선택적 레이저 용융(SLM)은 레이저를 사용하여 금속 분말을 완전히 밀도가 높은 부품으로 융합하는 금속 적층 제조 공정입니다. 이 가이드에서는 SLM을 사용하여 적층 제조를 구현할 때 SLM 기술, 시스템, 재료, 애플리케이션, 이점 및 고려 사항을 검토합니다.
소개 적층 가공 SLM
선택적 레이저 용융(SLM)은 고출력 레이저를 활용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하여 CAD 데이터에서 직접 완전히 밀도가 높은 3D 부품을 만드는 분말층 융합 적층 제조 기술입니다.
SLM 기술의 주요 특성:
- 집중된 레이저 빔을 사용하여 분말 금속을 녹입니다.
- 각 레이어에서 필요한 경우에만 재료를 추가합니다.
- 주조 또는 기계 가공으로는 달성할 수 없는 복잡한 형상을 허용합니다.
- 고밀도로 거의 그물 모양의 금속 부품을 생성합니다.
- 재질에는 알루미늄, 티타늄, 스테인레스 스틸, 합금이 포함됩니다.
- 중소형 부품 제작 볼륨
- 복잡한 소량 부품에 이상적
- 금형이나 다이와 같은 단단한 툴링이 필요하지 않습니다.
- 절삭 방식에 비해 낭비가 크게 줄어듭니다.
- 경량 설계 및 부품 통합 가능
- 공학적 구조로 기능적 개선 가능
SLM은 이러한 기능을 통해 혁신적인 제품 설계 및 린 제조를 위한 판도를 바꾸는 이점을 제공합니다. 그러나 프로세스를 마스터하려면 전문 지식이 필요합니다.
SLM 적층 가공의 작동 방식
SLM 생산 프로세스는 다음과 같이 구성됩니다.
- 빌드 플레이트에 금속 분말을 얇게 펴서 레벨링
- 집중된 레이저 빔을 선택적으로 스캔하여 분말을 녹입니다.
- 빌드 플랫폼을 낮추고 레이어링과 멜팅을 반복
- 파우더 베드에서 완성된 부품 제거
- 필요에 따라 부품 후처리 – 청소, 열처리 등
SLM을 사용하여 고품질의 밀도가 높은 금속 부품을 얻으려면 레이저, 스캔 패턴, 챔버 분위기 및 기타 매개변수를 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
SLM 시스템은 레이저 발생기, 빔 전달 광학 장치, 분말 전달 시스템, 빌드 챔버, 불활성 가스 처리 및 중앙 제어 기능을 갖추고 있습니다. 성능은 시스템 엔지니어링 및 튜닝 빌드 매개변수에 따라 크게 달라집니다.
SLM 장비 제조업체
SLM 적층 제조 시스템의 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다.
| 회사 | 모델 | 빌드 크기 범위 | 재료 | 가격 범위 |
|---|---|---|---|---|
| SLM 솔루션 | NextGen, NXG XII | 250x250x300mm <br>500x280x365mm | Ti, Al, Ni, 강철 | $400k – $1.5M |
| EOS | 남 300, 남 400 | 250x250x325mm <br> 340x340x600mm | Ti, Al, Ni, Cu, 철강, CoCr | $500k – $1.5M |
| 트럼프 | TruPrint 3000 | 250x250x300mm <br> 500x280x365mm | Ti, Al, Ni, Cu, 강철 | $400k – $1M |
| 컨셉 레이저 | 엑스라인 2000R | 800x400x500mm | Ti, Al, Ni, 철강, CoCr | $1M+ |
| 레니쇼 | AM400, AM500 | 250x250x350mm <br>395x195x375mm | Ti, Al, 철강, CoCr, Cu | $500k – $800k |
시스템 선택은 빌드 크기 요구 사항, 재료, 품질, 비용 및 서비스 지원에 따라 달라집니다. 옵션을 적절하게 평가하려면 숙련된 SLM 솔루션 제공업체와 협력하는 것이 좋습니다.
SLM 프로세스 특성
SLM에는 다양한 프로세스 매개변수 간의 복잡한 상호 작용이 포함됩니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.
레이저 – 출력, 파장, 모드, 스캐닝 속도, 해치 간격, 전략
가루 – 재질, 입자크기, 형상, 투입속도, 밀도, 유동성, 재사용
온도 – 예열, 용융, 냉각, 열응력
분위기 – 불활성 가스 유형, 산소 함량, 유량
빌드 플레이트 – 재질, 온도, 코팅
스캔 전략 – 해치 패턴, 회전, 테두리 윤곽선
지원 – 최소화, 인터페이스, 제거
후처리 – 열처리, HIP, 가공, 마무리
최적화된 기계적 특성을 갖춘 결함 없는 부품을 얻으려면 이러한 매개변수 간의 관계를 이해하는 것이 필수적입니다.
SLM 부품 설계 지침
성공적인 SLM 적층 제조를 위해서는 적절한 부품 설계가 중요합니다.
- AM 원리를 염두에 둔 설계와 기존 방법 비교
- 무게, 재료 사용을 줄이고 성능을 향상시키기 위해 형상을 최적화합니다.
- 자체 지지 각도를 사용하여 지지대 필요성 최소화
- 설계 시 지원 인터페이스 영역 허용
- 응력을 줄이고 결함을 방지하기 위해 부품 방향 조정
- 형상의 열 수축 효과 고려
- 녹지 않은 분말 제거를 위한 내부 채널 설계
- 돌출부 또는 얇은 단면의 잠재적인 뒤틀림 해결
- 실제 거칠기를 고려한 디자인 표면 마감
- 피로 성능에 대한 레이어 라인의 영향 고려
- 파우더 베드에서 부품을 제거하기 위한 디자인 고정 인터페이스
- 소결되지 않은 분말의 갇힌 부피 최소화
시뮬레이션 소프트웨어는 프린팅하기 전에 복잡한 SLM 부품의 응력과 변형을 평가하는 데 도움이 됩니다.
SLM 재료 옵션
매개변수에 따라 최종 재료 특성이 달라지는 SLM 기술을 사용하여 다양한 합금을 가공할 수 있습니다.
| 범주 | 일반적인 합금 |
|---|---|
| 티타늄 | Ti-6Al-4V, Ti 6242, TiAl, Ti-5553 |
| 알루미늄 | AlSi10Mg, AlSi12, 스칼말로이 |
| 스테인리스 스틸 | 316L, 17-4PH, 304L, 4140 |
| 공구강 | H13, 머레이징강, 동공구강 |
| 니켈 합금 | 인코넬 625, 718, 헤인즈 282 |
| 코발트 크롬 | CoCrMo, MP1, CoCrW |
| 귀금속 | 금은 |
필요한 재료 성능을 달성하려면 호환되는 합금을 선택하고 적격한 제작 매개변수를 조정하는 것이 필수적입니다.
주요 SLM 애플리케이션
SLM은 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 기능을 지원합니다.
| 산업 | 일반적인 SLM 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, UAV 부품 |
| 의료 | 정형외과 임플란트, 수술 도구, 환자 맞춤형 장치 |
| 자동차 | 경량화 구성요소, 맞춤형 툴링 |
| 에너지 | 복잡한 오일/가스 밸브, 열교환기 |
| 산업 | 등각 냉각 인서트, 지그, 고정 장치, 가이드 |
| 방어 | 드론, 총기, 차량 및 방탄복 부품 |
기존 제조에 비해 다음과 같은 이점이 있습니다.
- 대량 맞춤화 기능
- 개발 시간 단축
- 성능 향상을 위한 설계의 자유
- 부품 통합 및 경량화
- 과도한 재료 사용 제거
- 공급망 통합
중요한 응용 분야에 SLM 부품을 적용할 때는 기계적 성능을 주의 깊게 검증해야 합니다.
장점과 단점 SLM 적층 제조
장점:
- 적층 공정을 통해 구현된 디자인의 자유
- 비용 증가 없이 복잡성 달성
- 금형이나 다이와 같은 단단한 툴링이 필요하지 않습니다.
- 하위 어셈블리를 단일 구성요소로 통합합니다.
- 유기적이고 토폴로지에 최적화된 구조로 경량화
- 맞춤화 및 소량 생산
- 주조/가공 대비 개발 시간 단축
- 미세 미세구조로 인한 높은 중량 대비 강도 비율
- 절삭 공정에 비해 재료 낭비를 크게 최소화합니다.
- 적시 및 분산 생산
- 부품 리드타임 및 재고 감소
제한사항:
- 다른 금속 AM 공정보다 작은 빌드 볼륨
- CNC 가공에 비해 정밀도와 표면 조도가 낮음
- 주조에 비해 자격을 갖춘 합금의 제한된 선택
- 빌드 매개변수를 최적화하기 위한 상당한 시행착오
- 층별 축적을 통한 이방성 재료 특성
- 잔류 응력 및 균열 결함 가능성
- 복잡한 내부 형상으로 인한 분말 제거의 어려움
- 최종 특성을 얻으려면 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
- 폴리머 3D 프린팅보다 장비 비용이 높음
- 특수시설 및 불활성가스 취급 필요
SLM을 적절하게 적용하면 다른 방법으로는 불가능했던 획기적인 성능이 가능해집니다.
SLM 적층 제조 구현
SLM 기술을 채택하는 주요 단계는 다음과 같습니다.
- 필요에 따라 적합한 애플리케이션 식별
- 선택한 설계에 대한 SLM 타당성 확인
- 엄격한 프로세스 적격성 프로토콜 개발
- 적합한 SLM 장비에 투자
- 금속 Powder Bed 공정 전문성 확보
- 엄격한 자재 품질 절차 확립
- 매개변수 개발 및 최적화 마스터하기
- 강력한 후처리 방법 구현
- 완제품 부품의 기계적 특성 인증
위험도가 낮은 애플리케이션에 초점을 맞춘 체계적인 도입 계획은 SLM 추가 기능을 추가할 때 발생할 수 있는 위험을 최소화합니다. 숙련된 SLM 서비스 사무소 또는 시스템 OEM과 협력하면 전문 지식에 접근할 수 있습니다.
SLM 생산 비용 분석
SLM 생산의 경제성에는 다음이 포함됩니다.
- 높은 기계 장비 비용
- 빌드 설정, 후처리, 품질 관리를 위한 노동
- 적합한 금속 분말 공급원료의 재료비
- 부품 마무리 - 가공, 드릴링, 디버링 등
- 간접비 – 시설, 불활성 가스, 유지보수
- 초기 시행착오 프로세스 개발
- 생산 경험과 수량에 따라 비용이 감소합니다.
- 1~500개 정도의 수량으로 경제적이 됩니다.
- 복잡한 형상에 대해 최고의 비용 이점을 제공합니다.
결함을 방지하려면 평판이 좋은 공급업체로부터 자격을 갖춘 합금을 선택하는 것이 좋습니다. 서비스 제공업체와 협력하면 더 빠르고 더 낮은 위험 채택 경로를 얻을 수 있습니다.
다른 프로세스와 SLM 비교
| 프로세스 | SLM과의 비교 |
|---|---|
| CNC 가공 | SLM은 절삭 공정을 통해 가공할 수 없는 복잡한 형상을 가능하게 합니다. 어려운 툴링이 필요하지 않습니다. |
| 금속 사출 성형 | SLM은 툴링 비용이 높지 않습니다. MIM보다 재료 특성이 더 좋습니다. |
| 다이 캐스팅 | SLM은 툴링 비용이 저렴합니다. 크기 제한이 없습니다. 매우 복잡한 형상을 얻을 수 있습니다. |
| 시트 적층 | SLM은 적층 복합재에 비해 완전히 조밀하고 등방성인 재료를 생성합니다. |
| 바인더 분사 | SLM은 소결이 필요한 다공성 바인더 분사 부품에 비해 완전히 밀도가 높은 녹색 부품을 생성합니다. |
| DMLS | SLM은 폴리머 DMLS보다 더 높은 정확도와 더 나은 재료 특성을 제공합니다. |
| EBM | 전자빔 용해는 SLM보다 구축 속도는 높지만 해상도는 낮습니다. |
각 프로세스는 응용 분야 요구 사항, 배치 크기, 재료 및 성능 요구 사항에 따라 특정한 이점을 제공합니다.
SLM 적층 가공의 미래 전망
SLM은 다음을 통해 향후 몇 년간 상당한 성장을 이룰 준비가 되어 있습니다.
- 더 많은 합금 가용성으로 지속적인 소재 확장
- 산업 규모의 생산을 가능하게 하는 더 큰 빌드 볼륨
- 향상된 표면 마감 및 더욱 엄격해진 공차
- 시스템 신뢰성 및 생산성 향상
- CNC 가공을 통합한 새로운 하이브리드 시스템
- 비용 절감으로 비즈니스 사례 실행 가능성 향상
- 추가 최적화 알고리즘 및 시뮬레이션
- 자동화된 지원 제거 및 사후 처리
- 규제 대상 산업에 적합한 부품의 성장
- 복잡한 디자인의 지속적인 발전
SLM은 그 기능이 뚜렷한 경쟁 우위를 제공하는 확장된 응용 분야의 주류가 될 것입니다.
자주 묻는 질문
SLM 기술로 어떤 재료를 가공할 수 있나요?
일반적으로 티타늄, 알루미늄, 스테인리스강, 공구강, 니켈 합금, 코발트 크롬이 가공됩니다.
SLM은 얼마나 정확합니까?
약 ±0.1-0.2%의 정확도가 일반적이며 최소 기능 분해능은 ~100미크론입니다.
SLM 시스템의 가격은 얼마입니까?
SLM 장비의 범위는 크기, 기능 및 옵션에 따라 $300,000부터 $1,000,000+까지입니다.
어떤 유형의 후처리가 필요합니까?
열처리, HIP, 표면 마감 및/또는 기계 가공이 활용될 수 있습니다. 지지대 제거도 필요합니다.
어떤 산업에서 SLM 적층 제조를 사용합니까?
항공우주, 의료, 자동차, 산업 및 방위 산업 분야는 SLM을 조기에 채택하고 있습니다.
SLM은 어떤 재료에 적합하지 않습니까?
구리나 금과 같은 반사율이 높은 금속은 여전히 까다롭습니다. 일부 합금의 재료 특성은 여전히 나타나고 있습니다.
어떤 표면 마감을 달성할 수 있습니까?
실제 SLM 표면 거칠기 범위는 5~15미크론 Ra입니다. 마무리는 이를 더욱 향상시킬 수 있습니다.
SLM으로 얼마나 큰 부품을 만들 수 있나요?
표준 제작 용적 범위는 최대 500mm x 500mm x 500mm입니다. 더 큰 기계는 더 큰 구성 요소를 수용합니다.
SLM은 최종 사용 생산 부품에 적합합니까?
예, SLM은 항공우주 및 의료 산업의 예를 들어 최종 생산 구성 요소에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.