fine lasers to achieve high resolution and surface finish; best for complex, small-to-medium parts. DED feeds powder (or wire) into a laser melt pool; excels at larger parts, repairs, feature addition, and graded materials with higher deposition rates.
2) Which lasers are most common and how do they affect build quality?
- Fiber lasers (1070 nm) dominate for LPBF due to beam quality (M² ~1.1–1.5) and efficiency; high-power multimode fiber lasers (1–2 kW+) are common for DED. Shorter wavelengths (green, 515–532 nm) increasingly used for reflective metals like copper and precious alloys to improve absorptivity and reduce spatter.
3) How should powder specifications be chosen for laser additive manufacturing technology?
- Prefer spherical, gas/plasma-atomized powders with tight PSD: LPBF typically 15–45 µm; DED 45–150 µm. Control oxygen/nitrogen (e.g., Ti O ≤ 0.15–0.20 wt%, Al N ≤ 0.02 wt%), low satellites, high flowability, and consistent apparent/tap density to ensure repeatable melt behavior.
4) What post-processing is usually required to meet end-use properties?
- Stress relief and/or solution/aging heat treatments per alloy (e.g., IN718: solution + two-step age), Hot Isostatic Pressing (HIP) for defect closure, machining of interfaces, and surface finishing (blasting, chemical/electropolishing). NDT (CT, dye penetrant) is common for critical parts.
5) How do I minimize defects like porosity and lack-of-fusion?
- Calibrate volumetric energy density (ED = P/(v·h·t)), maintain dry/inert environments (O2 < 1000 ppm LPBF), optimize scan strategies (stripe/island, contour passes), ensure uniform powder spreading, and monitor recoater/optics health. For DED, maintain stable powder flow and coaxiality.
2025 Industry Trends: Laser Additive Manufacturing Technology
- Multi-laser LPBF mainstream: 8–12 laser systems become common, improving throughput 1.5–2.5× with advanced scan partitioning and interference mitigation.
- Green/blue laser adoption grows for copper, precious metals, and electronics heat spreaders, improving density and conductivity.
- Qualification momentum: More AMS/ASTM material allowables and OEM process specs for AlSi10Mg, Sc-modified Al, CuCrZr, IN718/625, and maraging steels.
- Closed-loop control: In-situ photodiodes, coaxial cameras, pyrometry, and melt-pool analytics enable adaptive parameter tuning and traceable quality records.
- Sustainability: Powder recycling programs and inert gas recirculation reduce consumables cost and footprint; recycled polymer and metal blends expand where certification allows.
2025 Snapshot: Performance, Cost, Adoption (Indicative)
| Metric | LPBF (2023) | LPBF (2025 YTD) | DED (2023) | DED (2025 YTD) | 참고 |
|---|---|---|---|---|---|
| Typical build rate (Ti-6Al-4V) | 20–40 cm³/h per laser | 30–55 cm³/h per laser | 50–150 cm³/h | 80–220 cm³/h | Multi-laser + path optimization |
| Feature size (min wall) | 150–300 µm | 120–250 µm | 800–1500 µm | 600–1200 µm | Optics + scan tuning |
| As-built density (optimized) | 99.5–99.9% | 99.7–99.95% | 98.5–99.5% | 99.0–99.6% | Process window tightening |
| System price (new) | $400k–$1.2M | $450k–$1.5M | $500k–$2.5M | $600k–$3.0M | Larger platforms lift cap |
| Qualified alloys (commercial) | ~45–50 | ~60+ | ~20–25 | ~30+ | New Al, Cu, tool steels |
| Gas/O2 spec (LPBF chamber) | 1000 ppm | <500 ppm typical | N/A | N/A | Better gas management |
Sources:
- ASTM/ISO AM standards updates: https://www.astm.org, https://www.iso.org
- OEM technical notes (EOS, SLM Solutions, Trumpf, Renishaw, DMG MORI)
- NIST AM-Bench and melt pool monitoring research: https://www.nist.gov/ambench
- ContextAM/Wohlers market trackers (industry reports)
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Conductivity Copper Heat Exchangers via Green-Laser LPBF (2025)
Background: An EV OEM targeted improved thermal management for power electronics.
Solution: Deployed 515 nm green-laser LPBF with CuCrZr powder (15–35 µm), optimized hatch and contour strategies; applied precipitation hardening post-build.
Results: 99.9% density, electrical conductivity 90–94% IACS, 23% lower junction temperatures vs. machined baseline, cycle time reduced 28% using dual-laser toolpaths.
Case Study 2: Hybrid DED Repair of IN718 Turbine Seals (2024)
Background: An MRO provider sought life extension for worn seal segments.
Solution: Used high-power fiber-laser DED with argon shielding and IN718 powder (53–106 µm); implemented inline coaxial monitoring and closed-loop powder flow control; post H900 aging.
Results: Dimensional restoration within ±0.15 mm, repaired parts passed fluorescent penetrant and CT; low-cycle fatigue life improved 18% over prior weld-repair method, cost per repair down 22%.
Expert Opinions
- Dr. Todd Palmer, Professor of Engineering Science and Mechanics, Penn State
- “Beam shaping and real-time control are closing the gap between as-built and wrought properties, especially for reflective alloys in laser additive manufacturing technology.”
- Dr. Ellen Cerreta, Division Leader, Materials Science and Technology, Los Alamos National Laboratory
- “Qualification hinges on microstructure control—laser scan strategies that stabilize grain structure and defect populations are proving as important as alloy chemistry.”
- Stefan Zeidler, Head of AM Solutions, TRUMPF
- “In 2025, productivity gains come from smarter multi-laser coordination and automated powder/gas management as much as from raw laser power.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52900 (terminology), 52907 (metal powder specs), 52904 (LPBF process), 52910 (design guidelines). https://www.iso.org
- ASTM F2924 (Ti-6Al-4V), F3055 (IN718), A1085/AMS specs for AM alloys. https://www.astm.org
- NIST resources on in-situ sensing and qualification for LPBF/DED. https://www.nist.gov/ambench
- OEM application libraries: EOS, SLM Solutions, Renishaw, Trumpf, DMG MORI (process parameters, case studies)
- Senvol Database for machine–material–process mapping. https://senvol.com
- OSHA/NIOSH guidance on laser safety, metal powders, and ventilation. https://www.osha.gov, https://www.cdc.gov/niosh
- MatWeb and Granta EduPack for material datasheets and comparisons. https://www.matweb.com
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 FAQs specific to LPBF/DED; included 2025 trend table with performance/cost metrics; provided two recent case studies; compiled expert opinions; curated tools/resources with standards and databases
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if major LPBF/DED standard updates publish, multi-laser coordination breakthroughs are announced, or reflective metal (Cu/Ag/Au) process windows materially change
