SLS방식(선택적 소결 레이저 방식)은 무엇?

3D프린터 종류 중 SLS방식 또는 선택적 소결 레이저 방식으로 불리는 이 방식은 무엇인지 특징과 그 소재에 대해 알아보도록하겠습니다.

3d프린팅은 재료를 쌓아 3차원 형태로 조형하는 제조 기술로 4차 산업혁명의 주역이며 제조 업계에 혁신을 일으켰다고 해도 과언이 아닙니다.

3D프린터 방식에는 필라멘트를 이용하는 방식, 분말가루를 이용하는 방식, 액체수지를 사용해서 형상을 만드는 방식이 있습니다.

가장 대중화된 방식인 FDM방식은 고체 필라멘트를 사용하는 대표적인 방식으로 열가소성 플라스틱의 소재를 녹인 후 압출기로 연속적으로 밀어내면서 적층하는 방식, 액상 수지를 사용하는 방식은 SLA방식과 DLP방식을 많이 활용하는데 액상 수지에 레이저를 쏴서 굳혀 형상을 만드는 방식입니다.

마지막으로 분말가루를 사용하는 방식은 SLS, DMLS, EBM이 있으며 플라스틱 파우더를 강한 레이저로 쏘면 닿는 부위가 녹으면서 굳게 되는데 이런 식으로 과정을 반복하면서 형상을 만듭니다.

 

이 방식 중 오늘은 분말가루인 소재를 활용해 형상을 만드는 3D프린터 방식에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. SLS방식이란..?

이 방식은 Selective Laser Sintering의 약자로 선택적 레이저 소결 방식이라고 하며 3D프린터 내에 고체 가루를 적당히 눌러서 단단하게 만든 다음 그 물질의 녹는점에 가까운 온도로 가열해 가루가 서로 접한 면에서 접합이 이루어지거나 일부가 증착하여 성형이 되는 방식으로 프린팅을 하게됩니다.

 

조금 상세하게 설명을 하자면 기기 내부에 장착된 롤러를 이용해 베드에 도포되어있는 분말 형태의 소재를 얇게 깔고, 선택적으로 레이저를 쏘면 레이저에 맞은 부분은 소결되는데요, 이렇게 굳히는 과정을 반복하며 3차원 입체형상을 만듭니다.

그리고 작업 시 소결 과정을 거치지 않은 분말은 다시 사용 가능합니다.

SLS3D프린터는 크기가 크고 비싸기 때문에 개인적으로 구매해서 사용하기보다는 대개 전문 업체에서 사용하거나 온라인상에서 주문하여 제작하는 경우가 많습니다.

출력 시에는 소결되지 않는 부분의 분말이 형상의 지지대 역할을 해주어 따로 서포트가 없어도 되고, 대형 베드를 활용하기 때문에 여러 부품을 한 번에 출력할 수 있습니다.

다만 조형 과정에서 소결되지 않은 분말이 출력물에 붙어서 이를 제거하는 작업이 추가로 필요하며 이 분말을 털어내는 과정에서 인체에 해로운 미세입자가 날리기 때문에 방진시설을 마련해 안전하게 작업하는 것이 좋습니다.

 

SLS로 프린팅된 부품의 품질은 기본 제조 방법으로 생산한 부품에 필적합니다.

생산 등급 나일론 소재로 오래 지속되는 기능적이며 내구성 있는 부품을 생산할 수 있어서 의료기기, 항공우주 부품 및 덕트, 방염성 부품, 복잡하고 내구성 있는 생산 부품 제작에 적합하며 내충격성 부품이나 고온 환경이나 화학물질 노출을 견뎌야 하는 생산 및 원형 제작 부품 또는 스냅식 및 휘어지는 힌지가 있는 부품 제작에 활용됩니다.

2. 특징

1) 장점

① 출력 정밀도가 높다.

② 물성이 강하다.

③ 생산성이 높다.

④ 설계 자유도가 높다.

⑤ 별도의 서포트가 필요없다.

- 소결되지 않은 원재료 분말들이 지지대 역할을 하기 때문에 따로 지지대가 필요없다.

⑦ 재료가 다양하다.

- 사용 가능한 재료가 플라스틱에서 금속까지 광범위하고, 재료의 강도를 생각해봤을 때 파급효과가 큰 편이다.

⑧ 가공 속도가 빠르고 대량생산이 가능하다.

 2) 단점

① 장비의 가격이 비싸다.

- 레이저 장비와 같이 고가의 부품을 사용하기 때문에 개인이 구매하기에는 부담스러운 가격이다.

② 높은 조도를 얻기 위해서는 별도의 후가공이 필요하다.

③ 분말을 털어내기 위한 작업이 필요하다.

- 출력 시 소결되지 않은 분말이 출력물에 붙어 그것을 털어내기 위해서는 붓, 흡입기, 분사기 등을 사용해야 한다.

④ 미세먼지로 인해 인체에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

- 출력 후 분말을 털어내는 과정에 미세입자가 발생하는데 출력 중에는 초미세 입자가 방출되기도 한다. 이런 미세입자는 인체에 유해하기 때문에 절대 흡입해선 안 되며 분말이 날리지 않도록 챔버나 흡입 장치 같은 시설이 필요하다.

그리고 작업 시에는 보호 마스크와 별도의 후처리 부스를 만들어 사용하는 것이 좋다.

⑤ 예열 및 냉각 공정이 필요하다.

3. 소재의 종류

분말 소재는 플라스틱, 폴리스틸렌, 나일론, 왁스, 금속, 세라믹, 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 코발트, 유리, 모래, 점토 등의 재료를 사용하는데요, 녹인 뒤 굳힐 수 있는 분말화된 소재라면 거의 모든 소재를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

특히 티타늄 소재의 경우에는 현재 SLS방식 장비의 최첨단 소재로 내열성을 가져야 할 필요가 있는 로켓 엔진 등의 제조에 널리 사용되며 가볍고 강도가 높으며 내식, 내열성에 생체조직과의 친화성이 있어 고가에도 불구하고 골프채부터 인공관절, 로켓엔진까지 다양한 분야에 쓰이고 있습니다.

 

최근에는 마그네슘 3D프린터도 개발되어 실용화되었는데요, 마그네슘 역시 가볍고 튼튼하긴 하지만 공기와 접촉이 빠르게 일어나 산화가 된다는 단점이 있어서 개발이 어려울 것이라 했지만 국내에서 개발하는데 성공한 기업이 있다고 하네요.

오늘은 분말소재를 활용한 선택적 레이저 소결 방식에 대해 알아보았는데요, 소재가 다양하고, 프린팅 속도가 빠르며 그 외에 많은 장점 때문에 여러 분야에서 많이 활용할 수 있어 좋을 것 같네요.