SLM 적층 제조

3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조는 부품과 제품을 만드는 혁신적인 방법입니다. 가장 널리 사용되는 적층 제조 기술 중 하나는 다음과 같습니다. 선택적 레이저 용융(SLM). SLM은 고출력 레이저를 사용하여 재료 분말을 선택적으로 융합하여 부품을 층별로 쌓아 올리는 분말 베드 융합 방식입니다.

SLM을 사용하면 복잡한 내부 피처가 있는 복잡한 형상을 3D CAD 데이터에서 직접 생성할 수 있습니다. 또한 재료 낭비를 최소화하고 기존 제조 방식으로는 불가능했던 설계 유연성을 제공합니다. 하지만 SLM에는 특수 장비, 최적화된 처리 매개변수, 재료 특성에 대한 이해가 필요합니다.

이 종합 가이드는 선택적 레이저 용융 적층 제조에 대해 알아야 할 모든 것을 다룹니다. 기술, 사용되는 일반적인 재료, 응용 분야, 장점과 한계, 사양, 공급업체, 비용, 다른 3D 프린팅 방법과의 비교 등에 대해 설명합니다. SLM 전문가가 되기 위해 읽어보세요!

SLM 3D 프린팅 작동 방식

SLM은 집중된 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 녹이고 융합합니다. 부품은 3D CAD 모델 데이터를 슬라이싱하여 레이어별로 적층 방식으로 제작됩니다. SLM 공정의 주요 측면은 다음과 같습니다:

SLM 적층 제조 공정 개요

프로세스 단계	설명
3D 모델 준비	CAD 모델은 레이저 용융 경로를 지정하는 데 사용되는 얇은 2D 슬라이스로 변환됩니다. 돌출부를 위해 서포트 구조를 추가할 수 있습니다.
파우더 스프레딩	리코팅 메커니즘이 빌드 플랫폼 전체에 금속 파우더 층을 고르게 퍼뜨립니다.
레이저 용융	집중된 고출력 레이저가 각 2D 슬라이스를 기반으로 분말을 선택적으로 녹여 입자를 융합하여 고체를 형성합니다.
하부 빌딩 플랫폼	한 레이어가 완성되면 빌드 플랫폼이 내려가고 그 위에 새 파우더가 뿌려집니다.
단계 반복	파우더 퍼짐, 레이저 용융, 하강 단계가 부품이 완성될 때까지 반복됩니다.
포스트 프로세싱	부품은 과도한 파우더를 제거한 후 지지대 제거, 세척, 열처리, 표면 마감, 검사 등이 필요할 수 있습니다.

레이어드 접근 방식을 사용하면 단단한 블록을 주조하거나 가공하는 기존 방법으로는 만들 수 없었던 복잡한 내부 공간과 터널이 있는 복잡하고 유기적인 모양을 만들 수 있습니다.

SLM은 선택적 레이저 소결(SLS), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 분말 베드 용융(PBF) 등 유사한 이름으로도 불립니다. 이러한 분말 기반 공정의 핵심적인 측면은 약간의 장비 차이만 있을 뿐 본질적으로 동일합니다.

SLM 자료

다양한 금속, 합금, 세라믹을 SLM 적층 제조 기술로 가공할 수 있습니다. 가장 많이 사용되는 소재로는 스테인리스강, 코발트 크롬, 티타늄, 알루미늄, 니켈 기반 초합금 등이 있습니다. 기술이 발전함에 따라 재료 옵션은 계속 확장되고 있습니다.

일반적인 SLM 자료 및 용도

재질	애플리케이션
스테인리스 스틸(316L, 17-4PH)	저비용 프로토타입, 밸브, 펌프 하우징과 같은 기능성 금속 부품
티타늄 합금(Ti-6Al-4V)	항공우주 부품, 의료용 임플란트, 자동차 부품
코발트 크롬(CoCr)	치과 크라운 및 브릿지, 정형외과용 무릎/엉덩이 임플란트
알루미늄 합금 (AlSi10Mg)	경량 드론, 항공우주 브래킷, 자동차 프로토타입
인코넬 (IN625, IN718)	터보차저 휠, 연소실, 항공 우주 엔진
공구강(H13, 마레이징강)	사출 금형, 성형 금형, 툴링 픽스처

가장 인기 있는 옵션은 316L 스테인리스 스틸 파우더 강도와 내식성, 고품질 마감, 이국적인 합금에 비해 저렴한 비용으로 인해 사용됩니다.

SLM용 재료는 평균 직경 15~100미크론 크기의 구형 분말 입자로 엄격한 품질 관리를 거칩니다. 미세한 분말은 해상도를 향상시키는 반면, 거친 분말은 더 빠르게 제작되지만 정확도는 떨어집니다.

SLM 애플리케이션

SLM은 프로토타입, 맞춤형 툴링, 기계적 특성이 강화된 복잡한 고성능 금속 부품의 소량 생산에 유용하게 사용됩니다. 다음은 주요 산업 분야의 주요 애플리케이션입니다:

SLM 적층 제조 응용 분야

산업	일반적인 SLM 애플리케이션
항공우주	터빈 블레이드, 연료 분사기, 열교환기, 구조용 브래킷, 위성 안테나
의료	개인 맞춤형 임플란트(고관절, 무릎 등), 수술 기구, 교정 장비
자동차	고성능 자동차 프로토타입, 맞춤형 브라켓, 경량 서스펜션 암
산업	컨포멀 냉각 금형 및 금형, 지그, 조립 및 검사용 고정구
석유 및 가스	고압 요구 사항을 위한 맞춤형 밸브, 펌프, 씰, 드릴 장비
방어	드론, 소형 무기 커스터마이징, 차량 및 방탄복 부품

어셈블리를 단일 부품으로 통합하고, 설계를 신속하게 맞춤화하며, 기존 제조 방식에 비해 리드 타임을 수개월에서 며칠로 단축할 수 있는 기능은 이러한 산업에서 생산 애플리케이션을 위한 SLM의 사용 증가를 뒷받침합니다.

SLM 프린터 제조업체

많은 회사에서 3D 프린터라고도 하는 SLM 장비를 제조합니다. 산업용 등급의 전문 금속 3D 프린터의 주요 업체는 다음과 같습니다:

선도적인 SLM 머신 공급업체

회사	세부 정보
EOS	SLM 기술, EOS 티타늄 Ti64와 같은 다양한 소재 옵션, 광범위한 항공우주 분야에서의 사용
3D Systems	데스크탑부터 산업용 프린터까지 광범위한 제품 라인
GE 애디티브	미국 최고의 공급업체, 바인더 제트 및 레이저 파우더 베드 옵션
레니쇼	마이크로 애플리케이션을 위한 고정밀 광학, 광범위한 재료 테스트
SLM 솔루션	자동화된 분말 처리 기능을 갖춘 신뢰할 수 있는 작업 장비
트럼프	레이저와 결합된 견고한 독일 엔지니어링 유산
Velo3D	새로운 지원 없는 접근 방식으로 새로운 지오메트리 구현

산업용 SLM 장비의 초기 장비 비용은 100만 달러에서 100만 달러 이상이지만, 사용 가능한 공간, 재료 요구 사항, 정확도 요구 사항, 예산 고려 사항에 따라 적합한 시스템을 선택하는 것이 중요합니다. 주요 제조업체는 다양한 빌드 크기, 속도를 위한 멀티 레이저 구성, 다양한 합금의 품질 및 반복성을 위한 특수 파라미터, 소프트웨어 자동화 기능 수준 등을 제공합니다.

SLM 머티리얼 속성

SLM 장비로 인쇄된 부품은 적층 제조와 빠른 응고로 인해 기존 주조 및 가공 방식에 비해 고유한 특성을 나타냅니다.

기계적 특성 비교 - SLM과 기존 제조 방식 비교

속성	SLM 첨가제 제조	전통 제조
밀도	거의 100%에 가까운 밀도	주조/가공 99%
표면 마감	레이어 라인 표시, Ra 6-14 μm	더 매끄러운 표면 마감
인장 강도	일반적으로 10-20% 더 높음	낮은 강도
휴식 시 신장	5-15% 감소	더 높은 연신율
경도	일부 합금의 경우 최대 2배까지 개선되었습니다.	낮은 경도

106°C/s를 초과하는 SLM 공정의 높은 냉각 속도는 준안정상을 가진 미세한 미세 구조를 생성합니다. 이는 수율 및 인장 강도 향상과 같은 우수한 기계적 특성과 함께 분말 응집으로 인한 최대 밀도를 설명합니다. 높은 경도와 내부 응력의 존재로 인해 연성이 제한되기 때문에 SLM 부품의 연신율은 일반적으로 더 낮습니다.

적절한 열처리와 열간 등방성 프레싱(HIP)은 내부 응력을 완화하고 물리적 특성을 더욱 최적화하는 동시에 일관성을 개선할 수 있습니다. 전체적으로 SLM은 99.5% 이상의 밀도를 달성하여 기존 제조 방식과 본질적으로 동일한 기능성 금속 부품을 생산할 수 있습니다.

SLM과 다른 3D 프린팅

SLM과 다른 적층 제조 방법의 비교

	SLM	바인더 분사	FDM	SLA
재료	금속	금속, 모래 주형	플라스틱	수지
원시 입력	파우더베드	파우더베드	릴에 필라멘트	액체 수지 통
프로세스	레이저 퓨즈 파우더	바인더 접착제 분말	필라멘트 가열 및 압출	레이저로 레진 레이어 경화
주요 속성	고밀도	저비용 금속 금형	열가소성 플라스틱	매끄러운 표면 마감
강점	복잡한 금속 부품	래피드 샌드 캐스팅 코어/몰드	기능적 프로토타입	매끄러운 표면 마감
약점	낮은 속도	취약한 저밀도	약한 역학	제한된 재료 옵션

SLM은 스캔 속도가 빨라 잔류 응력이 낮고 해상도가 높은 부품을 제작할 수 있다는 점에서 전자빔 용융(EBM)과 같은 다른 파우더 베드 용융 방식과 차별화됩니다. SLM은 완전 고밀도 기능성 금속 부품을 생산하는 반면 바인더 제트 3D 프린팅은 속도가 빠르지만 후처리 요구 사항이 더 많습니다. FDM 및 SLA 시스템은 사용 가능한 재료 강도 면에서 SLM 및 EBM 장비보다 크게 뒤떨어집니다.

SLM 사양

선택적 레이저 용융 기술을 사용하는 3D 프린터는 생산할 수 있는 재료, 정밀도 및 부품 크기를 결정하는 몇 가지 주요 매개 변수로 지정됩니다.

주요 SLM 머신 사양

매개변수	일반적인 범위	설명
레이저 파워	200-500W	파워가 높을수록 빌드 속도는 향상되지만 미세한 피처 해상도는 감소합니다.
레이어 두께	20-100 μm	레이어가 얇을수록 디테일은 향상되지만 빌드 시간은 길어집니다.
빔 크기	50-80 μm	초점 스팟 크기는 디테일의 복잡성과 용융 풀 제어에 영향을 미칩니다.
볼륨 구축	100-500mm 큐브	시스템에서 생산할 수 있는 최대 부품 치수
불활성 가스	질소 또는 아르곤	산화를 방지하고 아르곤으로 재료 특성을 개선합니다.
스캔 속도	최대 10m/s	빠른 스캔으로 부품 제작 시간 단축

이러한 핵심 기계 매개 변수와 파우더 예열을 위한 통합 가열 및 냉각 속도 제어와 같은 요소를 통해 기계적 특성을 조정할 수 있습니다. 또한 불활성 가스 챔버 환경은 부품 제작 시 레이저가 금속 파우더 베드에 수천 번 래스터링하는 동안 산화를 방지합니다.

정확도 및 표면 마감

3D 프린팅 부품의 치수 정확도와 표면 마감은 선택한 파라미터, 형상 복잡성, 후처리 및 작업자 기술에 따라 비교적 넓은 사양 범위에 속합니다.

SLM 정확도 및 표면 마감

메트릭	범위	설명
치수 정확도	± 0.1-0.3%(통상 ±50μm)	CAD와 빌드된 부품 간의 차이 측정
최소 벽 두께	0.3-0.5mm	인쇄 가능한 가장 얇은 피처
표면 거칠기(Ra)	6-14 μm	가공 부품보다 높은 거칠기
다공성	<1% 밀도	최적의 파라미터에서 거의 완전 밀집된 부품
잔여 스트레스	50-500 MPa	열처리로 완화해야 함

적절한 방향, 지지 구조, 빌드 플레이트 예열, 최적화된 스캔 전략, CNC 가공 및 연마와 같은 후처리 단계를 통해 마감 품질을 개선할 수 있습니다. 또한 치수 정확도는 적절하게 보정된 장비에 따라 크게 달라집니다.

후처리 요구 사항

SLM 시스템으로 부품 제작이 완료된 후에는 일반적으로 부품을 서비스에 투입하기 전에 추가적인 후처리가 필요합니다. 다음과 같은 단계가 포함될 수 있습니다:

파우더 케이크에서 부품 제거하기
지원 구조 제거
스트레스 완화 열처리
열간 등방성 프레스(HIP)
표면 연마, 샌드 블라스팅, 비드 블라스팅, 폴리싱
비파괴 검사

후처리는 표면 거칠기를 줄이고, 잔류 응력을 완화하고, 미세한 다공성을 막고, 치수 정밀도와 미관을 개선하는 것을 목표로 합니다.

구체적인 절차는 재료 유형, 생산 의도(프로토타입 대 기능 부품), 성능 요구 사항 및 필요한 중요 공차에 따라 결정됩니다.

비용 분석

사내 적층 제조 역량을 확보하고 운영하기 위한 투자 수익률 결정은 여러 변수에 따라 달라집니다.

SLM 비용 고려 사항

비용 요소	설명
기계 장비	빌드 볼륨, 멀티 레이저 옵션, 자동 분말 처리 및 복구와 같은 추가 기능에 따라 $150k - $1M+를 제공합니다.
시설 요구 사항	불활성 가스 처리 시스템, 배기 필터, 방폭 설계, 온도/습도 제어
설치 및 교육	기계 설정, 캘리브레이션, 소프트웨어 교육에 통상 2주 소요
노동	CNC 가공보다 기계 조작이 덜 집약적이지만 여전히 작업자 필요, CAM 전문가 추천
재료	분말 kg당 $100-500, 재활용성 다양, 합금별 최적화된 매개변수
포스트 프로세싱	인건비, 툴링, 외주 열처리, 표면 마무리
소프트웨어	전처리, 시뮬레이션, 원격 모니터링 앱용 $10k-$25k 제품군
R&D 반복	검증에 필수적인 애자일 프로세스를 사용하여 새 부품의 매개변수를 테스트합니다.
주문량	소량/중량 배치에 이상적 대 대량 주조/성형

총 운영 비용과 다음과 같은 가치 동인을 비교합니다:

- 경량화, 커스터마이징, 부품 통합을 위한 자유로운 설계

- 리드 타임을 수개월에서 수일/시간으로 단축

- 온디맨드 제조를 통한 공급망 간소화

- 강도 및 경도 증가와 같은 성능 향상

- 낭비를 최소화하는 지속 가능한 생산 방식과 빼기 방식의 차이점

- 항공우주 및 의료와 같은 고부가가치 부품의 수명 연장

생산성과 혁신의 이득을 정량화하는 것은 매우 중요합니다. 경험을 쌓으면 SLM을 통해 생산되는 부품당 총 비용이 소량 생산의 경우 CNC 가공과 비슷해질 수 있습니다.

업계 표준

비교적 새로운 기술인 적층 제조는 업계 전반의 사양, 코드 및 표준을 구현하기 위한 노력이 여전히 진행 중입니다.

SLM 표준화 환경

표준 기관	범위	특정 표준
ASTM F42	적층 제조 공정	테스트 방법, 용어, 프로세스 매개변수, 환경, 재료, 건강 및 안전
미국이 만드는	적층 제조 표준	국방, 항공, 우주, 해양 전반의 재료, 공정, 데이터 형식을 아우르는 적층 제조 표준 로드맵
ISO TC 261	AM 표준	17개 게시, 46개 개발 중(용어, 프로세스, 워크플로, QA, 환경, 안전 등)
ASME	적합성 평가	AM 부품 인증 프로그램, 코드 준수에 대한 AM 프로세스 인증

이러한 표준에 대한 인증은 공급망 전반에서 적층 가공 부품을 계약할 때 반복성과 신뢰성을 보장합니다. 또한 규정을 준수하면 항공우주 및 의료 기기처럼 규제가 엄격한 분야에서 더 폭넓게 채택할 수 있습니다.

사례 연구

항공우주 로켓부터 포뮬러 1 자동차에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 더 가볍고 튼튼한 부품을 만들기 위해 수많은 기업이 SLM의 설계 자유도와 빠른 리드 타임을 활용하고 있습니다.

SLM 적층 제조 적용 사례

산업	회사	Part	혜택
항공우주	SpaceX	슈퍼드라코 엔진 챔버	75% 비용 절감, 수개월이 아닌 며칠 만에 제공
항공	보잉	777X 브래킷	통합 어셈블리, 60% 더 가벼운 무게
자동차	부가티	브레이크 캘리퍼	40%로 질량 감소, 유체 흐름 최적화
의료	짐머 바이오멧	척추 임플란트	해부학적 구조에 맞는 맞춤형 모양, 골전도성 구조로 뼈의 성장을 돕습니다.

이러한 애플리케이션은 기존 제조의 제약을 뛰어넘는 SLM 부품의 성능을 보여줍니다. 더 많은 기업이 적층 제조 기술을 채택함에 따라 혁신의 가능성은 계속 확대되고 있습니다.