개요
파우더 베드 3D 프린터 는 압출 기반 방식으로는 쉽게 인쇄할 수 없는 고성능 엔지니어링 열가소성 플라스틱 및 금속을 가공하는 데 적합한 적층 제조 기술입니다. 레이저 또는 전자빔이 CAD 데이터를 기반으로 파우더 베드의 영역을 층별로 선택적으로 융합하여 복잡한 3D 물체를 제작합니다.
주요 하위 카테고리는 다음과 같습니다:
폴리머 파우더 베드 퓨전(PBF) CO2 또는 IR 레이저를 활용하고 금속 분말 베드 융합(MPBF) 파이버 레이저 또는 전자빔을 사용합니다. 두 가지 모두 경량 설계, 어셈블리 통합, 대량 맞춤화 및 성능 향상 측면에서 기존 제조 기술로는 불가능한 경쟁력 있는 부품 기능을 제공합니다.
이 가이드는 다양한 파우더 베드 3D 프린팅 기술 및 재료에 대한 기술 개요와 함께 응용 분야, 시스템 고려 사항 및 향후 동향을 제공합니다.
종류 파우더 베드 3D 프린터
파우더 베드 융합 방식을 활용하는 여러 가지 적층 제조 장비 유형이 있습니다:
| 범주 | 설명 |
|---|---|
| 선택적 레이저 소결(SLS) | CO2 레이저를 사용하여 폴리머 분말을 소결합니다. |
| 멀티 제트 퓨전(MJF) | 잉크젯 퓨징 및 디테일링 에이전트로 플라스틱 분말을 결합합니다. |
| 선택적 레이저 용융(SLM) | 파이버 레이저를 이용한 금속 분말의 완전 용접 |
| 직접 금속 레이저 소결(DMLS) | 레이저 용융을 통한 금속 분말 융합 |
| 전자빔 용융(EBM) | 진공 상태에서 전자빔을 사용하여 금속 분말 베드를 녹입니다. |
폴리머 파우더 베드 퓨전 프린터
선택적 레이저 소결(SLS) 시스템은 미세 폴리머 파우더를 빌드 챔버 전체에 얇게 분산시키고 3D CAD 모델의 각 단면에 따라 CO2 레이저 빔의 열 에너지를 적용합니다. 분말은 가열 시 함께 녹거나 소결되고 냉각 시 고형화되어 물체가 됩니다.
SLS에 널리 사용되는 자료는 다음과 같습니다:
- 나일론(PA12, PA11, PA6)
- 열가소성 엘라스토머(TPE)
- TPU 및 기타 고급 연질 수지
대표적인 SLS 프린터 회사로는 EOS, 3D Systems, Farsoon, Ricoh 등이 있습니다.
멀티 제트 퓨전(MJF) 도 폴리머 파우더 베드를 사용하지만, 잉크젯 프린트헤드가 적외선 가열과 함께 층을 가로질러 융합제와 디테일제를 선택적으로 증착하여 고해상도 인쇄를 구현합니다. 이를 통해 다중 재료 및 다중 색상의 물체를 구현할 수 있습니다. 일반적인 MJF 레진:
- HP 3D 고재사용성 PA12
- HP 3D 고재사용성 PA11
- HP 3D 고재사용성 TPA
HP는 Jet Fusion 시리즈를 통해 오늘날 MJF 기술을 제공하는 선두 업체입니다. Desktop Metal은 MJF를 기반으로 하는 Fiber AM 시스템도 출시했습니다.
금속 분말 베드 퓨전 프린터
선택적 레이저 용융(SLM) 장비는 불활성 가스 환경에서 매우 정밀한 파이버 레이저 에너지를 금속 분말의 얇은 층에 집중시켜 입자를 완전히 녹여 CAD 지오메트리를 기반으로 한 층씩 조밀한 구조로 융합합니다.
전자빔 용융(EBM) 프린터는 강력한 전자 빔을 통합 열원으로 사용하여 진공 분위기에서 각 층의 금속 분말 입자를 완전히 녹입니다. 빠른 공정으로 주조 재료에 가까운 특성을 가진 부품을 제작할 수 있습니다.
MPBF의 일반적인 합금은 다음과 같습니다:
- 스테인리스 스틸(316L, 17-4PH, 15-5)
- 공구강(H13, S7)
- 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)
- 알루미늄 합금(AlSi10Mg)
- 니켈 초합금(인코넬 718)
- 코발트 크롬(CoCr)
EOS, Renishaw, 3D Systems, GE, SLM Solutions 등 모든 주요 금속 AM 장비 공급업체는 파우더 베드 용융기를 제공합니다.
인쇄 프로세스 파우더 베드 3D 프린터
일반적인 적층 제조 워크플로 단계는 파우더 베드 융합 방식에 공통적으로 적용됩니다:
- CAD 모델 가져오기 및 최적의 부품 방향 지정
- 레이저 스캐닝 경로를 가상으로 분할하고 생성합니다.
- 측정한 양의 파우더를 빌드 영역 전체에 골고루 펴 바릅니다.
- 레이저 또는 이빔을 사용하여 단면 윤곽에 따라 재료를 선택적으로 녹입니다.
- 빌드 플레이트를 내리고 새 레이어 파우더를 다시 코팅합니다.
- 전체 오브젝트와 서포트가 만들어질 때까지 레이어링 주기를 반복합니다.
- 파우더 케이크에서 물체를 제거하고 녹지 않은 부분을 복구합니다.
- 후처리 부품 - 세척, 열처리, 기계 등
모든 파우더 베드 공정은 기능적 사용 전에 지지대 제거, 표면 가공 및 처리와 같은 광범위한 사후 처리가 필요합니다.
파우더 베드 3D 프린터용 재료
폴리머 파우더 속성
| 재질 | 밀도 | 인장 강도 | 연신율 % | 용도 |
|---|---|---|---|---|
| PA12 | 0.9-1.1g/cm3 | 45-65 MPa | 15-50% | 범용 SLS 프로토타이핑 폴리머 |
| TPU 92A | 1.1-1.3g/cm3 | > 6 MPa 이상 | 220-240% | SLS를 통한 유연한 고무와 같은 부품 |
| PEEK | 1.3-1.4g/cm3 | 100 MPa | 30-60% | 고강도 엔지니어링 플라스틱 부품 |
금속 분말 유형
| 합금 | 밀도 | 융점 | 용도 |
|---|---|---|---|
| 알루미늄 AlSi10Mg | 2.7g/cm3 | 600°C | 경량 항공 및 자동차 부품 |
| 티타늄 Ti-6Al-4V | 4.4g/cm3 | 1655°C | 임플란트 및 고강도 구조물 |
| 공구강 H13 | 7.7g/cm3 | 1320°C | 성형 및 압출을 위한 내구성 있는 툴링 |
| 스테인리스 스틸 316L | 8.0g/cm3 | 1375°C | 부식 방지 용기, 밸브, 하드웨어 |
| 인코넬 718 | 8.2g/cm3 | 1260-1336°C | 고온에서 열과 크리프에 강한 항공 엔진 부품 |
파우더 베드 3D 프린터의 응용 분야
폴리머 부품
- 실제 플라스틱과 유사한 특성을 지닌 기능성 프로토타입을 제작할 수 있습니다.
- 휴대폰 케이스나 신발과 같은 맞춤형 소비재
- 자동차 인테리어 및 조명 부품
- 인덕션 몰드 및 지그 및 고정 장치
- 화학물질용 고온 몰드 및 덕트
금속 부품
- 항공우주용 터빈 블레이드 및 연료 인젝터 프로토타입
- 무릎, 엉덩이, 두개골 및 척추 수술용 생체 적합성 티타늄 임플란트
- 경주용 자동차 및 항공기를 위한 경량 섀시, 브레이크 및 파워트레인 부품
- 사출 금형에 통합된 컨포멀 냉각 채널
- 맞춤형 치과용 코핑 하부 구조물 및 브리지
- 내열성 배기 매니폴드 및 툴링 인서트
구매자 가이드 파우더 베드 3D 프린터
이상적인 파우더 베드 융합 시스템을 선택하는 기준은 다음과 같습니다:
| 기준 | 주요 고려 사항 |
|---|---|
| 봉투 작성 | 가능한 최대 부품 치수. 5인치부터 500mm 이상까지 |
| 재료 | 폴리머에서 반응성 금속에 이르기까지 응용 분야 요구 사항을 충족하는 다양한 수지 사용 가능 |
| 정밀도 | 미세한 디테일을 위한 ~100마이크론에서 5마이크론까지 X-Y 해상도 지원 |
| 표면 마감 | 측면 벽 품질은 15미크론에서 150미크론 이상까지 다양합니다. 후가공이 필요할 수 있습니다. |
| 자동화 | 수동 또는 자동 분말 처리. 폐쇄 루프 처리가 선호됩니다. |
| 소프트웨어 | 토폴로지 최적화를 위한 제너레이티브 디자인 통합. 빠른 슬라이싱. |
| 가격 범위 | 초기 시스템 비용은 최소 100만 원에서 100만 원 이상입니다. 운영 비용도 고려하세요. |
| 리드 타임 | 설치 및 배송 일정. 운영자 교육 기간. |
일부 주요 모델은 다음과 같습니다:
스타터 - EOS 포미가 P110 SLS 시스템, $100K
전문적인 - 3D Systems DMP Factory 500, $400K
산업 - GE 애디티브 X 라인 2000R, >$1M
향후 전망
파우더 베드 융합 시스템은 계속 발전할 것입니다:
- 길이 500mm 이상의 대형 제작 봉투
- PEKK 및 PPSF와 같은 추가 폴리머 소재
- 더 높은 기계적 성능의 합금
- 파우더 재활용성 및 폐쇄 루프 처리 개선
- 기계 가공 없이 획기적인 표면 마감 처리
- 통합 실시간 용융 풀 모니터링 및 조정 기능
- 인라인 품질 보증이 가능한 추가 하이브리드 시스템
- 더 높은 레이저 출력과 빠른 스캔 속도로 생산성 대폭 향상
기술 장벽이 극복되고 생산 비용이 최적화됨에 따라 적층 제조는 최종 사용 부품을 상업적 규모로 분산-분산 제조할 수 있게 함으로써 항공우주, 의료 기기, 자동차, 소비재에 이르기까지 다양한 분야의 제조를 혁신할 것입니다.
자주 묻는 질문
Q: 파우더 베드 융합 금속 3D 프린팅 장비는 플라스틱 시스템에 비해 얼마나 비쌉니까?
A: 산업용 금속 파우더 베드 프린터는 $ 30만 달러에서 100만 달러 이상이며, 폴리머 기반 장비는 $ 10만 달러부터 시작합니다. 금속 소재와 불활성 처리의 경우 운영 비용도 5~10배 더 높습니다.
Q: 파우더 베드 융합 기술로 3D 프린팅할 수 있는 부품의 크기는 어느 정도인가요?
A: 금속 기계는 일반적으로 최대 500 x 500 x 500mm 큐브까지 제작할 수 있으며, 폴리머는 최대 800 x 500 x 375mm 크기까지 제작할 수 있습니다. 길이가 1미터가 넘는 대형 봉투도 가능합니다.
Q: 파우더 베드 3D 프린팅으로 가공할 수 있는 재료에는 어떤 것이 있나요?
A: FDM 압출이 어려운 PEEK, ULTEM, PPSF와 같은 고성능 및 엔지니어링 등급의 열가소성 플라스틱은 모두 프린트할 수 있습니다. 금속의 경우 스테인리스강, 티타늄 및 니켈 합금, 공구강, 코발트 크롬 등이 이에 해당합니다.
Q: 후처리 전 파우더 베드 프린터의 정확도와 표면 마감은 얼마나 좋은가요?
A: 후처리 후 치수 정확도는 약 ±0.1-0.3%이며 50미크론 미만의 허용 오차도 가능합니다. 마감 처리 전 인쇄된 표면 거칠기는 15-150미크론 사이입니다.
Q: 파우더 베드 퓨전 프로세스 중 가장 빠른 빌드 속도를 제공하는 것은 SLS, DMLS, EBM 중 무엇인가요?
A: 전자빔 용융(EBM)은 시간당 최대 40cm3의 매우 빠른 제작 속도를 제공하므로 생산성이 매우 높습니다. DMLS는 중간 정도의 속도를 제공하는 반면 SLS는 비교적 느립니다.
Q: 파우더 베드 적층 가공은 금속 및 플라스틱 가공에 비해 얼마나 지속 가능한가요?
A: 모든 파우더 베드 기술은 빌드 후 녹지 않은 파우더를 재활용하기 위해 90% 이상 재사용합니다. 경량화에 최적화된 지오메트리는 재료도 절약합니다. 에너지 사용량은 여전히 중점 분야입니다.
Q: 파우더 베드 퓨전 인쇄 서비스의 가격 책정에는 어떤 요소가 작용하나요?
A: 재료비, 제작 시간, 인건비, 마감, 3D 프린터 모델, 생산량 및 구매자 응용 분야가 오늘날 산업용 3D 프린팅 부품의 가격 수준을 결정합니다.
Q: 오늘날 파우더 베드 융합 적층 제조를 선도적으로 도입하고 있는 산업 분야는 어디인가요?
A: 지그, 픽스처, 툴링에 중점을 둔 항공우주, 의료, 자동차, 기계 설계 회사는 폴리머와 금속을 사용한 적층 제조 애플리케이션을 탐색하는 60% 이상의 상용 고객을 형성하고 있습니다.
Q: 3D CAD 모델을 최적으로 준비하고 출력하려면 어떤 전문 소프트웨어가 필요하나요?
A: Materialise Magics 및 SLM Build Processor와 같은 슬라이싱 소프트웨어는 최상의 지오메트리와 속성을 위해 파트의 방향을 자동으로 조정하고 스캐닝 파라미터를 조정합니다. 일부 프린터 공급업체는 독점 소프트웨어 도구를 번들로 제공합니다.
