선택적 레이저 소결

Selective laser sintering
금속 3D 프린팅의 경우 선택적 레이저 용융을 참조하십시오.
브라질의 Centro de Pesquisas Renato Archer에서 사용되고 있는 SLS 머신.

선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 전력 및 열원으로 사용하여 분말 재료(일반적으로 나일론 또는 폴리아미드)를 소결하는 적층 제조(AM) 기술로, 3D 모델에 의해 정의된 공간 내 지점에서 레이저를 자동으로 조준하여 재료를 결합하여 견고한 [1][2][3]구조를 만듭니다.이는 선택적 레이저 용해와 유사하며, 두 가지 개념은 동일하지만 기술적인 세부 사항이 다릅니다.SLS(및 기타 언급된 AM 기술)는 지금까지 주로 신속한 시제품 제작과 부품 소량 생산에 사용되었던 비교적 새로운 기술입니다.AM 기술의 상용화가 진행되면서 생산 역할이 확대되고 있다.

역사

SLS(선택적 레이저 소결)[4]는 DARPA의 후원으로 1980년대 중반 오스틴 텍사스 대학의 Carl Deckard 박사와 학술 고문인 Joe Beaman 박사가 개발 및 특허를 취득했습니다.Deckard와 Beaman은 SLS 머신을 설계 및 구축하기 위해 설립된 신생 기업 DTM에 참여했습니다.2001년 DTM 및 SLS 기술의 최대 경쟁사인 3D Systems가 DTM을 [5]인수했습니다.Deckard의 SLS 테크놀로지에 관한 최신 특허는 1997년 1월 28일에 발행되어 2014년 [6]1월 28일에 만료되었습니다.

비슷한 과정이 R.F.에 의해 상용화되지 않고 특허를 받았다.1979년 [7]주택 소유자.

SLS는 고출력 레이저를 사용해야 하기 때문에 가정에서 사용하기에는 비용이 너무 많이 들고 위험할 수도 있습니다.클래스 1 안전 인클로저를 갖춘 상용 레이저 시스템이 없기 때문에 SLS 인쇄의 관련 비용과 잠재적 위험은 SLS 인쇄의 국내 시장이 Fused Deposition Modeling(FDM)과 같은 다른 적층 제조 기술의 시장만큼 크지 않다는 것을 의미합니다.

테크놀로지

적층 제조층 기술인 SLS는 고출력 레이저(예를 들어 이산화탄소 레이저)를 사용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 또는 유리 분말의 작은 입자를 원하는 3차원 형상의 덩어리로 융합합니다.레이저가 분체 바닥 표면에 있는 부품의 3D 디지털 설명(예를 들어 CAD 파일 또는 스캔 데이터)에서 생성된 단면을 스캔하여 분체 재료를 선택적으로 융합합니다.각 단면을 주사한 후 분체층을 1층 두께로 낮추고 그 위에 새로운 재료층을 도포하여 부품이 [8]완성될 때까지 공정을 반복한다.

선택적 레이저 소결 공정
1 레이저 2 스캐너 시스템 3 분말 송출 시스템 4 분말 송출 피스톤 5 롤러 6 제조 피스톤 7 제조 분말 침대 8 물체(삽입 참조) 레이저 주사 방향 B 소결 분말 입자(갈색 상태) C 레이저 빔 D 소결 E 사전 배치 분말 침대(녹색 상태) 이전 층에 F 비침입되지 않은 재료

완성된 부품 밀도는 레이저 지속시간이 아닌 피크 레이저 전력에 따라 달라지기 때문에 SLS 기계에서는 일반적으로 펄스 레이저를 사용합니다.SLS 기계는 분체층의 벌크 파우더 재료를 녹는 지점보다 약간 낮게 예열하여 레이저가 나머지 지점까지 [9]선택한 영역의 온도를 쉽게 올릴 수 있도록 합니다.

돌출된 설계를 제작하기 위해 특별한 서포트 구조가 가장 자주 필요한 SLA 및 FDM과 달리, SLS는 구성 중인 부품이 항상 오염되지 않은 분말로 둘러싸여 있기 때문에 서포트 재료를 위한 별도의 피더를 필요로 하지 않습니다.이를 통해 이전에는 불가능했던 기하학적 구조를 구성할 수 있습니다.또한 기계의 챔버는 항상 분말 재료로 채워져 있기 때문에 여러 부품의 제작은 '네스팅'으로 알려진 기술을 통해 기계의 경계 내에 여러 부품을 배치할 수 있기 때문에 설계의 전반적인 난이도 및 가격에 훨씬 적은 영향을 미칩니다.단, SLS에서는 중공이지만 완전히 밀폐된 요소를 제작하는 것이 '불가능'하다는 점을 유의해야 합니다.이는 원소 내의 오염되지 않은 분말이 배수되지 않았기 때문입니다.

특허가 만료되기 시작한 이후 저렴한 가정용 프린터가 가능해졌지만, 가열 프로세스는 여전히 걸림돌이 되고 있습니다. 최대 5kW의 전력 소비량과 분리 전 예열, 용해 및 보관의 3단계에 걸쳐 2°C 내에서 온도를 제어해야 하기 때문입니다.[1]

자재

인쇄 구조물의 품질은 입자 크기 및 모양, 밀도, 거칠기, 다공성 등의 [10]분말 특성에 따라 달라집니다.또한 입자 분포와 그 열성은 [11]분말의 유동성에 큰 영향을 준다.

SLS에 사용되는 상용 재료는 분말 형태로 제공되며 폴리아미드(PA), 폴리스티렌(PS), 열가소성 엘라스토머(TPE) 및 폴리아릴에테르케톤(PAK)[12] 등의 폴리머를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.폴리아미드는 반결정 열가소성 수지로 이상적인 소결 거동 때문에 가장 일반적으로 사용되는 SLS 재료입니다. 따라서 바람직한 기계적 [13]특성을 가진 부품이 만들어집니다.폴리카보네이트(PC)는 인성, 열안정성, 내염성이 뛰어나 SLS에 관심이 높은 소재이지만 SLS에 의해 가공된 비정질 폴리머는 기계적 특성 및 치수 정밀도가 저하되는 부품을 발생시키는 경향이 있어 중요도가 [13]낮은 용도에 한정된다.금속 재료는 선택적 레이저 용융이 개발된 이후 SLS에 일반적으로 사용되지 않습니다.

분말 생산

분말 입자는 일반적으로 재료의 유리 전이 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 볼 밀에서 극저온 연마하여 생성됩니다. 이 연마 공정은 드라이 아이스(드라이 연마) 또는 액체 질소와 유기 용제의 혼합물(습식 연마)[14]과 같은 첨가된 극저온 재료를 사용하여 연마 공정을 실행함으로써 달성할 수 있습니다.이 과정에서 직경 [14]5미크론 이하의 구형 또는 불규칙한 형태의 입자가 발생할 수 있습니다.분말 입자 크기 분포는 일반적으로 가우스이며 직경이 15~100미크론이지만 SLS [15]공정의 다른 층 두께에 맞게 맞춤화할 수 있습니다.화학 바인더 코팅은 후공정 [16]분말 표면에 적용될 수 있습니다. 이러한 코팅은 소결 공정을 돕고 열경화 에폭시 [15]수지로 코팅된 알루미나 입자와 같은 복합 재료 부품을 형성하는 데 특히 유용합니다.

소결 메커니즘

2개의 소결 분말 입자에 목의 형성을 나타내는 도표.원래 모양은 빨간색으로 표시됩니다.

SLS에서의 소결은 주로 분말 입자가 표면에 마이크로멜트층을 형성할 때 액체 상태에서 발생하며, 그 결과 점도가 감소하고 표면 에너지를 낮추기 위한 물질의 반응으로 인해 네킹으로 [16]알려진 입자 사이에 오목한 방사형 브릿지가 형성됩니다.코팅된 분말의 경우, 레이저의 목적은 접착제 역할을 하는 표면 코팅의 용융입니다.솔리드 스테이트 소결도 영향이 크게 감소했지만 기여 요인이며, 재료의 용해 온도보다 낮은 온도에서 발생합니다.이 과정 뒤에 있는 주요 원동력은 입자로 분자의 확산을 야기하는 자유 에너지 상태를 낮추기 위한 물질의 반응입니다.

적용들

SLS 기술은 추가 제조 작업 없이 복잡한 형상을 쉽게 만들 수 있기 때문에 전 세계 많은 업계에서 널리 사용되고 있습니다.가장 일반적으로 사용되는 것은 인베스트먼트 주조 패턴, 자동차 하드웨어 및 풍동 모델과 같은 설계 주기 초기에 프로토타입 부품입니다.또한 SLS는 항공우주, 군사,[17] 의료, [18]제약 및 전자 하드웨어의 최종 사용 부품을 생산하기 위해 제한된 제조에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.작업장에서 SLS는 공구, 지그, [19]고정 장치의 신속한 제조에 사용할 수 있습니다.이 공정은 레이저 및 기타 비싸고 부피가 큰 장비를 사용해야 하므로 개인 또는 주거용으로는 적합하지 않습니다. 그러나 예술품[EOS 아티스트 인용 이미지]에서 응용할 수 있습니다.

이점

  • 소결 분말 침대는 완전히 자체 지지되므로 다음을 수행할 수 있습니다.
    • 높은 돌출 각도(수평면에서 0~45도)
    • 등각 냉각 채널과 같은 부품 깊숙이 내장된 복잡한 형상
    • 네스팅이라고 하는 3D 어레이로 여러 부품을 일괄 생산하는 공정
  • 부품은 고강도 및 강성이 있습니다.
  • 뛰어난 내화학성
  • 다양한 마감 가능성(예: 금속화, 스토브 에나멜링, 진동 연삭, 욕조 착색, 접합, 분말, 코팅, 식모)
  • EN ISO 10993-1[20] 및 USP/레벨 VI/121°C에 따른 생체 호환성
  • 내부 부품을 갖춘 복잡한 부품은 내부에 재료를 가두고 서포트 제거 시 표면을 변경하지 않고도 제작할 수 있습니다.
  • 기능성, 내구성, 프로토타입 또는 최종 사용자 부품을 인쇄하기 위한 가장 빠른 적층 제조 프로세스
  • 강도, 내구성, 기능성을 갖춘 다양한 소재
  • 신뢰성 높은 기계적 특성으로 인해 부품은 종종 일반적인 사출 성형 플라스틱을 대체할 수 있습니다.

단점들

  • 부품은 다공질 표면을 가지고 있으며, 시아노아크릴레이트 [21]코팅과 같은 여러 가지 후처리 방법 또는 열간 등정압 프레싱을 통해 밀봉할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Lekurwale, Srushti; Karanwad, Tukaram; Banerjee, Subham (2022-06-01). "Selective laser sintering (SLS) of 3D printlets using a 3D printer comprised of IR/red-diode laser". Annals of 3D Printed Medicine. 6: 100054. doi:10.1016/j.stlm.2022.100054. ISSN 2666-9641.
  2. ^ Awad, Atheer; Fina, Fabrizio; Goyanes, Alvaro; Gaisford, Simon; Basit, Abdul W. (2021-07-01). "Advances in powder bed fusion 3D printing in drug delivery and healthcare". Advanced Drug Delivery Reviews. 174: 406–424. doi:10.1016/j.addr.2021.04.025. ISSN 0169-409X.
  3. ^ Charoo, Naseem A.; Barakh Ali, Sogra F.; Mohamed, Eman M.; Kuttolamadom, Mathew A.; Ozkan, Tanil; Khan, Mansoor A.; Rahman, Ziyaur (2020-06-02). "Selective laser sintering 3D printing – an overview of the technology and pharmaceutical applications". Drug Development and Industrial Pharmacy. 46 (6): 869–877. doi:10.1080/03639045.2020.1764027. ISSN 0363-9045. PMID 32364418.
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  6. ^ US5597589
  7. ^ Householder, R., "Molding Process", 미국 특허 4,247,508은 1979년 12월 3일 출원, 1981년 1월 27일 발행되었습니다.
  8. ^ "Design Guide: Selective Laser Sintering (SLS)" (PDF). Xometry.
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  20. ^ 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.
  21. ^ "Selective Laser Sintering (SLS) Mississauga SLS Sintering".

외부 링크