선택적 레이저 소결

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금속 3D 인쇄의 경우 선택적 레이저 용융을 참조하십시오.
브라질의 Centro de Pesquisas Renato Archer에서 사용 중인 SLS 기계.

선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 분말(일반적으로 나일론 또는 폴리아미드)의 동력원으로 사용하는 적층 제조(AM) 기법으로, 레이저를 3D 모델이 정의한 공간 내 지점에서 자동으로 조준해 소재를 결합해 견고한 구조를 만든다. 선택적 레이저 용해와 유사하다. 두 가지는 동일한 개념의 인스턴스화지만 기술적 세부 사항은 다르다. SLS(및 언급된 다른 AM 기법)는 지금까지 주로 신속한 시제품 제작과 부품 부품의 소량 생산에 사용되어 온 비교적 새로운 기술이다. AM 기술의 상용화가 진전됨에 따라 생산 역할이 확대되고 있다.

역사

선택적 레이저 소결(SLS)은 1980년대 중반 오스틴 소재 텍사스 대학의 칼 데카드 박사와 학술 고문 조 비먼 박사에 의해 DARPA의 후원을 받아 개발 및 특허를 얻었다.[1] 데커드와 비만은 SLS 기계를 설계하고 건설하기 위해 설립된 DTM 창업 회사에 참여했다. 2001년에는 DTM과 SLS 기술의 최대 경쟁사인 3D 시스템이 DTM을 인수하였다.[2] 데커드의 SLS 기술에 관한 가장 최근의 특허는 1997년 1월 28일에 발행되었고 2014년 1월 28일에 만료되었다.[3]

비슷한 공정이 R.F.에 의해 상용화되지 않고 특허를 얻었다. 1979년 주택 소유자.[4]

SLS는 고출력 레이저의 사용을 요구하기 때문에 가정에서 사용하기에 너무 위험할 수 있는 것은 말할 것도 없고 너무 비싼 경우가 많다. SLS 인쇄의 비용과 잠재적 위험은 SLS 인쇄의 국내 시장이 FDM(Fused Deposition Modeling)과 같은 다른 적층 제조 기술의 시장만큼 크지 않다는 것을 의미한다.

기술

적층 제조층 기술인 SLS는 플라스틱, 금속, 세라믹 또는 유리 가루들의 작은 입자들을 원하는 3차원 형태를 가진 질량에 융합하기 위해 고출력 레이저(예를 들어 이산화탄소 레이저)를 사용하는 것을 포함한다. 레이저가 분말 베드의 표면에 있는 부품의 3-D 디지털 설명(예: CAD 파일 또는 스캔 데이터)에서 생성된 단면을 스캔하여 분말 재료를 선택적으로 융합한다. 각 단면을 스캔한 후 파우더 베드를 한 겹 두께로 낮추고, 위에 새로운 재료 층을 바르고, 부품이 완성될 때까지 과정을 반복한다.[5]

선택적 레이저 소결 공정
1 Laser 2 스캐너 시스템 3 분말 전달 시스템 4 분말 전달 피스톤 5 롤러 6 제조 피스톤 7 제조 분말 침대 8 물체 제작 (inset 참조) 레이저 스캔 방향 B 소결 분말 입자(갈색 상태) C 레이저 빔 D 소결 E 사전 장착 분말 베드(녹색 상태) F 이전 레이어드 재료(녹색 상태)

완성된 부품 밀도는 레이저 지속시간이 아닌 최대 레이저 전력에 의존하기 때문에 SLS 기계는 일반적으로 펄스 레이저를 사용한다. SLS 기계는 분말 침대의 벌크 파우더 재료를 용해 지점보다 약간 낮은 수준으로 예열하여 레이저가 선택한 영역의 온도를 용해 지점까지 쉽게 올릴 수 있도록 한다.[6]

SLA 및 FDM은 돌출된 설계를 제작하기 위해 특수 지지 구조를 가장 많이 필요로 하는 반면, SLS는 시공 중인 부품이 항상 무절제한 분말로 둘러싸여 있기 때문에 서포트 재료를 위한 별도의 공급 장치가 필요하지 않다. 이것은 이전에 불가능했던 기하학적 구조를 만들 수 있게 한다. 또한 기계의 챔버는 항상 분말 재료로 채워지기 때문에 다중 부품의 제작은 기계의 경계에 맞도록 여러 부품을 배치할 수 있는 '둥지'라는 기술을 통해 설계의 전반적인 난이도와 가격에 미치는 영향이 훨씬 낮다. 그러나 한 가지 설계 측면은 SLS를 사용할 경우 속이 비어 있지만 완전히 밀폐된 요소를 제작하는 것이 '불가능'하다는 것이다. 원소 안의 무염가루가 빠져나갈 수 없었기 때문이다.

특허가 만료되기 시작하면서 저렴한 가정용 프린터가 가능해지긴 했지만, 제거 전 예열, 용해, 보관 3단계에 걸쳐 최대 5kW의 전력 소비량과 2℃ 이내 온도 조절이 필요한 등 난방과정이 여전히 걸림돌이다. [1]

자재

인쇄된 구조물의 품질은 입자 크기 및 형태, 밀도, 거칠기, 다공성 등의 분말 특성 등 다양한 요인에 따라 달라진다.[7] 게다가, 입자 분포와 그 열적 특성은 분말의 유동성에 많은 영향을 미친다.[8]

SLS에 사용되는 상업용 재료는 분말 형태로 제공되며, 폴리아미드(PA), 폴리스티렌(PS), 열가소성 탄소 엘라스토머(TPE), 폴리아레테르케톤(PAK)과 같은 폴리머를 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.[9] 폴리아미드는 반크리스탈린 열가소성 수지로 이상적인 소결작용 때문에 가장 많이 사용되는 SLS 재료로, 바람직한 기계적 성질을 가진 부품이 발생한다.[10] 폴리카보네이트(PC)[10]는 강인성, 열 안정성, 내화성 등이 높아 SLS에 관심이 높은 소재지만 SLS가 가공한 무정형 폴리머는 기계적 특성, 치수 정확도가 저하된 부품이 발생하는 경향이 있어 중요도가 낮은 용도에 국한된다. 선택적 레이저 용해 개발 이후 SLS에서는 금속 재료가 일반적으로 사용되지 않는다.

파우더 프로덕션

분말 입자는 일반적으로 재료의 유리 전환 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 볼밀에서 극저온 분쇄에 의해 생성되며, 드라이아이스(건조 분쇄)와 같은 극저온성 재료 또는 액체 질소와 유기 용매(습조 분쇄)의 혼합물 등 첨가된 극저온성 재료로 연삭 공정을 진행하면 도달할 수 있다.[11] 이 공정은 직경이 5미크론 정도로 낮은 구형 또는 불규칙한 형태의 입자를 발생시킬 수 있다.[11] 분말 입자 크기 분포는 일반적으로 가우스 분포이며 직경 15 ~ 100 미크론 사이의 범위로, SLS 공정에서 서로 다른 층 두께에 맞게 사용자 정의할 수 있다.[12] 화학적 바인더 코팅은 공정 후 분말 표면에 적용될 수 있다.[13] 이러한 코팅은 소결 과정에 도움이 되며 열성 에폭시 수지로 코팅된 알루미나 입자와 같은 복합 재료 부품을 형성하는 데 특히 유용하다.[12]

소결 메커니즘

두 개의 소결 분말 입자 내 목의 형성을 보여주는 다이어그램. 원래 모양은 빨간색으로 표시된다.

SLS에서의 소결은 주로 분말 입자가 표면에서 마이크로 멜트 층을 형성할 때 액체 상태에서 발생하며, 그 표면 에너지를 낮추기 위한 물질의 반응으로 인해 입자 사이에 점도가 감소하고 목걸이로 알려진 오목한 방사형 교량이 형성된다.[13] 코팅된 분말의 경우, 레이저의 목적은 바인더 역할을 할 표면 코팅을 녹이는 것이다. 고체 상태의 소결도 영향을 많이 줄긴 하지만 기여 요인이며, 물질의 용해 온도보다 낮은 온도에서 발생한다. 공정의 주된 원동력은 다시 입자 전체에 분자가 확산되는 결과를 초래하는 자유 에너지 상태를 낮추기 위한 물질의 반응이다.

적용들

SLS 기술은 추가 제조 노력이 거의 없이 복잡한 기하학적 구조를 쉽게 만들 수 있는 능력 때문에 전 세계 여러 산업에서 널리 사용되고 있다. 그것의 가장 일반적인 적용은 투자 주조 패턴, 자동차 하드웨어 및 풍동 모델과 같은 설계 주기의 초기 시제품 부품이다. SLS는 또한 항공우주, 군사,[14] 의료, 제약,[15] 전자 하드웨어를 위한 최종 사용 부품을 생산하기 위해 제한적으로 운영되는 제조에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 작업장에서 SLS는 툴링, 지그, 픽스쳐의 신속한 제조에 사용할 수 있다.[16] 이 과정은 레이저와 그 밖의 값비싸고 부피가 큰 장비를 사용해야 하기 때문에 개인 또는 주거용으로 적합하지 않지만, 예술에서 응용 프로그램을 찾았다[이미지가 있는 EOS 아티스트 인용].

이점

  • 소결된 분말 침대는 완전히 자체 지지되며, 다음을 가능하게 한다.
    • 높은 돌출각(수평면에서 0~45도)
    • 등각 냉각 채널과 같은 부품에 깊숙이 내장된 복잡한 기하학적 구조
    • 3D 어레이에서 생산된 여러 부품의 일괄 생산, 즉 내포라는 프로세스
  • 부품 강도와 강성이 높음
  • 좋은 내화학성
  • 다양한 마감 가능성(예: 금속화, 스토브 에나멜링, 진동 그라인딩, 욕조 착색, 본딩, 분말, 코팅, 유동)
  • EN ISO 10993-1[17] 및 USP/레벨 VI/121 °C에 따른 생체 적합성
  • 내부 부품이 있는 복잡한 부품은 재료를 내부에 가둬 지지대 제거로부터 표면을 변경하지 않고도 제작할 수 있다.
  • 기능성, 내구성, 프로토타입 또는 최종 사용자 부품을 프린팅하는 가장 빠른 적층 제조 프로세스
  • 강도, 내구성, 기능성의 특성을 가진 다양한 소재
  • 신뢰할 수 있는 기계적 특성 때문에 부품은 종종 일반적인 사출 성형 플라스틱을 대체할 수 있다.

단점들

  • 부품은 다공성 표면을 가지고 있다; 이것들은 시아노아크릴레이트 코팅과 같은 몇 가지 다른 후처리 방법 [18]또는 뜨거운 이등분압 압력에 의해 밀봉될 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ 데커드 C, "선택적 소결로 부품을 생산하는 방법과 장치" 미국 특허 4,863,538은 1986년 10월 17일 신청하여 1989년 9월 5일 발행했다.
  2. ^ Lou, Alex and Grosvenor, Carol "Selective Laser Sintering, a Industry", The University of Texas, 2012년 12월 7일. 2013년 3월 22일 회수
  3. ^ US5597589
  4. ^ 1981년 1월 27일 발행된 미국 특허 4,247,508호, Householder, R, "몰딩 프로세스"가 1979년 12월 3일에 출원되었다.
  5. ^ "Design Guide: Selective Laser Sintering (SLS)" (PDF). Xometry.
  6. ^ Prasad K. D. V. Yarlagadda; S. Narayanan (February 2005). GCMM 2004: 1st International Conference on Manufacturing and Management. Alpha Science Int'l. pp. 73–. ISBN 978-81-7319-677-5. Retrieved 18 June 2011.
  7. ^ Leturia, M.; Benali, M.; Lagarde, S.; Ronga, I.; Saleh, K. (2014-02-01). "Characterization of flow properties of cohesive powders: A comparative study of traditional and new testing methods". Powder Technology. 253: 406–423. doi:10.1016/j.powtec.2013.11.045. ISSN 0032-5910.
  8. ^ Leu, Ming C.; Pattnaik, Shashwatashish; Hilmas, Gregory E. (March 2012). "Investigation of laser sintering for freeform fabrication of zirconium diboride parts". Virtual and Physical Prototyping. 7 (1): 25–36. doi:10.1080/17452759.2012.666119. ISSN 1745-2759. S2CID 137566316.
  9. ^ "High-end Plastic Materials for Additive Manufacturing". www.eos.info. Retrieved 2019-02-19.
  10. ^ 위로 이동: Kloos, Stephanie; Dechet, Maximilian A.; Peukert, Wolfgang; Schmidt, Jochen (July 2018). "Production of spherical semi-crystalline polycarbonate microparticles for Additive Manufacturing by liquid-liquid phase separation". Powder Technology. 335: 275–284. doi:10.1016/j.powtec.2018.05.005. ISSN 0032-5910.
  11. ^ 위로 이동: Schmidt, Jochen; Plata, Miguel; Tröger, Sulay; Peukert, Wolfgang (September 2012). "Production of polymer particles below 5μm by wet grinding". Powder Technology. 228: 84–90. doi:10.1016/j.powtec.2012.04.064. ISSN 0032-5910.
  12. ^ 위로 이동: Yang, Qiuping; Li, Huizhi; Zhai, Yubo; Li, Xiaofeng; Zhang, Peizhi (2018-08-13). "The synthesis of epoxy resin coated Al2O3 composites for selective laser sintering 3D printing". Rapid Prototyping Journal. 24 (6): 1059–1066. doi:10.1108/rpj-09-2017-0189. ISSN 1355-2546.
  13. ^ 위로 이동: Kruth, J‐P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M. (February 2005). "Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting". Rapid Prototyping Journal. 11 (1): 26–36. doi:10.1108/13552540510573365. ISSN 1355-2546.
  14. ^ Islam, Muhammed Kamrul; Hazell, Paul J.; Escobedo, Juan P.; Wang, Hongxu (July 2021). "Biomimetic armour design strategies for additive manufacturing: A review". Materials & Design. 205: 109730. doi:10.1016/j.matdes.2021.109730.
  15. ^ Trenfield, Sarah J.; Awad, Atheer; Goyanes, Alvaro; Gaisford, Simon; Basit, Abdul W. (May 2018). "3D Printing Pharmaceuticals: Drug Development to Frontline Care". Trends in Pharmacological Sciences. 39 (5): 440–451. doi:10.1016/j.tips.2018.02.006. ISSN 0165-6147.
  16. ^ "Selective Laser Sintering Applications Overview Quickparts". www.3dsystems.com. Retrieved 2019-02-25.
  17. ^ Biological evaluation of medical devices - Part 1 : Evaluation and testing within a risk management process (ISO 10993-1:2009). International Organization for Standardization (ISO). 2009. OCLC 839985896.
  18. ^ https://www.anubis3d.com/technology/selective-laser-sintering/

외부 링크