선택적 레이저 용융(SLM)은 적층 제조 또는 레이저를 사용하여 금속 분말을 한 층씩 고체 부품에 융합하는 3D 프린팅 기술입니다. 최종 부품의 특성은 사용되는 금속 분말의 특성에 따라 결정됩니다. 이 문서에서는 구성, 특성, 응용 분야, 사양, 가격, 장단점 등 SLM 파우더에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.
선택적 레이저 용융 분말 개요
선택적 레이저 용융 분말(SLM 분말이라고도 함)은 SLM 적층 제조 공정에 사용되는 원재료입니다. SLM은 고출력 레이저를 사용하여 분말 금속 합금을 녹여 완전히 밀도가 높은 3D 부품으로 용융 및 융합합니다.
SLM 분말은 보통 15~45미크론 크기의 미세한 금속 분말입니다. 가장 일반적인 SLM 파우더는 알루미늄, 티타늄, 니켈, 코발트 및 스테인리스강을 기반으로 하는 합금입니다. 파우더의 구성과 입자 크기 분포에 따라 선택적 레이저 용융으로 프린트되는 부품의 특성이 결정됩니다.
원하는 기계적 특성, 정밀도, 표면 마감 및 미세 구조를 갖춘 고품질 부품을 생산하려면 올바른 SLM 파우더를 선택하는 것이 중요합니다. 이 가이드에서는 다양한 유형의 SLM 파우더, 적용 분야, 사양, 가격, 장단점, 주요 글로벌 공급업체에 대한 자세한 정보를 제공합니다.
SLM 파우더의 주요 특징
- 정밀한 레이저 용융을 위한 15~45미크론 범위의 초미세 분말 크기
- 분말 유동성을 위한 구형 형태
- 결함을 최소화하는 화학적으로 순수한 성분
- 제어된 입자 크기 분포로 분리 방지
- 불활성 가스 분무 생산 방식
- 속성 향상을 위한 합금 첨가
- 흐름과 용융을 개선하기 위한 독점 코팅이 포함될 수 있습니다.
표 1: 선택적 레이저 용융 분말의 종류
| 파우더 유형 | 일반적인 합금 | 특성 |
|---|---|---|
| 알루미늄 | AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg0.6 | 낮은 밀도, 우수한 열 전도성 |
| 티타늄 | Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl | 고강도, 생체 적합성 |
| 니켈 | 인코넬 718, 인코넬 625 | 내열성 및 내식성 |
| 코발트 크롬 | CoCr, CoCrMo | 생체 적합성, 고경도 |
| 공구강 | H13, 마레이징 스틸 | 높은 경도, 내마모성 |
| 스테인리스 스틸 | 316L, 17-4PH, 420 | 내식성, 고강도 |
SLM 파우더의 구성
SLM 분말은 가스 분무를 사용하여 다양한 합금으로 만든 구형 금속 분말입니다. 이 구성에 따라 프린트된 부품의 재료 특성이 결정됩니다.
표 2: 일반적인 SLM 분말 합금의 구성
| 합금 | 일반적인 구성 |
|---|---|
| AlSi10Mg | 90% Al, 10% Si, 0.5% Mg |
| Ti6Al4V | 90% Ti, 6% Al, 4% V |
| 인코넬 718 | 50% Ni, 19% Cr, 18% Fe, 5% Nb |
| CoCrMo | 60% Co, 30% Cr, 7% Mo |
| 316L 스테인리스 스틸 | 70% Fe, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo |
SLM 분말의 주요 합금 원소는 다음과 같습니다:
- 알루미늄 - 녹는점을 낮추고 열 전도성을 높입니다.
- 실리콘 - 유동성 및 용접성 향상
- 마그네슘 - 강화제
- 티타늄 - 생체 적합성, 고강도
- 알루미늄 - 티타늄 합금의 알파 및 베타 안정제
- 바나듐 - 티타늄 합금의 베타 안정제
- 니켈 - 내식성, 연성
- 크롬 - 산화 및 내식성
- 철 - 초합금의 강도에 기여합니다.
- 니오븀 - 초합금의 강화 원소
- 몰리브덴 - 초합금의 고체 솔루션 강화
- 코발트 - 고온 강도 향상
미량 불순물을 최소화하여 SLM 인쇄 부품의 결함을 줄입니다.
SLM 파우더의 특성
SLM 파우더의 특성은 3D 프린팅 부품의 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 바람직한 특성으로는 우수한 유동성, 고순도, 최적화된 입자 크기 분포 등이 있습니다.
표 3: SLM 파우더의 주요 특성
| 속성 | 일반적인 범위 | 중요성 |
|---|---|---|
| 입자 크기 | 15 - 45 미크론 | 디테일의 정밀도, 해상도 |
| 파티클 모양 | 구형 | 흐름성 개선 |
| 유동성 | 우수 | 분말 응집 방지 |
| 겉보기 밀도 | 이론적 밀도 50% 이상 | 레이저 흡수, 치밀화 개선 |
| 탭 밀도 | 최대 65%의 이론적 밀도 | 유동성, 포장 밀도 표시 |
| 잔류 산소 | <0.1 wt% | 산화 결함 방지 |
| 잔류 질소 | <0.04 wt% | 질화물 내포물 방지 |
| 잔류 탄소 | <0.03 wt% | 카바이드 침전물 방지 |
또한 SLM 파우더는 분리 문제를 방지하기 위해 입자 크기 분포가 좁은 범위로 최적화되어 있습니다. 대부분의 SLM용 파우더는 10~20미크론 이내의 D10 및 D90 값을 갖습니다.
파우더 베드 밀도, 유동성, 퍼짐성, 재활용성 등의 SLM 파우더 특성은 프린트된 부품의 품질을 결정합니다. 파우더는 이러한 요소의 균형을 맞추도록 설계됩니다.
SLM 파우더의 응용 분야
SLM 파우더는 다양한 산업 분야에서 기능성 금속 부품을 프린트하는 데 사용됩니다:
표 4: 선택적 레이저 용융 분말의 응용 분야
| 산업 | 일반적인 애플리케이션 | 사용되는 일반적인 재료 |
|---|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 로켓 노즐 | 인코넬, 티타늄 |
| 자동차 | 경량화 부품, 맞춤형 지오메트리 | 알루미늄, 공구강 |
| 의료 | 치과용 코핑, 임플란트, 수술 도구 | 티타늄, 코발트 크롬 |
| 일반 엔지니어링 | 신속한 프로토타입, 툴링, 최종 사용 부품 | 스테인리스 스틸, 공구강 |
부품 생산에 있어 SLM의 주요 이점은 다음과 같습니다:
- 주조 또는 가공으로는 불가능한 복잡한 형상을 생성할 수 있습니다.
- 하드 툴링 없이 온디맨드 맞춤형 부품
- 기능에 맞게 설계를 최적화하여 무게 감소
- 어셈블리를 단일 부품으로 통합
- 설계부터 부품 제작까지 소요 시간 단축
SLM은 산업 전반에 걸쳐 최종 사용 금속 부품의 소량에서 중량 생산에 적합합니다.
SLM 파우더의 사양
SLM 분말은 조성, 입자 크기 분포, 형태, 유동 특성, 겉보기 밀도, 오염 수준 및 미세 구조 측면에서 엄격한 사양을 충족해야 합니다.
표 5: 선택적 레이저 용융 분말의 일반적인 사양
| 매개변수 | 일반 사양 | 테스트 방법 |
|---|---|---|
| 분말 구성 | 합금 사양 제한 이내 | ICP-OES 화학 분석 |
| 입자 크기 | D10: 10-25 μm <br> D50: 20-35 μm <br> D90: 30-45 μm | 레이저 회절 |
| 파티클 모양 | >80% 구형, 최소 위성 | SEM 이미징 |
| 겉보기 밀도 | >합금 이론 밀도 50% 이상 | 홀 유량계 |
| 탭 밀도 | 최대 65%의 이론적 밀도 | 탭 밀도 테스터 |
| 유동성 | 휴식 각도 <30° | 홀 유량계 |
| 잔류 산소 | <0.1 wt% | 불활성 기체 융합 분석 |
| 잔류 질소 | <0.04 wt% | 불활성 기체 융합 분석 |
| 잔류 탄소 | <0.03 wt% | 연소 적외선 감지 |
선도적인 SLM 분말 공급업체는 자체 분말 특성화 시설을 갖추고 있어 고객에게 납품하기 전에 각 분말 배치에 대해 이러한 매개변수를 충족하는지 확인합니다.
선택적 레이저 용융 분말의 가격
SLM 분말의 가격은 합금 구성, 품질, 공급업체, 구매 수량 및 지역에 따라 달라집니다. 몇 가지 일반적인 파우더 가격은 아래와 같습니다:
표 6: 인기 있는 SLM 분말 합금의 표시 가격 범위
| 합금 | kg당 가격 |
|---|---|
| AlSi10Mg 알루미늄 합금 | $50 – $120 |
| Ti6Al4V 티타늄 합금 | $350 – $600 |
| 인코넬 718 | $150 – $250 |
| 스테인리스 스틸 316L | $50 – $100 |
| 코발트 크롬 | $110 – $250 |
티타늄과 같은 반응성 합금은 가격이 가장 높고 알루미늄 및 스테인리스 스틸과 같은 일반 합금은 가장 낮습니다. 항공우주 등급은 일반 합금보다 가격이 비쌉니다. SLM 파우더 공급업체에서 대량 구매 할인을 받을 수 있습니다.
전체적으로 재료비는 금속 3D 프린팅의 총 부품 비용 중 15-30%를 차지합니다. 파우더 자체가 이 재료 비용의 대부분을 차지합니다. 미용융 파우더의 재사용을 최적화하면 평균 부품 비용을 낮출 수 있습니다.
SLM 파우더의 선도적 공급업체
많은 회사에서 SLM 적층 제조를 위해 특별히 설계된 가스 원자화 금속 분말을 제공합니다. 주요 글로벌 공급업체는 다음과 같습니다:
표 7: 선택적 레이저 용융 분말의 주요 공급업체
| 회사 | 본사 | 주요 합금 |
|---|---|---|
| AP&C | 캐나다 | Ti, Al, Co 합금 |
| 목수 첨가제 | 미국 | Ti, Al, Co, Cu 합금 |
| EOS | 독일 | Ti, Al, Ni 합금 |
| 샌드빅 오스프리 | UK | Ti, Al, Ni, 스테인리스, 공구강 |
| SLM 솔루션 | 독일 | Ti, Al, Ni, Co 합금 |
| 린데 | 독일 | Ti, Al, 스테인리스, 공구강 |
| 프렉스에어 | 미국 | Ti, Co, Ni 합금 |
| LPW 기술 | UK | Ti, Al, CoCr, 인코넬 |
이 회사들은 분무 기술과 고급 특성 분석에 투자하여 SLM 파우더가 고품질 부품을 3D 프린팅하기 위한 엄격한 요구 사항을 충족하도록 보장합니다. 이들 업체는 SLM에 적합한 다양한 재료 옵션을 제공합니다.
SLM 파우더의 장단점
표 8: 선택적 레이저 용융 분말의 장점과 한계
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 고해상도를 위한 매우 미세한 크기 | 주조/가공에 비해 제한된 합금 옵션 |
| 우수한 흐름 특성 | 오염되기 쉬운 Ti와 같은 반응성 합금 |
| 위성이 적은 구형 형태 | 습기에 민감하므로 주의해서 다루어야 합니다. |
| 화학적으로 순수하여 결함 최소화 | 금속성 분말은 건강에 위험을 초래합니다. |
| 제어된 입자 크기 분포 | 표준 파우더보다 높은 비용 |
| SLM을 위해 설계된 맞춤형 합금 | 제한된 공급업체 및 일부 합금의 가용성 |
| 불활성 가스 분무로 산화 방지 | 사용하지 않은 파우더는 폐기하지 말고 재사용해야 합니다. |
장점
- 15~45미크론 크기의 미세한 SLM 파우더를 사용하면 매우 높은 해상도와 작은 피처를 인쇄할 수 있습니다.
- 구형 입자 모양과 우수한 유동성으로 인쇄 시 분말 응집 및 이송 문제를 방지합니다.
- 높은 화학적 순도는 인쇄된 부품의 내포물 및 공극과 같은 결함을 최소화합니다.
- 입자 크기 분포가 최적화되어 분리를 방지하고 균일한 용융을 보장합니다.
- 전문 공급업체는 SLM 애플리케이션에 적합한 조성을 갖춘 맞춤형 합금을 엔지니어링합니다.
- 불활성 가스 분무로 분말 산화를 방지합니다.
단점
- 기존 제조 방식에 비해 SLM에 사용할 수 있는 합금의 수가 적습니다.
- 티타늄과 같은 반응성 합금은 오염을 방지하기 위해 특별한 취급이 필요하므로 비용이 증가합니다.
- 미세 분말인 SLM 소재는 보관 및 취급 시 습기 흡수에 민감합니다.
- 금속 분말은 분진 폭발 및 건강 위험과 같은 위험을 초래할 수 있으므로 안전 예방 조치가 필요합니다.
- SLM 합금은 특수한 생산 공정으로 인해 표준 분말 등급보다 훨씬 더 많은 비용이 듭니다.
- 일부 합금의 경우 공급업체가 매우 적어 가용성과 재료 품질이 제한됩니다.
- 용융되지 않은 파우더는 지속 가능성 및 비용 문제로 인해 단순히 폐기할 수 없으며 재사용해야 합니다.
SLM 파우더 선택 방법
용도에 맞는 최적의 SLM 파우더를 선택하려면 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다:
- 부품 기능 - 기계적 요구 사항, 스트레스, 작동 조건
- 합금 속성 - 강도, 경도, 연성, 내열성
- 사후 처리 요구 사항 - 열처리 반응, 가공성
- 프로세스 요인 - 파우더 베드 밀도, 레이저 흡수, 유동성
- 비용 고려 사항 - 재료 가격, 장비에 미치는 영향
부품 기능은 주로 합금 선택의 기준이 됩니다. 응력이 높은 중요 부품에는 최대 밀도와 기계적 특성을 달성할 수 있는 분말이 필요합니다. 덜 중요한 시제품 제작에는 더 많은 유연성을 제공합니다.
인쇄 속도, 달성 가능한 정확도, 표면 마감과 같은 공정 요소도 파우더에 따라 달라집니다. 실제 프린터에서 후보 재료를 벤치마킹하면 가장 적합한 재료를 찾을 수 있습니다.
비용이 중요한 역할을 합니다. 항공우주 분야에 사용되는 고성능 합금은 기존 등급보다 훨씬 더 비쌉니다. 고유한 합금은 단일 공급업체에서만 구할 수 있습니다.
재료 성능 및 비용에 대한 응용 분야 요구 사항을 철저히 평가하면 최적의 SLM 분말을 선택할 수 있습니다.
SLM 파우더 보관 및 취급 방법
재료의 열화를 방지하고 고품질의 프린트 부품을 보장하려면 SLM 파우더를 신중하게 취급하고 보관하는 것이 필수적입니다:
- 개봉하지 않은 용기는 햇빛과 습기가 없는 서늘하고 건조한 곳에 보관하세요. 과도한 열을 피하세요.
- 산화를 방지하기 위해 산소가 10ppm 미만인 불활성 글러브 박스에서만 파우더 용기를 개봉하세요.
- 정전기가 쌓이지 않도록 적절한 접지를 사용하여 글로브박스에 파우더를 옮기세요. 니트릴 장갑을 착용하세요.
- 보관 중에는 용기를 단단히 밀봉하세요. 비닐봉지가 아닌 정품 용기만 사용하세요.
- 대용량의 경우, 불활성 가스 시스템이 통합된 기계에 분말을 보관하세요.
- 재사용하기 전에 권장 메쉬 크기에 파우더를 체에 걸러 덩어리를 부수고 오염 물질을 제거하세요.
- 필요한 경우 분말 건조 오븐과 진공 열 탈기기를 사용하여 수분 수준을 낮추세요.
- 사용한 파우더를 폐기할 때는 공기 중 먼지 위험을 방지하기 위해 물에 적신 후 유해 폐기물로 처리하세요.
- 개인 보호 장비 및 폭발 방지를 포함하여 미세 금속 분말을 취급할 때 모든 안전 예방 조치를 준수하세요.
적절한 파우더 관리를 통해 인쇄 실행 간 일관성을 유지하고 최대 80-90%의 미융착 파우더를 재사용할 수 있습니다. 이를 통해 수율을 극대화하는 동시에 원자재 비용을 최소화할 수 있습니다.
선택적 레이저 용융 파우더 FAQ
Q: SLM 분말의 일반적인 입자 크기 범위는 어떻게 되나요?
A: 대부분의 SLM 파우더는 크기가 15~45미크론이며, 대부분의 입자는 20~35미크론 범위입니다. 파우더가 미세할수록 해상도가 향상되지만 크기가 클수록 디테일과 정확도가 떨어집니다.
Q: SLM 파우더는 어떻게 생산되나요?
A: SLM 분말은 용융된 합금 스트림이 구형 입자로 응고되는 방울로 부서지는 불활성 가스 분무 방식으로 만들어집니다. 이렇게 하면 분말의 산화를 방지할 수 있습니다.
Q: 분말의 "겉보기 밀도"와 "탭 밀도"는 무엇을 의미하나요?
A: 겉보기 밀도는 정상적인 조건에서 측정한 벌크 밀도입니다. 탭 밀도는 분말 샘플을 기계적으로 두드려 압축한 후 얻은 밀도 증가입니다. 밀도가 높을수록 파우더 베드 특성이 향상됩니다.
Q: SLM 분말에 흐름 특성이 중요한 이유는 무엇인가요?
A: 파우더 흐름과 퍼짐성이 우수하여 균일한 층을 형성하여 일관된 용융을 보장하고 응집 문제를 방지합니다. 구형 입자는 불규칙한 모양에 비해 흐름을 개선합니다.
Q: 인쇄 후 SLM 파우더는 어떻게 재사용합니까?
A: 융합되지 않은 분말은 체로 쳐서 덩어리를 부수고 진공 건조하여 수분을 낮춘 다음 재사용하기 전에 새로운 분말과 혼합합니다. 이를 통해 80% 이상의 재활용률을 달성할 수 있습니다.
Q: SLM 분말을 취급할 때 어떤 안전 예방 조치가 필요하나요?
A: 금속 분말은 폭발, 화재 및 건강상의 위험을 초래할 수 있습니다. 적절한 PPE, 적절한 환기, 적절한 접지, 불활성 가스 글러브박스를 사용하세요. 절대로 야외에서 분말을 붓지 마세요.
