분말베드용융방식(PBF) 알아보기 : SLS, SHS, DMLS

분말을 활용해 형상을 만드는 3D프린터 기술인 분말베드용융방식, 흔히 PBF방식이라고 말하는 이 방식에 대해 알아보도록 하겠습니다.

이 방식의 대표적인 기술로는 SLS, SHS, DMLS방식이 있는데요, PBF방식은 금속 3d프린터로도 많이 알려져 있습니다.

지금부터 분말베드용융방식에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

1. 정의

얇게 분말 재료를 필드에 깐 다음 레이저로 선택된 부분만 녹여 굳히기를 반복해 제품을 만드는 방식으로 금속분말, 특수모래, 합성수지 등 분말로 된 소재라면 무엇이든지 출력 가능합니다.

일반적으로 파우더를 공급하는 곳과 파우더에 CO2레이저를 조사하여 녹여주는 베드로 구분되어 있는데, 베드에 도포된 파우더에 레이저를 조사하여 굳히고 나면 베드가 한층 아래로 내려가게 되고, 롤러 등을 이용해 파우더를 한층 도포해주고, 또 레이저를 조사하는 과정을 반복하며 조형물을 만드는데 쉽게 말해 분말을 한층씩 덮으면서 적층한다고 생각하면 됩니다.

꽤 섬세한 출력품질을 보여주지만 분말의 입자가 균일해야 하고, 각 소재별로 레이저의 세팅을 따로 해야 하므로 세팅이 힘든 편이며 3D프린터 장비와 재료 모두 금액이 비싼 편이며 유지보수 비용 또한 만만치 않다고 합니다.

분말베드용융방식은 최근 금속 3d프린팅이 우주항공분야, 메디컬분야 등에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

2. 작동원리

① 분말을 블레이드와 롤러 등을 이용해 분말 베드에 얇고 평평하게 깐다.

② 얇게 깔린 분말에 레이저를 선택적으로 조사하여 수평면상에서 원하는 턴을 만든다.

③ 다시 그 위에 분말을 얇게 깔고, 평탄화를 하여 이 분말에 다시 레이저를 선택적으로 조사한다.

④ 위 방식을 중복하며 형상을 만든다.

3. 특징

고에너지원을 하용하기 때문에 금속 산화의 우려가 있어 불활성 가스로 채운 챔버(chamber) 구조를 채용하는데 이로 인해 대형화에 한계가 있으나 진공 챔버에 공정이 이루어지므로 프린팅 공정에서 산소에 의한 산화가 원칙적으로 발생하지 않아 임플라트에 많이 활용되고 있는 티타늄 파우더는 활용이 가능합니다.

금속 분말 외 필요에 따라서는 플라스틱 계열, 수지 코팅 세라믹 계열의 사용도 가능하며 플라스틱 계열의 프린팅 시 수축과 변형이 있고, 금속 계열의 경우 응력이 기술적 이슈라고 합니다.

 

보통 사용되는 분말은 직경이 수십um이며 최근에는 직경이 5um 분말이 사용되고 있는데 이런 분말을 사용할 경우 수직방향의 해상도인 layer resolution은 20~40um정도 수준으로 맞출 수 있어 정교한 프린팅이 가능하기 때문에 일반적인 방법으로는 제조가 까다로운 하드 메탈이 있는 합금의 경우 PBF방식이 대안이 될 수 있다고 기대하고 있습니다.

 

<장단점>

① 작고 정밀한 부품을 제작할 때 유리하다.

② 정교한 출력이 가능하다.

③ 복잡한 형상 제작이 가능하다.

④ 기존 부품에 덧붙여 가공하는 것은 어렵다.

4. SLS방식

SLS방식은 Selective Laser Sintering의 약자로 선택적 레이저 소결방식이라고 하는데요, 베드에 도포되어 있는 파우더에 선택적으로 레이저를 쏘면 레이저에 맞은 부분의 분말을 가열해 결합되며 형상을 만드는 방식입니다.

소결되지 않은 분말은 그대로 재사용이 가능하기 때문에 소재 낭비가 없고, 소결되지 않은 분말이 서포트 역할을 해주기 때문에 별도의 서포트가 필요치 않으며 표면 품질이 좋습니다.

 

이 방식의 가장 큰 장점은 분말 형태의 재료를 사용하므로 소재의 선택 범위가 넓다는 점인데요, 분말 입자를 균일하게 할 수만 있다면 어떤 재료든 사용 가능하며 레이저의 출력 재료에 따라 다르게 설정하면 됩니다.

 

SLS방식의 가장 큰 단점은 분말 덩어리에서 출력물을 떼어내기 전에 완전하고, 균등하게 냉각시키는 과정을 거쳐야 하는데 이 과정에서 시간이 걸리고 분말을 털어내기 위한 별도의 작업이 필요하다는 것입니다.

붓, 흡입기, 분사기 등을 사용해야 하며 미세입자가 발생해 인체에 유해하기 때문에 보호 마스크나 안전장비를 착용하고 작업해야 합니다.

 

<장점>

① 별도의 지지대가 필요없다.

- 소결되지 않은 원재료 분말들이 지지대 역할을 하기 때문에 지지대가 필요 없습니다.

② 조형 속도가 다른 방식에 비해 빠른 편이다.

③ 소재가 다양하다.

- 미세 플라스틱 분말, 모래, 금속성분의 가르 등 다양한 원료를 사용할 수 있다.

④ SLA방식의 출력물보다 견고하다.

⑤ 표면 품질이 좋다.

 

<단점>

① 장비 금액이 비싸다.

② 금속 재료 활용 시 별도의 후가공이 필요하다.

③ 다양한 원료를 사용할 수 있기 때문에 그때마다 세팅값을 재설정해야 하는 번거로움이 있다.

④ 레이저 빔의 조사에 따른 숙련된 제어 기술이 필요하다.

 

5. DMLS

Direct Metal Laser Sintering의 약자로 직접 금속 레이저 소결으로 부르며 독일의 EOS사에서 특허를 보유하고 있는 것으로 분말 상태의 금속 재료를 레이저로 직접 녹여서 입체 모양을 제작하고 출력된 입체물을 금속분말에서 분리하며 형상을 만들어내는 방식입니다.

 

최근 DMLS기술로 컴퓨터로 디자인된 치아형태를 레이저를 이용해 적층하여 제작하는 단계에 접어들면서 왁스로 조각해 금속 주조방식으로 제작하던 치과보철물의 제작시간과 비용, 노동력을 감안하면 큰 혁신을 가져다준다며 이슈가 되고 있으며 이 방식의 이점은 디자인의 자유, 간소화된 제조과정, 빠른 제작 속도, 정밀도 등이 있습니다.

지금까지 분말베드용융방식과 그 대표적인 기술인 SLS와 DMLS방식에 대해 알아보았는데요, SLS는 많이 들어봤지만 DMLS방식은 생소해서 이번 기회로 금속3D프린터라는 것을 알게 되었습니다.

다음번에는 남은 ISO 3D프린팅 7대 기술 중 마지막! 수조투사방식에 대해 알아보도록 하겠습니다.