SLM(선택적 레이저 용융)은 금속 부품을 위한 첨단 적층 제조 기술입니다. 이 가이드에서는 이 기술을 채택할 때 SLM 시스템, 프로세스, 재료, 애플리케이션, 장점 및 고려 사항을 심층적으로 살펴봅니다.
선택적 레이저 용융 소개
선택적 레이저 용융(SLM)은 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말 입자를 층별로 선택적으로 녹이고 융합하여 3D CAD 데이터에서 직접 완전히 밀도가 높은 금속 부품을 만드는 분말층 융합 적층 제조 공정입니다.
주요 특징 SLM 기술:
- 레이저를 사용하여 분말 금속을 선택적으로 녹입니다.
- 필요한 경우에만 재료를 추가합니다.
- 주조 또는 기계 가공으로는 달성할 수 없는 복잡한 형상을 허용합니다.
- 조밀하고 공극이 없는 금속 부품 생성
- 일반적인 재료에는 알루미늄, 티타늄, 강철, 니켈 합금이 포함됩니다.
- 소형부터 중형 부품 크기까지 가능
- 복잡하고 부피가 작은 부품에 이상적
- 금형 및 다이와 같은 단단한 툴링이 필요하지 않습니다.
- 빼기 방법에 비해 낭비가 줄어듭니다.
- 공학적 구조로 성능 향상 가능
SLM은 혁신적인 제품 설계와 린 제조를 위한 판도를 바꾸는 기능을 제공합니다. 그러나 프로세스를 마스터하려면 전문적인 전문 지식이 필요합니다.
선택적 레이저 용융의 작동 원리
SLM 프로세스에는 다음이 포함됩니다.
- 빌드 플레이트에 금속 분말을 얇게 펴 바르기
- 집중된 레이저 빔을 스캔하여 분말을 선택적으로 녹이는 방법
- 빌드 플레이트를 낮추고 적층과 녹는 과정을 반복
- 파우더 베드에서 완성된 부품 제거
- 필요에 따라 부품 후처리
결함 없는 조밀한 부품을 얻으려면 에너지 입력, 스캔 패턴, 온도 및 대기 조건을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다.
SLM 시스템은 레이저, 광학, 분말 전달, 빌드 챔버, 불활성 가스 처리 및 제어 기능을 갖추고 있습니다. 성능은 시스템 설계 및 빌드 매개변수에 따라 크게 달라집니다.
SLM 기술 공급업체
주요 SLM 시스템 제조업체는 다음과 같습니다.
| 회사 | 모델 | 빌드 크기 범위 | 재료 | 가격 범위 |
|---|---|---|---|---|
| SLM 솔루션 | NextGen, NXG XII | 250x250x300mm <br> 800x400x500mm | Ti, Al, Ni, 강철 | $400,000 – $1,500,000 |
| EOS | 남 300, 남 400 | 250x250x325mm <br> 340x340x600mm | Ti, Al, Ni, Cu, 철강, CoCr | $500,000 – $1,500,000 |
| 트럼프 | TruPrint 3000 | 250x250x300mm <br> 500x280x365mm | Ti, Al, Ni, Cu, 강철 | $400,000 – $1,000,000 |
| 컨셉 레이저 | 엑스라인 2000R | 800x400x500mm | Ti, Al, Ni, 철강, CoCr | $1,000,000+ |
| 레니쇼 | AM400, AM500 | 250x250x350mm <br> 395x195x375mm | Ti, Al, 철강, CoCr, Cu | $500,000 – $800,000 |
시스템 선택은 빌드 크기 요구 사항, 재료, 품질, 비용 및 서비스에 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 – 전력, 파장, 모드, 스캐닝 속도, 해치 거리, 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 – 필요성 최소화, 인터페이스, 제거
후처리 – 열처리, HIP, 가공, 마무리
결함 없는 부품과 최적의 기계적 특성을 달성하려면 이러한 매개변수 간의 관계를 이해하는 것이 필수적입니다.
SLM 설계 지침
SLM 성공을 위해서는 적절한 부품 설계가 중요합니다.
- 기존 방법과 비교하여 적층 제조를 염두에 둔 설계
- 무게와 재료를 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 허용
- 녹지 않은 분말 제거를 위한 내부 채널 설계
- 돌출부 또는 얇은 단면의 잠재적인 뒤틀림 고려
- 실제 거칠기를 고려한 디자인 표면 마감
- 피로 성능에 대한 레이어 라인의 영향 고려
- 원시 부품에 대한 디자인 고정 인터페이스
- 소결되지 않은 분말의 갇힌 부피 최소화
시뮬레이션 소프트웨어는 복잡한 SLM 부품의 응력과 변형을 평가하는 데 도움이 됩니다.
SLM 재료 옵션
다양한 합금을 SLM으로 가공할 수 있으며 재료 특성은 사용된 매개변수에 따라 달라집니다.
| 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 매개변수를 조정하는 것이 필수적입니다.
주요 SLM 애플리케이션
SLM은 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 기능을 지원합니다.
| 산업 | 일반적인 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, 위성 및 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, 군비, 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 기술
장점:
- 적층 제조로 실현되는 설계의 자유
- 추가 비용 없이 복잡성 달성
- 하드 툴링의 필요성 제거
- 하위 어셈블리를 단일 부품으로 통합합니다.
- 토폴로지 최적화 구조로 인한 경량화
- 맞춤화 및 소량 생산
- 주조/가공에 비해 개발 시간 단축
- 미세한 미세구조로 인한 높은 강도/중량 비율
- 절삭 공정에 비해 재료 낭비 최소화
- 적시 및 분산 생산
- 부품 리드타임 및 재고 감소
제한사항:
- 다른 금속 AM 공정보다 작은 빌드 볼륨
- 가공에 비해 치수 정밀도와 표면 조도가 낮음
- 주조에 비해 자격을 갖춘 합금의 제한된 선택
- 빌드 매개변수를 최적화하기 위한 상당한 시행착오
- 레이어링으로 인한 이방성 재료 특성
- 잔류 응력 및 균열 가능성
- 복잡한 형상으로 인한 분말 제거 문제
- 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 기술 채택
SLM 구현에는 다음과 같은 과제가 수반됩니다.
- 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
- 자재 품질 절차 및 표준 수립
- 빌드 매개변수 개발 및 최적화 마스터하기
- 강력한 후처리 방법 구현
- 완제품 부품의 기계적 특성 인증
위험도가 낮은 애플리케이션에 초점을 맞춘 체계적인 도입 계획은 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
- 금속분말 공급원료의 재료비
- 부품 마무리 - 가공, 드릴링, 디버링 등
- 간접비 – 시설, 불활성 가스, 유틸리티, 유지 관리
- 초기 시행착오 개발 시간
- 설계 최적화 및 생산 경험으로 비용 절감
- 1~500개 단위의 소량 생산으로 경제적입니다.
- 복잡한 형상에 대해 최고의 비용 이점을 제공합니다.
결함을 방지하려면 평판이 좋은 공급업체로부터 자격을 갖춘 합금을 선택하는 것이 좋습니다. 서비스 제공업체와 협력하면 더 빠르고 낮은 위험 채택 경로를 제공할 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 높은 툴링 비용을 없애줍니다. MIM보다 재료 특성이 더 좋습니다. 더 적은 양이 가능합니다. |
| 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 친환경 부품을 제공합니다. |
| DMLS | SLM은 DMLS 폴리머 시스템보다 더 높은 정확도와 더 나은 재료 특성을 제공합니다. |
| EBM | 전자빔 용해는 SLM보다 구축 속도는 높지만 해상도는 낮습니다. |
각 프로세스는 특정 응용 분야, 배치 크기, 재료, 비용 목표 및 성능 요구 사항에 따라 장점이 있습니다.
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 공차
- 시스템 신뢰성 및 생산성 향상
- 가공을 통합한 새로운 하이브리드 시스템
- 비용 절감으로 비즈니스 사례 확장 개선
- 추가 최적화 알고리즘 및 시뮬레이션
- 자동화된 후처리 통합
- 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
SLM으로 어떤 재료를 가공할 수 있나요?
티타늄과 알루미늄 합금이 가장 일반적입니다. 공구강, 스테인리스강, 니켈 합금, 코발트 크롬도 가공됩니다.
SLM은 얼마나 정확합니까?
약 ±0.1-0.2%의 정확도가 일반적이며 최소 기능 분해능은 ~100미크론입니다.
SLM 장비의 가격은 얼마입니까?
SLM 시스템의 범위는 크기, 기능 및 옵션에 따라 $300,000부터 $1,000,000+까지입니다.
어떤 유형의 후처리가 필요합니까?
열처리, HIP, 표면처리, 가공 등의 후처리가 필요할 수 있습니다.
SLM을 사용하는 산업은 무엇입니까?
항공우주, 의료, 자동차, 산업, 방위 산업은 SLM을 조기에 채택한 산업입니다.
SLM은 어떤 재료에 적합하지 않습니까?
구리나 금과 같은 반사율이 높은 금속은 여전히 까다롭습니다. 일부 재료 특성은 여전히 나타나고 있습니다.
일반적인 표면 마감은 무엇입니까?
실제 SLM 표면 거칠기 범위는 5~15미크론 Ra입니다. 마무리는 이를 개선할 수 있습니다.
SLM으로 얼마나 큰 부품을 만들 수 있나요?
최대 500mm x 500mm x 500mm의 볼륨이 일반적입니다. 더 큰 기계는 더 큰 부품을 수용합니다.
SLM은 생산 제조에 적합합니까?
예, SLM은 항공우주 및 의료 산업의 예를 들어 최종 사용 생산 부품에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
SLM은 EBM과 어떻게 비교됩니까?
SLM은 더 미세한 세부 정보를 얻을 수 있는 반면 EBM은 더 빠른 빌드 속도를 제공합니다. 둘 다 완전히 밀도가 높은 금속 부품을 제공합니다.