직접 금속 레이저 소결(DMLS) 소개

3D 프린팅 금속의 마법

복잡한 금속 부품이 레이저 정밀도로 분말 층에서 한 층 한 층 쌓여 만들어지는 세상을 상상해 보세요. 이것은 공상 과학 소설이 아니라 직접 금속 레이저 소결의 현실입니다(DMLS), 금속 부품을 설계하고 제조하는 방식을 혁신하는 혁신적인 3D 프린팅 기술입니다.

선택적 레이저 용융(SLM) 또는 레이저 분말 베드 융합(LPBF)이라고도 하는 DMLS는 고출력 레이저를 사용하여 금속 입자를 선택적으로 용융하고 융합하여 디지털 청사진에서 3D 물체를 만드는 적층 제조 공정입니다. 이 기술은 주조나 기계 가공과 같은 기존 기술로는 불가능한 복잡한 형상과 내부 기능을 만들 수 있는 독보적인 디자인 자유도를 제공합니다.

하지만 DMLS는 단순히 멋진 모양만 있는 것이 아닙니다. 다음과 같은 다양한 이점이 있습니다:

• 탁월한 힘과 정확성: DMLS는 전통적으로 제조된 부품에 필적하는 뛰어난 기계적 특성을 가진 부품을 생산합니다. 또한 레이어별 접근 방식은 탁월한 치수 정확도를 보장합니다.
• 경량화 잠재력: 내부 격자와 중공 구조를 통합함으로써 DMLS는 항공우주 및 자동차 같은 산업에서 큰 장점인 가볍지만 견고한 부품을 만들 수 있습니다.
• 자유로운 디자인: 창의력을 마음껏 발휘하세요! DMLS는 기존 방법의 한계를 제거하여 다른 방법으로는 달성하기 매우 어렵거나 불가능했던 복잡한 형상과 내부 피처를 제작할 수 있습니다.
• 신속한 프로토타이핑: DMLS를 사용하면 기능적인 프로토타입을 빠르고 효율적으로 제작하여 설계 및 개발 프로세스를 가속화할 수 있습니다.
• 대량 사용자 지정: DMLS를 사용하면 맞춤형 부품을 소량으로 생산할 수 있어 소량 애플리케이션이나 개인 맞춤형 제품에 적합합니다.

의 구성 요소 DMLS

DMLS 공정의 핵심은 사용되는 금속 분말에 있습니다. 일반적으로 20~40마이크로미터 크기의 이 미세한 금속 입자는 최종 부품의 원하는 특성에 따라 세심하게 선택됩니다. 다음은 DMLS에서 가장 일반적으로 사용되는 금속 분말과 그 고유한 특성에 대해 자세히 살펴봅니다:

일반적인 DMLS 금속 분말:

DMLS의 프로세스 흐름

이제 DMLS의 구성 요소에 대해 살펴보았으니 이제 그 흥미로운 프로세스 자체에 대해 자세히 알아보겠습니다. 다음은 DMLS를 사용하여 금속 부품을 제작하는 일반적인 워크플로우에 대한 분석입니다:

1. 디지털 디자인: 여정은 원하는 부품의 3D CAD(컴퓨터 지원 설계) 모델에서 시작됩니다. 이 모델은 최종 부품의 정확한 형상, 치수 및 내부 특징을 정의합니다. 적층 제조를 위해 특별히 설계된 소프트웨어를 사용하여 모델이 DMLS 프린팅에 최적화되도록 하는 경우가 많습니다.
2. 데이터 슬라이싱: 그런 다음 3D CAD 모델을 일반적으로 두께가 20~100마이크로미터에 이르는 일련의 매우 얇은 단면으로 슬라이스합니다. 각 슬라이스는 DMLS 머신이 구축할 단일 레이어를 나타냅니다. 부품의 특정 레이어를 자세히 설명하는 디지털 청사진 스택을 상상해 보세요.
3. 파우더 베드 준비: DMLS 장비 내부에서는 미세한 금속 분말 층이 빌드 플랫폼 전체에 고르게 증착됩니다. 이 레이어는 디지털 모델의 첫 번째 슬라이스에 해당합니다. 플랫폼은 정밀하게 위아래로 움직일 수 있어 후속 레이어를 생성할 수 있습니다.
4. 선택적 레이저 용융: 일반적으로 파이버 레이저와 같은 고출력 레이저 빔이 슬라이스된 모델의 데이터에 따라 파우더 베드를 가로질러 스캔합니다. 레이저는 지정된 영역의 금속 입자를 녹여 서로 융합하고 부품의 첫 번째 고체 층을 만듭니다.
5. 레이어별 구성: 새로운 파우더 층이 증착되고 레이저가 필요한 부분을 선택적으로 녹여 이전 층에 접착하는 과정이 반복됩니다. 이 사이클은 전체 물체가 완성될 때까지 한 번에 한 층씩 세심하게 계속 진행됩니다.
6. 지원 제거: 프린팅 프로세스가 완료되면 빌드 플랫폼이 내려가면서 새로 형성된 금속 부품이 드러납니다. 그러나 파트는 빌드 중에 처짐이나 변형을 방지하기 위해 함께 프린트된 지지 구조물로 둘러싸여 있을 수 있습니다. 이러한 지지 구조는 기계 가공 또는 워터젯 절단과 같은 기술을 사용하여 조심스럽게 제거합니다.
7. 후처리: 적용 분야와 원하는 표면 마감에 따라 DMLS 부품은 열처리, 열간 등방성 프레스(HIP) 또는 샌드블라스팅과 같은 추가 후처리 단계를 거칠 수 있습니다. 이러한 공정을 통해 기계적 특성을 개선하고 잔류 응력을 완화하며 최종 부품의 표면 품질을 향상시킬 수 있습니다.

기술적 특성 DMLS

DMLS는 다양한 애플리케이션을 위한 강력한 도구가 될 수 있는 고유한 기술적 특성을 제공합니다. 고려해야 할 몇 가지 주요 측면을 자세히 살펴보세요:

• 해상도 및 정확도: DMLS는 일반적으로 20~100마이크로미터 범위의 레이어 두께로 뛰어난 해상도와 치수 정확도를 자랑합니다. 따라서 매우 복잡한 피처와 복잡한 형상을 만들 수 있습니다.
• 표면 마감: DMLS 부품의 표면 마감은 사용된 금속 분말과 사용된 후처리 기술에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 공정의 고유한 레이어별 특성으로 인해 기존 가공 방식에 비해 표면 마감이 다소 계단식으로 마감될 수 있습니다.
• 머티리얼 속성: DMLS 부품은 기존 방식으로 제조된 부품과 비교할 수 있을 정도로 뛰어난 기계적 특성을 나타냅니다. 특정 금속 분말, 제작 파라미터 및 후처리와 같은 요인이 부품의 최종 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 볼륨을 구축합니다: DMLS 장비의 제작 용적에 따라 한 번의 제작으로 프린트할 수 있는 최대 파트 크기가 결정됩니다. 제작 용적은 수 입방 센티미터에서 수 입방 미터까지 다양하여 다양한 응용 분야에 적합합니다.
• 빌드 속도: 다른 적층 제조 기술에 비해 DMLS는 상대적으로 느린 공정일 수 있습니다. 제작 시간은 부품의 크기와 복잡성, 레이어 두께와 레이저 출력 설정에 따라 달라집니다.
• 재료 낭비: 상당한 양의 폐자재를 발생시키는 감산 제조 기술과 달리 DMLS는 폐기물을 최소화합니다. 사용하지 않은 금속 분말은 재활용하여 다음 빌드에 재사용할 수 있으므로 재료 소비를 최소화할 수 있습니다.

DMLS의 적용 분야

DMLS는 고유한 기능으로 인해 다양한 산업 분야를 빠르게 변화시키고 있습니다. 다음은 DMLS가 빛을 발하는 몇 가지 주요 응용 분야입니다:

• 항공우주: DMLS는 항공기 및 우주선을 위한 가볍고 견고한 부품을 제작할 수 있게 해주는 항공우주 분야의 판도를 바꾸는 기술입니다. 복잡한 내부 구조와 격자 설계를 통합하여 성능을 최적화하고 연료 효율의 중요한 요소인 무게를 줄일 수 있습니다.
• 의료용 임플란트: 티타늄 및 코발트 크롬과 같은 특정 금속 분말의 생체 적합성 덕분에 DMLS는 맞춤형 의료용 임플란트를 제작하는 데 이상적입니다. 이러한 임플란트는 환자의 해부학적 구조에 맞게 정밀하게 맞춤 제작할 수 있어 완벽한 착용감과 향상된 기능을 제공합니다.
• 자동차: (계속) 자동차 업계에서는 피스톤, 실린더 헤드, 기어 부품과 같은 고성능 부품을 제작하기 위해 DMLS를 활용하고 있습니다. 가볍고 복잡한 구조를 설계할 수 있기 때문에 무게를 줄이고 연비를 개선할 수 있어 친환경을 중시하는 오늘날의 시장에서 큰 이점을 제공합니다. 또한 DMLS를 사용하면 레이싱 애플리케이션이나 한정판 차량을 위한 맞춤형 부품을 제작할 수 있습니다.
• 금형 및 다이 제작: DMLS는 금형 내에서 복잡한 컨포멀 냉각 채널을 생산할 수 있게 함으로써 금형 및 다이 제작 산업에 혁신을 일으키고 있습니다. 이러한 채널은 사출 성형 공정 중 열 전달을 개선하여 사이클 시간을 단축하고 부품 품질을 개선하며 생산 비용을 절감합니다.
• 소비재: DMLS는 보석, 안경, 스포츠 용품과 같은 독특하고 개인화된 제품을 제작할 수 있는 소비재 시장으로 진출하고 있습니다. 복잡한 형상을 제작할 수 있는 능력은 새로운 디자인 가능성을 열어주며, DMLS의 온디맨드 특성은 맞춤화 트렌드를 충족합니다.
• 프로토타이핑: DMLS는 신속한 프로토타입 제작을 위한 강력한 도구로, 엔지니어와 디자이너가 신제품의 기능적인 프로토타입을 빠르게 제작할 수 있습니다. 이러한 빠른 반복 주기는 설계 및 개발 프로세스를 가속화하여 제품 혁신과 시장 출시 기간을 단축합니다.

의 제한 사항 및 고려 사항 DMLS

DMLS는 많은 이점을 제공하지만, 그 한계와 고려 사항을 인식하는 것이 중요합니다:

• 비용: DMLS 기계와 금속 분말은 기존 제조 장비 및 재료에 비해 비용이 많이 들 수 있습니다. 따라서 DMLS는 단순한 부품을 대량으로 생산하는 데는 적합하지 않을 수 있습니다.
• 표면 마감: 앞서 언급했듯이 DMLS의 레이어별 특성으로 인해 표면 마감이 다소 계단식으로 마감될 수 있습니다. 후처리 기술을 통해 표면 품질을 개선할 수 있지만 완벽하게 매끄러운 마감을 얻으려면 추가 가공 단계가 필요하므로 공정의 비용과 복잡성이 증가할 수 있습니다.
• 구축 시간: 특히 크거나 복잡한 부품의 경우 DMLS는 느린 프로세스가 될 수 있습니다. 리드 타임과 생산 일정을 고려할 때 이 점을 고려해야 합니다.
• 지원 구조: DMLS 프로세스 중 지원 구조에 대한 요구 사항은 복잡성을 더하고 잠재적으로 사후 처리 시간을 늘릴 수 있습니다. 신중한 설계 고려 사항을 통해 복잡한 지원 구조의 필요성을 최소화할 수 있습니다.
• 파트 자격: 항공우주 및 의료와 같은 산업에서 중요한 애플리케이션의 경우 DMLS 부품이 엄격한 성능 및 안전 표준을 충족하는지 확인하기 위해 추가 테스트 및 인증 절차가 필요할 수 있습니다.

DMLS와 다른 적층 제조 기술 비교

3D 프린팅 게임에서 DMLS만이 유일한 플레이어는 아닙니다. 다음은 작업에 적합한 도구를 선택하는 데 도움이 되도록 DMLS와 다른 주요 적층 제조 기술을 간단히 비교한 것입니다:

• 스테레오리소그래피(SLA): SLA는 레이저를 사용하여 액체 수지를 한 층씩 경화시켜 고체 물체로 만듭니다. SLA는 DMLS에 비해 더 높은 해상도와 매끄러운 표면 마감을 제공하지만 주로 플라스틱과 같은 더 작은 범위의 재료로 제한됩니다.
• 선택적 레이저 소결(SLS): SLS는 DMLS와 유사하게 작동하지만 레이저를 사용하여 플라스틱 분말 입자를 함께 소결합니다. SLS는 일반적으로 플라스틱 부품을 생산할 때 DMLS보다 빠르고 비용 효율적이지만 금속 애플리케이션의 경우 DMLS에 비해 강도가 낮고 재료 옵션이 제한적입니다.
• 용융 증착 모델링(FDM): FDM은 용융된 플라스틱 필라멘트를 압출하여 물체를 층층이 쌓아 올리는 방식으로 작동합니다. FDM은 널리 사용되고 비교적 저렴한 기술이지만 DMLS에 비해 해상도와 강도가 낮습니다.
• 전자 빔 용융(EBM): DMLS와 마찬가지로 EBM은 전자빔을 사용하여 금속 분말을 녹입니다. EBM은 티타늄과 같은 반응성 금속을 처리하는 데 탁월하지만 진공 환경이 필요하므로 다음과 비교했을 때 더 복잡하고 비용이 많이 드는 공정입니다. DMLS.

자주 묻는 질문

다음은 DMLS에 대해 가장 자주 묻는 몇 가지 질문입니다:

Q: DMLS의 장점은 무엇인가요?

A: DMLS는 탁월한 설계 자유도, 부품의 높은 강도 및 정확성, 경량화 가능성, 신속한 프로토타입 제작 기능, 재료 낭비 최소화 등 여러 가지 장점을 제공합니다.

질문: DMLS의 한계는 무엇인가요?

A: DMLS의 한계는 기존 제조 방식에 비해 상대적으로 높은 비용, 표면 마감에 대한 잠재적 문제, 다른 3D 프린팅 기술에 비해 느린 제작 시간, 특정 애플리케이션에 대한 지지 구조 및 부품 검증과 같은 추가 고려 사항이 필요하다는 점입니다.

Q: DMLS에 사용할 수 있는 자료에는 어떤 것이 있나요?

A: 티타늄 합금, 스테인리스강, 알루미늄 합금, 인코넬, 코발트 크롬, 구리, 니켈, 공구강, 귀금속 및 내화 금속 등 다양한 금속 분말을 DMLS에 사용할 수 있습니다.

질문: DMLS의 적용 분야에는 어떤 것이 있나요? (계속)

A: DMLS는 항공우주, 의료용 임플란트, 자동차, 금형 및 금형 제작, 소비재, 프로토타입 제작 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.

Q: DMLS 머신의 가격은 얼마인가요?

A: DMLS 장비의 가격은 제작 규모, 기능, 브랜드에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 가격은 소형 장비의 경우 수만 달러부터 하이엔드 산업용 시스템의 경우 수백만 달러까지 다양합니다.

질문: 집에서도 DMLS를 사용할 수 있나요?

A: 금속용 데스크톱 3D 프린터가 등장하고 있지만, 산업 등급의 DMLS 기계는 복잡성, 비용, 안전 고려 사항 및 특수 분말 처리 요구 사항으로 인해 일반적으로 가정용으로 적합하지 않습니다.

Q: DMLS의 미래는 어떻게 되나요?

A: DMLS의 미래는 밝습니다. 기술이 발전함에 따라 더 저렴한 DMLS 장비, 더 넓은 범위의 호환 가능한 금속 분말, 더 빠른 프린팅 속도를 기대할 수 있습니다. DMLS는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 고성능 부품을 제작할 수 있도록 제조 분야에서 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

결론

DMLS는 제조업의 혁신적인 도약을 상징하는 기술로, 독보적인 설계의 자유와 뛰어난 강도와 정확도로 복잡한 금속 부품을 제작할 수 있는 능력을 제공합니다. 경량 항공우주 부품부터 맞춤형 의료용 임플란트에 이르기까지 DMLS는 다양한 제품을 설계하고 생산하는 방식을 재편하고 있습니다. 비용과 제작 시간 등 고려해야 할 한계가 있지만, DMLS는 계속 발전하고 접근성이 향상되어 엔지니어, 디자이너, 제조업체 모두에게 강력한 도구가 되고 있습니다. DMLS 기술이 성숙하고 그 기능이 확장됨에 따라 앞으로 더욱 획기적인 애플리케이션이 등장할 것으로 기대됩니다.

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