금속 3D 프린팅에 파이버 레이저를 적용하는 방안에 대한 연구

그만큼 첨가제 제조항공, 우주, 항해, 차량, 금형 제조, 의료기기 등 다양한 분야에서 금속 소재의 3D 프린팅 공정에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 현재 금속 적층 제조 공정에 사용되는 열원으로는 레이저 빔, 전자 빔, 마이크로 빔 플라즈마와 같은 세 가지 고에너지 빔과 소결 열 입력이 있습니다. 이 중 레이저 빔은 금속 적층 제조 분야에서 가장 널리 사용되는 고에너지 빔 열원입니다. 전자 빔 및 마이크로 빔 플라즈마 열원과 비교했을 때, 레이저 빔은 미세한 스폿 형상, 저렴한 비용, 그리고 특정 소재 위치에 직접 조사할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 금속 소재의 순간 용융을 가능하게 하여 용융 채널 중첩 및 부품 성형 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

레이저 3D 프린팅의 기본 원리

레이저 3D 프린팅에 사용되는 레이저에는 파이버 레이저, 반도체 레이저, Nd:YAG 레이저, CO2 레이저 등이 있습니다. 재료마다 레이저 파장의 흡수 특성이 다르기 때문에, 일반적으로 CO2 레이저는 고분자 소재 프린팅에, 파이버 레이저는 금속 분말 프린팅에 사용됩니다.

레이저 적층 제조는 가공 방식에 따라 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 레이저 분말 증착(LPD), 직접 금속 증착(DMD) 등으로 나눌 수 있다. 그중 선택적 레이저 용융(SLM)은 가장 널리 사용되는 금속 레이저 3D 프린팅 기술 중 하나이다.

그림은 선택적 레이저 용융(SLM) 프린팅 장치의 기본 구조를 보여줍니다. 프린팅 전에 3D 모델을 적층하고 스캐닝 궤적을 결정해야 합니다. 첫 번째 단계는 스크레이퍼로 작업대를 고르게 긁어 분말을 얇게 펴는 것입니다. 두 번째 단계는 레이저로 분말층을 특정 궤적으로 스캔하여 녹인 후 한 층을 프린팅하는 것입니다. 세 번째 단계는 작업대를 한 층 아래로 이동시킨 후 위의 작업을 반복하여 아래에서 위로 프린팅 층을 쌓아 올려 프린팅할 3D 부품을 형성하는 것입니다. 산화를 방지하기 위해 전체 공정 동안 작업 챔버를 진공 상태로 유지하고 불활성 가스를 채워야 합니다.

레이저 3D 프린팅 분야에서 레이저에 대한 수요
레이저 3D 프린팅에서 레이저에 대한 수요는 주로 두 가지 측면에서 나타납니다. 하나는 출력 및 출력 안정성이고, 다른 하나는 빔 품질 및 스폿 크기입니다.

01 전력 및 전력 안정성

3D 프린팅 공정은 주로 레이저의 열 효과에 의존합니다. 재료를 녹이려면 레이저 강도가 특정 에너지 임계값을 넘어야 합니다. 따라서 레이저의 펄스 모드보다는 평균 출력에 더 중점을 두어야 합니다. 이러한 이유로 일반적으로 연속파 파이버 레이저가 사용되며, 출력은 대략 100W에서 1000W 사이입니다.
모델의 크기가 크고 레이어 수가 많을수록 출력 시간이 길어집니다. 일반적으로 몇 시간에서 수십 시간까지 소요됩니다. 따라서 레이저의 장기적인 안정적인 작동이 매우 중요합니다. 온도가 너무 높으면 금속 분말이 과열되어 다른 성형 부품이 다시 녹을 수 있고, 온도가 너무 낮으면 금속 분말이 완전히 녹지 않아 접착력이 부족해지고 성형 부품의 형상이 유지되지 않을 수 있습니다. 그러므로 레이저의 출력 안정성은 출력 품질에 매우 중요합니다.

02 빔 품질 및 스팟 크기

빔 품질과 스팟 크기는 인쇄 정확도를 반영하는 핵심 매개변수 중 하나입니다. 3D 프린팅은 레이저 빔 스캐닝을 통해 구현됩니다. 레이저 스팟이 작을수록 스캐닝 정확도가 높아지고, 출력 모델의 해상도가 향상되며, 출력물의 표면이 더욱 정교해집니다.
빔 품질은 일반적으로 BPP 또는 M2 값으로 나타냅니다. M2 값이 1에 가까울수록 빔 품질이 우수하고 레이저 에너지가 더욱 집중되며 주변 영역에 미치는 열 영향이 줄어듭니다. 또한 빔 품질이 우수할수록 발산각이 작아지고 초점 크기도 작아집니다.

03 GW Laser Tech와 FASTFORM의 3D 프린팅 분야 탐구
고휘도 파이버 레이저 분야의 세계적인 선도 기업인 GW Laser Tech는 이러한 응용 분야의 부상과 함께 해당 분야를 적극적으로 연구해 왔습니다. 3D 프린팅 기술또한 의료기기, 자동차 부품, 항공우주 및 기타 분야를 겨냥하여 3D 프린팅 애플리케이션용 500W 단일 모드 10μm/14μm 연속 파이버 레이저를 출시했습니다.

그중 10μm와 14μm의 서로 다른 코어 직경은 스폿 크기를 결정하며, 이는 주로 레이저 출력 밀도, 즉 단위 면적당 광 에너지량에 영향을 미칩니다. 동일한 출력 조건에서 스폿 크기가 작을수록 레이저 출력 밀도가 높아집니다. 높은 출력 밀도의 스폿은 융점이 높거나 반사율이 높은 금속 분말을 인쇄하는 데 적합합니다.

제품 장점:

➢ 초슬림 초경량 디자인, 19인치 1.5U 높이 디자인, 20kg 미만의 무게, 컴팩트한 구조, 작은 크기, 가벼운 무게로 탁월한 통합 편의성과 유연한 활용성을 제공합니다.

➢ 본 제품은 3D 프린팅 환경에 맞춰 밀폐형 설계를 채택하여 레이저의 전반적인 신뢰성을 크게 향상시켰으며, IP65 보호 등급을 갖추어 고온, 고습, 고먼지 등의 열악한 환경에서도 지속적으로 작동할 수 있습니다.

➢ 최대 출력은 500W로, 오스테나이트 스테인리스강, 마르텐사이트 스테인리스강, 티타늄 합금, 니켈계 고온 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등과 같은 일반적인 금속 재료를 성형하기에 충분합니다.

➢ 우수한 전력 안정성, 시간당 변동률 0.5% 미만으로 장시간 인쇄 시 공정 일관성을 보장합니다.

➢ 우수한 빔 품질, M2

FASTFORM(패스트폼)은 3D 프린팅 기술 및 장비 연구 개발 전문 기업으로, 최고 수준의 쾌속 프로토타이핑 서비스와 지원 솔루션을 제공합니다. 당사는 광후이 레이저(Guanghui Laser)와 긴밀한 협력 관계를 구축하여 향후 항공우주, 자동차 모형, 바이오 의학 등 다양한 분야의 핵심 부품에 대한 3D 프린팅 실험 및 연구를 진행할 예정입니다. FF-M140 단일 레이저 제품, FF-M150 교육용 모델, FF-M180D 이중 레이저 치과용 모델, FF-M300H 1000W 고출력 레이저 산업용 모델, FF-M500 이중 레이저 모델, FF-M800 4중 레이저 제품 등 다양한 제품을 출시하여 양산 중이며, 맞춤형 현지화 솔루션을 지원합니다. 또한, 당사는 다중 레이저 슬라이싱 및 경로 생성 소프트웨어인 FastLayer를 자체 개발했습니다. 모든 장비는 완전 자동화 및 무인 운영 시스템을 갖추고 있습니다.

이 제품은 다음과 같은 중요한 장점을 가지고 있습니다.

➢ 양방향 및 가변 속도 분말 살포 기술로 높은 분말 이용률을 제공합니다.

➢ 단 한 번의 클릭으로 자동 슬라이싱 및 경로 계획을 완료하는 자체 개발 소프트웨어입니다.

➢ 자체 카메라가 내장되어 있어 완전 자동 제어 및 원격 무인 작동이 가능합니다.

➢ 본 장비는 일체형 용접 구조를 채택하여 안정성이 매우 높고 설치가 간편합니다.

3D 프린팅 산업의 현황 및 발전 전망
현재 3D 프린팅은 신속한 프로토타이핑 시대로 접어들었습니다. 중국산업연구원의 통계에 따르면, 2021년 3D 프린팅의 하위 응용 분야에서 가장 큰 비중을 차지한 것은 기계 산업으로 17.5%에 달했으며, 그 뒤를 가전제품(16.6%)과 자동차(16.1%)가 이었습니다. 가전제품과 자동차 산업의 빠른 발전과 함께, 이 두 분야에서 3D 프린팅의 응용 영역은 앞으로 더욱 확대될 것입니다.

중국투자네트워크의 예측에 따르면, 산업 규모 측면에서 3D 프린팅 산업은 2021년부터 2025년까지 연평균 복합 성장률이 약 26.59%에 달해 2025년에는 701억 위안 규모에 이를 것으로 전망됩니다.

3D 프린팅은 장비, 재료, 서비스의 세 가지 측면을 포괄하며, 그중 프린팅 장비가 가장 큰 비중을 차지합니다. 중국산업통상부(CCID)가 발표한 자료에 따르면, 2020년 중국의 3D 프린팅 장비 산업 규모는 92억 5,400만 위안으로 가장 큰 비중을 차지했습니다.

현재 3D 프린팅 장비 가격이 상대적으로 높은 이유는 여러 요인이 복합적으로 작용하기 때문입니다. 한편으로는 해외 특허 및 독점 때문이고, 다른 한편으로는 우리나라의 3D 프린팅 산업이 후발 주자로서 수요가 적고 자립도가 낮기 때문입니다. 그러나 우리나라의 첨단 제조업이 고도화되고 발전함에 따라 기술 개발과 비용 절감이 가속화될 것이며, 향후 3D 프린팅 산업의 국산화율은 더욱 높아질 것으로 예상됩니다. 3D 프린팅 기술의 대규모 발전을 위해서는 장비 제조업체 간의 긴밀한 협력이 매우 중요합니다.

광후이 레이저는 레이저 제품 기술 연구 및 혁신에 주력할 뿐만 아니라 레이저 가공 기술 분야를 지속적으로 탐구하며 고객의 응용 문제 해결을 위해 노력하고 있습니다. 국내 최고의 3D 프린팅 장비 제조업체인 FASTFORM은 3D 프린팅의 모든 측면을 잘 알고 있으며, 경험이 풍부한 컨설팅 팀을 통해 고객에게 3D 프린팅 분야의 전문적인 고급 제품을 제공합니다. 앞으로 광후이 레이저는 FASTFORM과 협력하여 중국에서 레이저 3D 프린팅 기술의 응용 및 발전을 촉진하고 산업 수준을 향상시키는 데 기여할 것입니다. 출처: 광후이 레이저, 작성자: 응용 엔지니어 구자싱