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선택적 레이저 용융 (SLM)
기존 기술로는 제조가 불가능했던 복잡한 금속 부품을 놀라운 정밀도로 한 층 한 층 만들어낼 수 있는 세상을 상상해 보세요. 이러한 비전의 도약은 선택적 레이저 용융(SLM)을 통해 현실화됩니다. 적층 제조(AM) 금속 제조의 환경을 변화시키는 프로세스입니다.
SLM이란 무엇입니까?
SLM의 핵심은 다음과 같이 알려져 있습니다. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)는 파우더 베드 퓨전(PBF) 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 선택적으로 녹여 한 번에 한 층씩 3차원 물체를 만드는 기술입니다. 작은 레고 블록을 쌓는 것과 유사한 이 레이어별 접근 방식을 사용하면 주조나 기계 가공과 같은 기존 방법으로는 구현할 수 없는 복잡한 형상, 속이 빈 구조, 내부 특징을 만들 수 있습니다.
SLM의 마법
- CAD 디자인: 이 여정은 CAD(컴퓨터 지원 설계) 모델에서 시작하여 원하는 부품의 디지털 청사진에 생명을 불어넣습니다.
- 파우더 베드 준비: 금속 분말의 특성과 용도에 따라 세심하게 선택된 얇은 금속 분말 층이 SLM 장비 내 플랫폼에 펼쳐집니다.
- 레이저 녹이기: 고출력 레이저 빔(일반적으로 Yb 파이버 레이저)이 CAD 모델에서 추출한 디지털 슬라이스에 따라 파우더 베드를 스캔합니다. 레이저의 집중된 에너지는 지정된 영역을 정밀하게 녹여 금속 입자를 융합하여 고체 층을 형성합니다.
- 레이어별: 플랫폼이 약간 낮아지고 새로운 파우더 층이 증착됩니다. 레이저 용융과 파우더 증착의 세심한 춤사위가 계속되면서 물체가 완성될 때까지 한 층씩 세심하게 만들어집니다.
- 후처리: 인쇄가 완료되면 서포트 구조를 제거하고 소재와 용도에 따라 열처리 또는 표면 마감과 같은 추가 처리가 필요할 수 있습니다.
적합한 금속 분말 에 대한 SLM
SLM의 성공 여부는 적절한 금속 분말의 선택에 달려 있습니다. 각 재료는 고유한 특성을 자랑하며 인쇄 가능성, 기계적 성능 및 비용에 영향을 미칩니다. 다음은 SLM에 일반적으로 사용되는 10가지 금속 파우더에 대한 설명입니다:
| 금속분말 | 구성 | 속성 | 애플리케이션 |
|---|---|---|---|
| 스테인리스 스틸 316L | Fe(66-70%), Cr(16-18%), Ni(10-14%), Mo(2-3%), Si(<1%), Mn(<2%) | 우수한 내식성, 고강도, 생체 적합성 | 항공우주 부품, 의료용 임플란트, 화학 처리 장비 |
| 티타늄 Ti6Al4V | Ti(89-92%), Al(5.5-6.5%), V(3.5-4.5%) | 높은 중량 대비 강도 비율, 우수한 내식성, 생체 적합성 | 항공우주 부품, 의료용 임플란트, 스포츠용품 |
| 인코넬 625 | Ni(58%), Cr(20-23%), Mo(9%), Fe(5%), Mn(2%) | 고온 강도, 우수한 내식성 | 가스터빈 부품, 열교환기, 화학 처리 장비 |
| 알루미늄 AlSi10Mg | Al(88-92%), Si(9-11%), Mg(0.3-0.6%) | 우수한 강도, 경량, 뛰어난 인쇄성 | 자동차 부품, 항공우주 부품, 가전제품 |
| 구리 Cu | Cu (99.9%) | 높은 전기 전도성, 우수한 열 전도성 | 열교환기, 전기 부품, 유체 처리 시스템 |
| 니켈 Ni | Ni (99.5%) | 높은 전기 전도도, 자기적 특성 | 전기 부품, 센서, 촉매제 |
| 코발트 CrCo | Co(60%), Cr(20%), W(15%) | 높은 내마모성, 우수한 내식성 | 절삭 공구, 내마모성 부품, 금형 |
| 공구강 | 특정 유형에 따라 다름 | 높은 경화성, 내마모성 | 절삭 공구, 금형, 금형 |
| 귀금속 (골드, 실버, 플래티넘) | 금속에 따라 다름 | 높은 가치의 특정 전기적 특성 | 보석, 전자제품, 의료 기기 |
의 장점과 한계 SLM
SLM의 장점:
- 자유로운 디자인: SLM은 복잡한 형상, 내부 채널, 경량 구조물을 제작할 수 있도록 지원하여 설계 가능성의 한계를 뛰어넘습니다.
- 소재 다양성: 다양한 용도에 맞는 방대한 금속 분말을 갖추고 있어 특정 성능 요구 사항에 따라 재료를 선택할 수 있습니다.
- 낭비 감소: 기존의 감산 제조 기법에 비해 SLM은 재료 낭비를 최소화하여 지속 가능성을 촉진합니다.
SLM의 장점(계속):
- 프로덕션 유연성: SLM을 사용하면 값비싼 툴링 없이도 단일 부품 또는 소량의 배치 제작이 가능하므로 주문형 제조와 신속한 프로토타입 제작이 가능합니다.
- 향상된 기능: SLM을 사용하면 단일 부품 내에 복잡한 기능을 통합하여 기능을 향상하고 조립 복잡성을 줄일 수 있습니다.
SLM의 한계:
- 비용: SLM 기계와 금속 분말은 비용이 많이 들기 때문에 이 기술은 대량, 저비용 생산에는 적합하지 않을 수 있습니다.
- 표면 거칠기: 레이어별 공정의 특성으로 인해 SLM 부품은 일부 기존 방식에 비해 표면 마감이 약간 거칠어질 수 있습니다. 하지만 후처리 기술을 사용하면 이를 어느 정도 완화할 수 있습니다.
- 머티리얼 속성: SLM 부품의 기계적 특성은 일반적으로 우수하지만, 특히 특정 합금의 경우 전통적으로 제조된 부품과 항상 완벽하게 일치하지는 않을 수 있습니다. 지속적인 연구와 개발을 통해 SLM의 재료 특성이 지속적으로 개선되고 있습니다.
- 빌드 크기 제한: 현재 SLM 장비의 제작 크기는 일부 기존 기술에 비해 제한적입니다. 하지만 대형 장비가 점점 더 많이 개발되고 있습니다.
SLM 적용
SLM은 다양한 산업을 꾸준히 변화시키며 그 흔적을 남기고 있습니다:
항공우주: 경량, 고강도 부품을 제작하는 SLM의 능력은 항공기 설계를 혁신하여 연료 효율 개선과 성능 최적화를 이끌고 있습니다.
자동차: 자동차 업계에서는 프로토타입 제작, 경량 구조 부품 제작, 고성능 차량용 맞춤형 부품 생산에 SLM을 활용하고 있습니다.
의료 기기: SLM은 향상된 생체 적합성과 환자별 솔루션을 제공하는 맞춤형 임플란트, 보철물 및 수술 기구 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다.
소비재: 개인 맞춤형 쥬얼리와 스포츠용품부터 혁신적인 가전제품에 이르기까지 SLM은 독특하고 기능적인 제품을 제작할 수 있도록 지원합니다.
미래 SLM: 지평선 들여다보기
SLM에 대한 연구와 개발이 계속 발전함에 따라 더욱 흥미로운 발전이 이루어질 것으로 기대됩니다:
- 고급 소재: 향상된 강도, 내열성, 생체 적합성 등 향상된 특성을 가진 새로운 금속 분말이 지속적으로 연구되고 있습니다.
- 더 빠른 인쇄 속도와 더 큰 빌드 크기: 레이저 기술과 기계 설계의 발전으로 인쇄 속도와 제작 크기 제한의 한계가 허물어지고 있습니다.
- 비용 절감: 기술이 성숙하고 채택이 증가함에 따라 SLM 기계 및 재료의 비용이 감소하여 이 기술에 대한 접근성이 높아질 것으로 예상됩니다.
자주 묻는 질문
질문: SLM과 관련된 일반적인 비용은 얼마인가요?
A: SLM 비용은 다음과 같은 여러 요인에 따라 크게 달라질 수 있습니다:
- 머신 비용: SLM 기계의 초기 비용은 수십만 달러에서 수백만 달러에 달할 수 있습니다.
- 재료비: 금속 분말의 비용은 특정 재료와 그 특성에 따라 달라질 수 있습니다.
- 부품 복잡성: 부품 설계의 복잡성은 프린팅 시간과 재료 사용량에 큰 영향을 미쳐 전체 비용에 영향을 미칠 수 있습니다.
- 사후 처리 요구 사항: 열처리 또는 표면 마감과 같은 추가 처리로 인해 최종 비용이 추가될 수 있습니다.
일반적으로 SLM 인쇄 부품의 킬로그램당 비용은 수백 달러에서 수만 달러까지 다양합니다.
Q: SLM을 사용하여 인쇄할 수 있는 가장 강력한 소재는 무엇인가요?
A: SLM을 사용하여 다음과 같은 여러 가지 고강도 재료를 인쇄할 수 있습니다:
- 인코넬 625: 이 니켈-크롬 기반 초합금은 뛰어난 고온 강도를 자랑하며 가스터빈 부품과 같은 까다로운 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다.
- 티타늄 Ti6Al4V: 이 주력 소재는 무게 대비 강도가 높고 내식성이 우수하여 항공우주 및 의료 분야에서 인기가 높습니다.
- 공구강: 내마모성과 경도가 뛰어나 절삭 공구 및 금형에 이상적인 SLM을 사용하여 다양한 공구강 유형을 인쇄할 수 있습니다.
필요한 강도, 기타 특성 및 예산 고려 사항에 따라 특정 용도에 가장 적합한 소재를 결정하려면 SLM 전문가와 상담하는 것이 중요합니다.
Q: SLM 부품의 표면 거칠기는 기존 제조 부품과 어떻게 비교되나요?
A: 레이어별 공정의 특성으로 인해 SLM 부품은 기계 가공이나 주조와 같은 기술로 생산된 부품에 비해 표면 마감이 약간 거칠 수 있습니다. 그러나 샌드블라스팅, 연마 또는 기계 가공과 같은 후처리 기술을 사용하면 표면 마감을 크게 개선하고 원하는 수준의 매끄러움을 얻을 수 있습니다.
Q: SLM은 환경 친화적인 제조 공정인가요?
A: 재료 폐기물이 많이 발생하는 기존의 감산 제조 기술에 비해 SLM은 보다 지속 가능한 대안을 제공합니다. 그물 모양에 가까운 제조가 가능하므로 재료 낭비를 최소화할 수 있습니다. 또한 주문형 부품을 생산할 수 있기 때문에 운송 필요성을 줄일 수 있습니다.
결론
선택적 레이저 용융(SLM)은 금속 제조의 한계를 뛰어넘고 새로운 디자인 및 제조 가능성의 시대를 여는 인간의 독창성을 입증하는 강력한 증거입니다. 이 기술이 계속 발전함에 따라 다양한 산업 분야에서 더욱 혁신적인 애플리케이션을 기대할 수 있습니다. 항공기 제작 방식의 혁신, 삶을 변화시키는 의료용 임플란트 제작, 소비재의 혁신 촉진 등 SLM은 미래에 지울 수 없는 흔적을 남길 것입니다.
