선택적 레이저 용융(SLM)은 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 또는 레이저 분말 베드 용융(LPBF)이라고도 하며 적층 제조에 사용되는 분말 베드 용융 기술입니다. SLM은 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 융합하고 녹여 완전히 밀도가 높은 3D 물체를 층별로 제작합니다.
SLM은 전통적으로 제조된 금속 부품과 비슷한 기계적 특성을 가진 복잡한 형상을 제작할 수 있어 가장 널리 사용되는 금속 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 이 종합 가이드에서는 SLM 기술, 응용 분야, 재료, 장비 공급업체, 시작하기 위한 팁에 대한 개요를 제공합니다.
개요 SLM 적층 제조
SLM은 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹여 융합하는 파우더 베드 융합 3D 프린팅 프로세스입니다. SLM의 작동 방식에 대한 개요입니다:
SLM 적층 제조 공정 개요
| 프로세스 단계 | 설명 |
|---|---|
| 3D 모델 생성 | 원하는 부품의 CAD 모델이 생성되고 STL 파일로 변환됩니다. |
| 슬라이싱 | 슬라이싱 소프트웨어는 STL 파일을 레이어로 분할하여 프린터에 대한 빌드 지침을 생성합니다. |
| 파우더 스프레딩 | 리코팅 블레이드는 빌드 플레이트 전체에 얇은 금속 분말 층을 펼칩니다. |
| 레이저 스캐닝 | 고출력 레이저가 각 층의 패턴에 있는 파우더 입자를 녹이고 융합하여 아래 층에 접착합니다. |
| 로우 빌드 플랫폼 | 빌드 플랫폼이 낮아지고 그 위에 새로운 파우더 층이 펼쳐집니다. |
| 반복 레이어링 | 전체 부품이 레이어별로 구축될 때까지 단계를 반복합니다. |
| 부품 제거 | 용융되지 않은 파우더가 제거되어 완성된 3D 프린팅 부품이 드러납니다. |
| 후처리 | 부품은 샌딩, 연마, 열처리와 같은 추가 마감이 필요할 수 있습니다. |
SLM 적층 제조의 몇 가지 주요 장점은 다음과 같습니다:
- 기존 방법으로는 불가능했던 매우 복잡한 형상을 제작할 수 있습니다.
- 파우더를 재사용할 수 있어 재료 낭비를 최소화합니다.
- 통합 어셈블리와 경량 구조물을 하나의 부품으로 인쇄할 수 있습니다.
- 맞춤형 툴링 및 고정 장치의 필요성을 줄여 시장 출시 시간을 단축합니다.
- 제너레이티브 설계를 통해 부품을 맞춤화하고 최적의 성능을 발휘하도록 설계할 수 있습니다.
- 디지털 인벤토리 &8211; 부품은 필요에 따라 온디맨드 방식으로 인쇄할 수 있습니다.
- 높은 치수 정확도와 반복성.
항공우주, 의료, 자동차 등의 산업에 종사하는 기업은 SLM을 통해 전통적으로 제조된 금속 부품을 충족하거나 그 이상의 기계적 특성을 가진 금속 부품을 생산할 수 있습니다.
SLM 자료
다양한 금속과 금속 합금을 선택적 레이저 용융을 사용하여 가공할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 SLM 재료는 다음과 같습니다:
SLM 자료 개요
| 재료 | 주요 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|
| 스테인리스 스틸(316L, 17-4PH) | 고강도, 내식성 | 항공우주, 자동차, 의료 |
| 알루미늄 합금(AlSi10Mg, AlSi7Mg) | 가볍고 튼튼한 | 항공우주, 자동차 |
| 티타늄 합금(Ti6Al4V, TiAl) | 가볍고 생체 적합성 | 항공우주, 의료 |
| 코발트-크롬(CoCr) | 생체 적합성, 고경도 | 치과, 의료용 임플란트 |
| 니켈 합금(인코넬) | 내열성, 고강도 | 항공우주, 자동차 |
| 공구강 | 높은 경도, 내마모성 | 툴링, 금형 |
무게 대비 강도, 내식성 및 비용으로 인해 가장 널리 사용되는 SLM 소재는 알루미늄입니다. 티타늄은 생체 적합성과 높은 강도가 중요한 항공우주 및 의료 분야에 널리 사용됩니다.
입자 크기가 10~45미크론인 다양한 금속 분말을 사용할 수 있습니다. 일반적으로 분말이 미세할수록 해상도와 정확도가 높아집니다. 파우더 입자는 일반적으로 구형으로 제작 과정에서 최적의 유동성과 조밀한 패킹을 위해 구형으로 제작됩니다.
SLM 부품 정확도 및 표면 마감
SLM은 다양한 최종 사용 분야에 적합한 높은 정확도와 표면 마감으로 부품을 생산할 수 있습니다. 다음은 SLM 부품 속성에 대한 몇 가지 일반적인 값입니다:
SLM 정확도 및 표면 마감
| 속성 | 일반적인 값 |
|---|---|
| 치수 정확도 | 0.1-0.2%, ± 0.03-0.05mm 허용 오차 ± 0.1-0.2% |
| 해상도 | 20-100 미크론 |
| 표면 거칠기(준공 시) | Ra 10-25 미크론, Rz 50-100 미크론 |
| 다공성 | 거의 완전 밀도(99%) |
| 기계적 특성 | 전통적으로 제조된 부품과 일치 가능 |
정확도는 레이저 빔 직경, 파우더 크기, 레이어 두께와 같은 요소의 영향을 받습니다. 층이 얇을수록(20~50미크론) 더 높은 정확도와 세밀한 디테일을 구현할 수 있습니다.
SLM의 준공 시 표면 거칠기는 상대적으로 높습니다. 샌딩, 폴리싱, 샷 피닝, 코팅 등 다양한 마감 기법을 사용하여 표면 마감을 개선할 수 있습니다.
SLM 설계 가이드라인
SLM 적층 제조를 성공적으로 활용하려면 공정의 한계를 염두에 두고 부품을 설계해야 합니다. 다음은 몇 가지 주요 SLM 설계 가이드라인입니다:
SLM 설계 가이드라인
| 디자인 고려 사항 | 가이드라인 |
|---|---|
| 오버행 | 45°보다 큰 돌출부는 지지대가 필요할 수 있습니다. |
| 벽 두께 | 최소 벽 두께는 ~0.3~0.5mm를 권장합니다. |
| 구멍/개구부 | 원형 구멍의 경우 최소 직경은 ~1mm입니다. 물방울 모양의 구멍을 고려합니다. |
| 허용 오차 | 고정밀 애플리케이션을 위해 +/- 0.1-0.2mm의 허용 오차로 설계되었습니다. |
| 표면 마감 | 높은 표면 마감이 필요한 경우 후처리를 고려하세요. |
| 지원 | 자체 지지 각도를 사용하거나 방향을 최적화하여 지지대를 최소화합니다. |
| 텍스트 | 텍스트 높이 최소 1mm, 얇게 튀어나온 텍스트는 피하세요. |
| 가이드 공유 | 최소 지지대, 오버행, 빌드 시간을 최적화합니다. |
DfAM(적층 제조를 위한 설계) 원칙을 따르면 SLM의 설계 자유도를 극대화하고 감산 방식으로는 불가능했던 고도로 최적화된 부품을 생산할 수 있습니다.
SLM 애플리케이션
SLM의 기능은 다음을 포함한 광범위한 산업 분야의 금속 부품 및 프로토타입 생산에 적합합니다:
SLM의 주요 애플리케이션
| 산업 | 애플리케이션 | 구성 요소 |
|---|---|---|
| 항공우주 | 항공기 부품, 엔진 | 터빈 블레이드, 로켓 노즐, 열교환기 |
| 의료 | 치과 수복물, 임플란트 | 크라운, 브릿지, 정형외과 임플란트 |
| 자동차 | 성능 부품, 맞춤형 디자인 | 경량 섀시, 맞춤형 알루미늄 부품 |
| 툴링 | 사출 금형, 주조 패턴 | 금형용 컨포멀 냉각 채널 |
| 소비자 | 맞춤형 제품 | 보석, 가제트, 장식 예술품 |
| 방어 | 복잡한 무기 시스템 | 경량 총기 수신기 |
경량화, 부품 통합, 대량 맞춤화, 신속한 프로토타이핑, 성능 개선과 같은 이점은 이러한 산업 전반에 걸쳐 SLM을 매력적으로 만듭니다. 또한 금속 첨가제는 새로운 차원의 설계 복잡성과 최적화를 가능하게 합니다.
SLM 장비 개요
SLM 기계는 레이저를 사용하여 3D 모델을 기반으로 금속 분말을 층별로 선택적으로 용융합니다. 다음은 최신 SLM 시스템의 주요 구성 요소와 기능 중 일부입니다:
SLM 머신 구성 요소
| 구성 요소 | 설명 |
|---|---|
| 레이저 소스 | 파장이 1μm 내외인 최대 500W의 파이버 레이저가 일반적입니다. 분말을 녹이는 데 에너지를 제공합니다. |
| 스캐닝 시스템 | 레이저 움직임을 제어하는 고속 검류계 미러 또는 스캐닝 어레이. |
| 파우더 베드 | 레이어가 적용됨에 따라 빌드 플랫폼이 낮아집니다. 리코터 블레이드 또는 파우더 디스펜서로 파우더를 펼칩니다. |
| 파우더 공급 | 빌드 영역에 공급하기 위한 통합 파우더 공급 용기 및 밸브. |
| 불활성 가스 흐름 | 산화를 방지하기 위한 아르곤 또는 질소 분위기. |
| 컨트롤 | 모델 준비 및 슬라이스, 파라미터 선택, 시스템 제어를 위한 소프트웨어입니다. |
| 후처리 | 분말 회수, 체질, 부품 세척 장비가 포함될 수 있습니다. |
SLM 장비 기능
| 매개변수 | 일반적인 범위 |
|---|---|
| 봉투 만들기 | 100-500mm x 100-500mm x 100-500mm |
| 레이어 두께 | 20-100 μm |
| 레이저 스팟 크기 | 50-120 μm |
| 스캔 속도 | 최대 10m/s |
| 최소 피처 크기 | 150-300 μm |
| 자료 | 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 인코넬 등 |
고급 SLM 장비는 더 큰 제작량, 더 빠른 제작을 위한 더 높은 레이저 출력, 멀티 레이저 기능과 같은 기능을 제공합니다. 사무실 크기의 데스크톱 프린터부터 대규모 생산 시스템에 이르기까지 다양한 공급업체에서 기계를 제공합니다.
SLM 후처리
SLM으로 인쇄한 금속 부품은 원하는 마감과 특성을 얻기 위해 후처리가 필요한 경우가 많습니다. 몇 가지 일반적인 후처리 단계는 다음과 같습니다:
SLM 후처리
| 프로세스 | 설명 |
|---|---|
| 지원 제거 | 파트에서 서포트 구조 제거하기. |
| 열 스트레스 완화 | 빌드 과정에서 발생하는 잔류 응력을 완화하기 위한 열처리. |
| 표면 마감 | 샌딩, 연마, 연마, 샷 피닝을 통해 표면 마감을 개선합니다. |
| 열간 등방성 프레스 | 높은 온도와 압력을 가하여 밀도를 높이고 특성을 향상시킵니다. |
| 가공 | 고정밀 피처 또는 표면을 위한 기존 CNC 가공. |
| 코팅 | 마모, 부식 등을 방지하기 위해 특수 코팅을 적용합니다. |
구체적인 후처리는 재료, 최종 사용 요구 사항 및 원하는 특성에 따라 다릅니다. 필요에 따라 어닐링과 같은 공정을 수행하여 미세 구조와 기계적 거동을 수정할 수도 있습니다.
SLM 공급업체를 선택하는 방법
기술을 도입할 때는 올바른 SLM 공급업체를 선택하는 것이 중요합니다. 다음은 SLM 장비 공급업체를 선택할 때 고려해야 할 주요 사항입니다:
SLM 공급업체 선택
| 고려 사항 | 세부 정보 |
|---|---|
| 봉투 만들기 | 파트 크기 요구 사항에 맞게 제작 용량을 조정합니다. 장비가 클수록 초기 비용이 더 많이 듭니다. |
| 자료 | 기계가 스테인리스 스틸, 티타늄 등과 같이 인쇄하려는 재료를 제공하는지 확인합니다. |
| 정확도/표면 마감 | 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있는 기술을 선택하세요. 후처리가 필요할 수 있습니다. |
| 프로덕션과 프로토타이핑 | 프로토타이핑을 위한 저렴한 데스크톱 모델. 제조를 위한 대규모 생산 시스템. |
| 매개변수/제어 | 사용 가능한 빌드 파라미터, 머티리얼 프로필 및 소프트웨어 기능을 검토합니다. |
| 교육 및 지원 | 교육 프로그램과 신속한 기술 지원을 찾아보세요. |
| 후처리 장비 | 분말 회수, 표면 마감, 열처리를 위한 장비에 투자해야 합니다. |
| 소프트웨어 에코시스템 | 파일 준비, 프로세스 시뮬레이션, MES 소프트웨어 통합을 위한 기능을 평가합니다. |
| 규정 준수 및 인증 | 항공우주, 의료, 자동차 등 규제가 엄격한 분야에 중요합니다. |
SLM 공급업체와 협력하여 특정 생산 및 부품 요구 사항에 맞는 적합한 장비를 선택하세요. 많은 공급업체가 품질 및 재료 특성을 평가할 수 있는 샘플 부품을 제공합니다.
SLM 장비 공급업체 및 비용
금속 적층 제조용 SLM 시스템을 제공하는 다양한 장비 공급업체가 있습니다. 다음은 주요 SLM 공급업체의 개요와 대략적인 시스템 가격입니다:
SLM 공급업체
| 공급업체 | 샘플 시스템 | 대략적인 비용 |
|---|---|---|
| EOS | EOS M290, EOS M400 | $500,000 – $1,500,000 |
| SLM 솔루션 | SLM®500, SLM®800 | $400,000 – $1,000,000 |
| 3D Systems | DMP Factory 500 | $500,000 – $800,000 |
| GE 애디티브 | 컨셉 레이저 M2 시리즈 5 | $700,000 – $1,200,000 |
| Renishaw | RenAM 500M | $500,000 – $750,000 |
데스크톱 SLM 시스템
| 공급업체 | 샘플 시스템 | 대략적인 비용 |
|---|---|---|
| 마크포지드 | Metal X | $100,000 – $200,000 |
| 데스크톱 메탈 | 스튜디오 시스템 2 | $120,000 – $200,000 |
| 추가 | FormUp 350 | $100,000 – $300,000 |
소량 생산, 프로토타이핑이 필요하거나 예산이 제한적인 경우 데스크톱 SLM 시스템은 $100,000 미만부터 사용할 수 있습니다. 대규모 생산 시스템은 40만 달러에서 100만 달러 이상까지 다양합니다.
SLM 프린터 설치 및 운영
SLM 프린터를 설치하고 작동하려면 다음과 같은 몇 가지 주요 요구 사항이 있습니다:
SLM 프린터 설치 및 작동
| 고려 사항 | 세부 정보 |
|---|---|
| 공간 | 장비 설치 공간이 넓습니다. 파우더 처리, 후처리를 위한 공간을 확보합니다. |
| 전원 | 220V-480V 전기 공급이 필요하며 냉각을 위해 냉각기가 필요할 수 있습니다. |
| 불활성 가스 | 백업 탱크를 통한 질소 또는 아르곤 공급. |
| 환기 | 프로세스 배출 가스를 배출하는 연기 추출 시스템. |
| 직원 배치 | 파일 준비, 빌드 설정, 파우더 취급에 대한 교육을 받은 운영자. |
| 안전 | 분말 취급, 화학물질 취급, 레이저 사용에 대한 프로토콜을 준수하세요. PPE. |
| 유지 관리 | 공급업체 가이드라인에 따라 일일 및 정기 유지보수가 필요합니다. |
| 매개변수 최적화 | SLM 프로세스 파라미터를 최적화하는 데 필요한 테스트 빌드입니다. |
| 부품 제거 | 분말 회수 시스템 또는 글러브 박스를 사용하여 수동으로 제거하세요. |
장비 공급업체와 긴밀히 협력하여 시설을 준비하고 직원을 교육합니다. 프린터와 후처리 부품을 능숙하게 작동할 수 있도록 학습 곡선을 예상합니다.
SLM 인쇄의 장점과 한계
다음은 선택적 레이저 용융 기술의 주요 장점과 한계에 대한 개요입니다:
SLM의 장점
- 복잡한 지오메트리와 경량 구조
- 높은 강도와 표면 경도
- 짧은 제작 리드 타임
- 폐기물 최소화
- 디지털 방식으로 유연하고 사용자 지정 가능한 디자인
SLM 제한 사항
- 부품당 상대적으로 높은 생산 비용
- 빌드 엔벨로프에 따라 제한된 크기
- 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
- 이방성 머티리얼 속성
- 고성능 애플리케이션에 필요한 자격 요건
- 금속 이외의 제한된 재료 선택
적합한 애플리케이션의 경우 SLM은 주조, CNC 가공 및 기타 금속 부품의 기존 제조 공정에 비해 상당한 이점을 제공할 수 있습니다. 이 기술은 생산 능력을 확장하기 위해 계속 발전하고 있습니다.
SLM과 다른 금속 3D 프린팅 공정 비교
SLM은 사용 가능한 여러 금속 적층 제조 기술 중 하나입니다. 다른 주요 금속 3D 프린팅 공정과 비교하는 방법은 다음과 같습니다:
금속 3D 프린팅 공정 비교
| slm | DED | 바인더 제팅 | |
|---|---|---|---|
| 전원 소스 | 레이저 | 금속 와이어 공급 | 접착제 |
| 접근 방식 구축 | 파우더 베드 | 증착 용접 | 파우더 베드 + 바인더 |
| 자료 | Al, Ti, CoCr 등 | Al, Ti, 스테인리스 등 | 스테인리스 스틸, 슈퍼 합금 |
| 정확성 | 높음 | 보통 | 중간에서 높음 |
| 표면 마감 | 거칠음에서 보통 | Rough | Smooth |
| 빌드 크기 | 중소형 | 중대형 | 중대형 |
| 생산성 | 낮음에서 보통 | 높음 | 높음 |
SLM은 우수한 기계적 특성을 가진 중소형 정밀 부품에 적합합니다. DED는 더 빠르며 매우 큰 부품을 생산할 수 있습니다. 바인더 제팅은 높은 생산성을 제공하지만 재료 특성에 제한이 있습니다.
SLM 금속 3D 프린팅 비용
다음은 선택적 레이저 용융의 일반적인 비용 요소에 대한 개요입니다:
SLM 비용 동인
- 기계 장비 구매($100,000 & $8211; $1,000,000 이상)
- 재료비($50-$500/kg 분말)
- 운영 및 사후 처리를 위한 노동력
- 파우더 처리, 마무리를 위한 추가 장비
- 환기, 유틸리티와 같은 시설 업그레이드
- 생산량(소량 생산 시 비용 증가)
참고로 SLM 금속 부품은 위의 요소에 따라 부품당 2,000달러에서 10,000달러 이상까지 다양합니다. 이점이 비용보다 큰 소량에서 중량의 경우 SLM을 사용하십시오. 대량 생산 시에는 CNC 가공과 같은 감산 방식이 더 경제적입니다.
SLM 산업 표준
신흥 기술인 SLM 적층 제조는 품질, 반복성 및 부품 검증을 지원하기 위한 표준 개발이 활발한 분야입니다. 몇 가지 주요 표준 활동은 다음과 같습니다:
SLM 표준 개발
| 표준 기관 | 노력의 예 |
|---|---|
| ASTM | 분말 베드 처리, 테스트 방법 및 티타늄 합금과 같은 재료에 대한 표준. |
| ISO | 용어, 설계, 프로세스, 테스트 방법 및 자격 원칙에 대한 표준입니다. |
| SAE | 레이저 파우더 베드 융합을 위한 항공우주 재료 및 공정 사양. |
| API | 석유 및 가스 애플리케이션을 위한 프로세스 표준을 개발합니다. |
| ASME | 디자인, 재료 및 프로세스 검증을 위한 가이드입니다. |
| 미국이 만드는 & ANSI | 금속 3D 프린팅 표준화 로드맵. |
규제 대상 산업에서 SLM 적층 제조 기술을 자신 있게 도입하려면 표준 인증 및 준수가 필수적입니다. 표준의 지속적인 개발은 산업 전반에 걸쳐 SLM의 광범위한 채택을 가능하게 할 것입니다.
금속 SLM 인쇄 시작하기
선택적 레이저 용융 기술을 탐색하는 기업을 위해 시작하기 위한 몇 가지 권장 단계를 소개합니다:
SLM 시작을 위한 팁
- SLM 소재 및 애플리케이션 적합성 평가
- SLM 장비 공급업체의 역량 비교
- 장비, 설치, 재료 및 교육 비용에 대한 예산
- 가능하면 숙련된 AM 생산 파트너와 함께 시작하세요.
- SLM 강점에 맞춘 테스트 부품 설계
- 방향, 지지대, 레이어 두께 등과 같은 프로세스 매개변수를 최적화합니다.
- 기계적 특성이 요구 사항을 충족하는지 검증
- 마무리를 위한 후처리 요구 사항 평가
- 내부 전문성 및 교육 프로그램 개발
- AM 설계 리소스 및 소프트웨어 툴 활용
SLM 서비스 제공업체와 파트너십을 맺으면 초기 위험을 최소화하고 고급 기술 전문 지식을 활용할 수 있습니다. 경험이 쌓이면 SLM을 사내에 도입하여 생산 제어 및 IP 보호를 극대화할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Q: SLM으로 처리할 수 있는 재료에는 어떤 것이 있나요?
A: 가장 일반적인 SLM 소재는 알루미늄, 티타늄, 스테인리스강, 코발트 크롬, 니켈 합금 및 공구강입니다. 새로운 소재 옵션이 지속적으로 검증되고 있습니다.
Q: SLM 프린팅 부품의 일반적인 정확도는 어느 정도인가요?
A: 정확도는 일반적으로 ±0.1-0.2% 정도이며 ±0.03-0.05mm의 허용 오차가 가능합니다. 20미크론 이하의 얇은 층일수록 정확도가 높아집니다.
Q: SLM에 사후 처리가 필요하나요?
A: 원하는 물성과 외관을 얻기 위해 지지대 제거, 표면 마감, 열처리, 기계 가공과 같은 일부 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
Q: SLM으로 프린트한 금속 부품의 밀도는 어느 정도인가요?
A: SLM은 사용되는 재료에 최적화된 파라미터를 사용하면 거의 완전 밀도에 가까운 부품(99% 밀도)을 생산할 수 있습니다.
Q: SLM에 가장 적합한 디자인 유형은 무엇인가요?
A: 격자 및 유기적 형상을 가진 복잡하고 가벼운 형상은 SLM 설계의 자유도를 가장 잘 활용할 수 있습니다. 얇거나 좁은 지원되지 않는 피처는 피하세요.
Q: SLM으로 대형 부품을 프린트할 수 있나요?
A: 최대 크기는 프린터의 제작 범위에 따라 제한되며, 일반적으로 500x500x500mm 미만입니다. 더 큰 시스템은 개발 중이지만 장단점이 있습니다.
Q: 품질은 기존 제조업과 어떻게 비교되나요?
A: 파라미터 최적화 및 후처리를 통해 SLM 부품은 기존 방식과 동등한 수준의 재료 특성을 얻을 수 있습니다. 부품 검증은 여전히 필요합니다.
질문: 비용에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 무엇인가요?
A: 기계 장비, 자재 비용, 인건비, 물량, 후처리의 복잡성 등이 주요 요인입니다. 이러한 요소를 최적화하면 비용을 절감할 수 있습니다.