선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린팅

 

선택적 레이저소결(SLS, Selective Laser Sintering) 방식은 3D 프린팅 기술 중 하나로,

고체 상태의 미세한 분말 소재를 레이저로 선택적으로 가열하여 소결(융합)시켜 물체를 만드는 방식입니다.

이 기술은 주로 플라스틱, 금속, 세라믹 분말을 사용하며,

각 층을 레이저로 정밀하게 가열해 고체로 만드는 과정을 통해 3D 모델을 형성합니다.

 

간략한 SLS 3D프린팅 역사

• 1980년대 중반, 오스틴 텍사스 대학의 Carl Deckard 박사와 Joe Beaman 박사가 선택적 레이저 소결(SLS) 방식을 개발했습니다. 
   
• SLS 방식은 플라스틱, 메탈, 유리, 세라믹, 다양한 합성 소재 분말 등을 사용하는 제조에 채택되었습니다. 
   
• SLS 방식은 레이저를 사용하여 재료를 융합하여 3D 물체를 만드는 고급 적층 제조 기술입니다. 
   
• SLS 방식은 다양한 산업 분야에서 복잡하고 내구성이 뛰어난 부품을 생산하는 중요한 방법이 되었습니다. 
   
• 기존 산업용 SLS 프린터는 가격이 약 $200,000에서 시작합니다.

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 적층모델링 방식(FDM) 같은

다른 3D 프린팅 기술을 활용하여 접근성이 뛰어난 시스템을 폭넓게 채택할 준비가 되어있습니다.

 

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선택적 레이저소결(SLS) 3D 프린팅의 주요 특징:

1. 고급 소재 사용: 나일론, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 금속 등 다양한 재료를 사용할 수 있습니다.

2. 고강도: 완성된 부품은 매우 내구성이 높고, 복잡한 기하학적 형태를 구현할 수 있습니다.

3. 서포트 구조 불필요: 분말을 사용하여 모델을 만들기 때문에 서포트 구조 없이도

복잡한 형태를 출력할 수 있습니다. 출력 후 남은 분말로 모델을 지지할 수 있습니다.

4. 응용 분야: 주로 프로토타입 제작, 기능성 부품 제조, 항공, 자동차, 의료 기기 및 소비재 분야에서 사용됩니다.

5. 정밀도: 고도의 정밀도와 세밀한 디테일을 구현할 수 있어,

기능성 부품이나 복잡한 구조물을 출력할 때 유용합니다.

 

SLS 방식은 다른 3D 프린팅 방식에 비해 비용이 높지만,

높은 강도와 정확도를 요구하는 산업용 부품 생산에 많이 활용됩니다.

 

SLS 3D 프린팅 사용원리

▶도식화한 선택적 레이저 소결 프로세스.

SLS 3D 프린팅은 고성능 레이저를 사용해 미세한 입자 형태의 고분자 분말을

3D 모델에 맞춰 고체 구조로 소결하는 기술입니다.

 

출처 : https://formlabs.com/kr

 

 

 

 

 

 

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SLS(Selective Laser Sintering) 3D 프린터는 레이저를 이용해

분말 형태의 재료를 선택적으로 고형화시켜 원하는 형태를 만드는 3D 프린팅 방식입니다.

 

 SLS 프린터의 사용 원리는 다음과 같습니다.

• 자동 재료 공급장치에서 파우더 재료를 공급합니다.
• 레벨링 롤러가 재료를 평평하게 합니다.
• CO2 레이저를 선택적으로 주사하여 재료를 부분적으로 용융시켜 접합합니다. 
   

1. 분말 소재 준비: 먼저 프린터의 빌드 챔버에 플라스틱, 금속, 세라믹 등의 분말을 고르게 펼칩니다.
2. 레이저 조사: CO2 레이저가 분말층을 스캔하며, 레이저의 열로 분말을 융합합니다. 이 과정이 한 층씩 진행되며, 융합된 부분은 단단해지고, 융합되지 않은 부분은 그대로 남아있습니다.
3. 층 쌓기: 한 층이 완성되면, 빌드 플랫폼이 아래로 내려가고, 새로운 분말층이 덮입니다. 이 과정을 반복하여 최종적인 3D 모델이 형성됩니다.
4. 후처리: 출력된 물체는 남아있는 분말을 제거하고, 후속 가공(예: 표면 처리, 색상 추가 등)을 통해 완성도를 높일 수 있습니다.

 

 

 

SLS (Selective Laser Sintering) 3D 프린터는 산업 및 프로토타이핑 분야에서 많이 사용되는 고급 3D 프린팅 기술입니다.

장점: 

• 고해상도 출력: 매우 정밀한 출력이 가능하고 복잡한 기하학적 형태도 잘 처리할 수 있습니다.
• 강력한 내구성: 출력된 부품은 상당히 견고하고, 실용적인 프로토타입이나 엔드유저 부품을 만들기에 적합합니다.
• 다양한 소재 사용: 플라스틱, 금속, 세라믹 등 다양한 재료를 사용할 수 있어, 다양한 산업 분야에서 활용됩니다.

1. 강력한 재료 선택: SLS는 플라스틱, 나일론, 폴리카보네이트, 알루미늄, 타이타늄 등 다양한 고급 재료를 사용할 수 있어, 강도와 내구성이 뛰어난 부품을 제작할 수 있습니다.
2. 내구성이 우수한 부품 제작: SLS는 분말 형태의 재료를 사용하여 레이저로 소결하는 방식이므로, 강한 물리적 특성을 가진 부품을 출력할 수 있습니다. 나일론을 비롯한 다양한 플라스틱 소재는 고온 및 고압에도 견디는 내구성을 자랑합니다.
3. 복잡한 구조물 제작 가능: 레이저가 분말을 선택적으로 소결하므로, 복잡한 기하학적 구조를 자유롭게 만들 수 있습니다. 내부 채널, 빈 공간, 트러스트 구조 등 기존의 제조법으로는 어려운 디자인을 구현할 수 있습니다.
4. 후처리 필요 없음: 다른 3D 프린팅 기술에서는 후처리가 필요할 수 있지만, SLS는 출력물의 표면 품질이 상대적으로 좋고 바로 사용 가능한 부품을 제공하는 경우가 많습니다. 다만, 잉여 분말을 제거하는 후처리는 필요할 수 있습니다.
5. 고속 생산 가능: SLS는 한 번에 여러 개의 부품을 동시에 프린팅할 수 있어, 생산 속도가 빠릅니다. 여러 부품을 한 번에 출력할 수 있기 때문에 대량 생산이나 빠른 프로토타이핑에 유리합니다.
6. 강한 지원 구조: SLS는 출력물 주변에 분말이 자연스럽게 서포트 역할을 하여, 별도의 서포트 구조를 추가할 필요가 없습니다. 이는 디자인의 자유도를 크게 높여주고 후처리 과정도 간소화합니다.
7. 기술의 확장성: SLS는 대형 프린터를 활용해 크기가 큰 부품을 출력할 수 있으며, 정밀도와 속도 면에서도 상위 수준의 결과물을 얻을 수 있습니다.

이러한 특성들 덕분에 SLS는 항공우주, 자동차, 의학, 그리고 다양한 산업 분야에서

매우 유용한 3D 프린팅 기술로 자리잡고 있습니다.

단점:

1. 비용: SLS 3D 프린터는 상대적으로 고가이며, 유지보수 및 운영 비용도 높습니다.

특히 레이저 시스템과 고온 환경에서 작업하는 특성상 초기 설치비용과 소모품 비용이 상당합니다.

2. 후처리 작업 필요: SLS로 출력된 부품은 표면이 거칠 수 있으며, 후처리 작업이 필요할 수 있습니다.

또한 출력 후 남은 파우더를 제거하는 과정도 수작업이 필요한 경우가 많습니다.3. 출력 속도: SLS는 다른 3D 프린팅 기술에 비해 출력 속도가 상대적으로 느립니다.

출력이 한 번에 여러 개의 부품을 할 수 있긴 하지만, 프린터 내부의 온도를 안정적으로 유지해야 하므로

출력 시간이 길어질 수 있습니다.

4. 소재 제한: SLS는 일반적으로 플라스틱, 나일론, 폴리아미드(Polyamide) 등 특정 소재에 적합합니다.

다양한 소재를 사용하려면 프린터의 설정을 조정해야 하며, 일부 소재는 출력이 어려운 경우가 있습니다.

5. 복잡한 시스템: SLS 프린터는 레이저 시스템을 사용하여 고온에서 작동하기 때문에,

시스템 자체가 복잡하고, 이를 운영하는 데에는 고도의 전문 지식과 경험이 필요할 수 있습니다.

6. 크기 제한: 대부분의 SLS 프린터는 제한된 크기의 빌드 플랫폼을 가지고 있어

대형 부품을 출력하는 데 제약이 있을 수 있습니다.

7. 부품 후처리 및 재활용 어려움: 출력 후 남은 파우더는 일부 재활용할 수 있지만,

완전하게 재활용하는 것은 어려운 경우가 많고, 파우더는 환경에 영향을 줄 수 있습니다.

이러한 단점에도 불구하고 SLS 3D 프린팅은

높은 정밀도와 내구성이 필요한 부품을 생산할 수 있는 장점이 있습니다.

 

SLS 3D 프린팅 소재

SLS 3D 프린팅에서 주로 사용되는 소재는 열가소성 폴리머로, 특히 나일론(polyamide)이 많이 사용됩니다. 

나일론은 강도와 내구성이 뛰어나며, 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있는 소재입니다

SLS 3D 프린팅에서 사용할 수 있는 소재는 다음과 같습니다.

• 충격 방지 플라스틱
• 석고
• 금속 주조에 적합한 스티렌 기반 옵션
• 내화성 재료
• 높은 강성과 내열성을 갖춘 유리 함유 재료
• 뛰어난 강성의 섬유 강화 플라스틱
• 호스, 개스킷, 그립 패딩 등 고무와 유사한 유연한 부품 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 나일론(Nylon, PA)
   • 가장 널리 사용되는 SLS 소재로, 뛰어난 내구성과 유연성, 내화학성, 내마모성을 가집니다. 다양한 산업 분야에서 프로토타입 제작 및 최종 제품 생산에 많이 사용됩니다.
2. 폴리우레탄(Polyurethane, TPU)
   • 유연하고 신축성이 뛰어나며, 내마모성과 충격 흡수성이 우수한 소재입니다. 고무와 비슷한 특성을 제공하여, 다양한 소비재 및 기능성 부품에 적합합니다.
3. 스테인리스 스틸(Stainless Steel)
   • 내구성이 매우 뛰어나며, 고강도와 내식성을 제공합니다. 주로 산업용 부품이나 기능성 부품, 기계적 성능이 중요한 부품 제작에 사용됩니다.
4. 알루미늄(Aluminum)
   • 경량화가 중요한 부품에 적합하며, 열전도성과 내식성이 뛰어난 특성을 가집니다. 항공우주 및 자동차 산업에서 많이 사용됩니다.
5. 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)
   • 내충격성이 뛰어나며 고온에서의 안정성을 제공합니다. 기계적 강도가 높은 부품이나 엔지니어링 부품 제작에 사용됩니다.
6. 나일론-카본 복합재(Nylon-Carbon Fiber Composites)
   • 카본 파이버와 나일론을 혼합하여 강도와 경량화를 동시에 고려한 소재입니다. 고강도와 뛰어난 내구성을 요구하는 산업 부품에 사용됩니다.
7. 타이타늄(Titanium)
   • 매우 높은 강도와 내식성, 경량성을 자랑하는 금속 소재로, 의료용, 항공우주 및 고급 산업 부품에 사용됩니다.
8. 고온 저항성 소재 (High-Temperature Resistant Materials)
   • 고온에서 안정성을 유지하는 소재들로, 산업용 고온 부품에 적합합니다.

이 외에도 다양한 특수 소재들이 개발되고 있으며,

각 소재는 그 특성에 따라 특정 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다.

SLS 3D 프린팅은 다양한 물질의 특성을 고려하여 제품 개발에 적합한 소재를 선택하는 것이 중요합니다.

출처 : https://fusiontech.co.kr/sls3dprinter/?bmode=view&idx=4615992

 

SLS 3D 프린팅 응용 분야

SLS(Selective Laser Sintering) 3D 프린팅은 레이저를 사용하여 분말 상태의 재료를

고온으로 가열하고 융합하여 3D 물체를 생성하는 기술입니다.

SLS는 다양한 산업 분야에서 많이 활용되고 있습니다.

• 복잡하고 내구성 있는 원형 제작 및 생산 부품
• 스냅식 및 휘어지는 힌지가 있는 부품
• 자동차 설계
• 항공우주 부품 및 덕트, 방염성 부품
• 소량 생산 및 대량 맞춤화 솔루션
• 의료 기기
• 개스킷, 실, 호스와 같은 탄성 및 우레탄 부품
• 기능적 개념 증명과 설계 평가 모델

https://www.youtube.com/watch?v=QsWnBlvXkCc

 

1. 항공 우주 산업:
   • SLS는 고강도 및 내열성 재료로 부품을 제조할 수 있어 항공 우주 분야에서의 부품 제작에 많이 사용됩니다.
   • 엔진 부품, 구조적 부품, 복잡한 기하학적 형태를 가진 부품 등을 제작할 수 있습니다.
2. 자동차 산업:
   • 프로토타입 제작 및 기능성 부품의 제조에 널리 사용됩니다.
   • 예를 들어, 경량화된 자동차 부품이나 맞춤형 부품을 만들 수 있습니다.
   • 커스터마이징이 용이하여 사용자 맞춤형 부품을 제작하는 데 유리합니다.
3. 의료 산업:
   • 맞춤형 임플란트나 보철물, 개인화된 의료 기기를 제작하는 데 사용됩니다.
   • 예를 들어, 환자 맞춤형 보형물, 의족, 치과용 보철물 등을 제조할 수 있습니다.
4. 소비자 제품 및 패션:
   • 소비자 제품의 프로토타입 제작 및 소량 생산에 유용합니다.
   • 패션, 액세서리, 맞춤형 디자인 제품 등에서 창의적인 형태와 복잡한 디자인을 실현할 수 있습니다.
5. 건축:
   • 건축 모델 및 구조물의 프로토타입을 제작하는 데 활용됩니다.
   • 복잡한 형태나 디자인을 3D 프린팅으로 구현할 수 있어 건축 설계에서 유리합니다.
6. 군사 및 국방 산업:
   • 군사 장비 및 맞춤형 부품을 생산하는 데 사용됩니다.
   • 내구성이 뛰어난 재료를 활용하여 극한 환경에서 사용될 수 있는 부품을 제작할 수 있습니다.
7. 산업용 부품 및 기계 부품:
   • SLS는 기능적이고 내구성이 강한 부품을 제작하는 데 적합하여 산업용 기계, 엔진 부품 등에 활용됩니다.
   • 정밀한 기능성 부품을 제작할 수 있어 생산성과 효율성을 높이는 데 기여합니다.

SLS 기술은 고도의 정확성과 정밀도를 요구하는 다양한 분야에서 매우 유용한 제조 방법으로 자리잡고 있으며,

복잡한 형상을 가진 부품을 효율적으로 생산할 수 있다는 큰 장점이 있습니다