대량생산을 위한 메탈 3D 프린터 : SLM 시리즈

■ 개발 : SLM Solutions Group AG, http://www.slm-solutions.com
■ 주요 특징 : SLM 원천 특허기술 보유, 최대 4개의 레이저가 동시에 조사되는 멀티레이저 기술, 출력물의 기계적 물성치를 보존하는 독보적인 멀티 레이저 오버랩 전략, 혁신적인 가스 플로우 시스템, 양방향 리코터로 빠른 출력 속도, 작업자의 안전을 위한 완전 밀폐된 재료 핸들링 시스템, 자동 재료 순환장치, 실시간 통합 모니터링, 오픈 파라미터 시스템
■ 공급 : 퓨전테크놀로지, 031-342-8263, http://www.fusiontech.co.kr

1. SLM 기술의 전문기업

그림 1. SLM280 앞의 작업자

SLM Solutions(SLM 솔루션즈)는 PBF 방식의 선택적 레이저 용융방식의 개발을 주도하여 최초의 SLM방식 특허를 출원한 공동 연구 개발자가 R&D팀으로 근무하고 있는 SLM 기술의 전문기업이다. 전세계에 500대가 넘는 SLM 장비가 설치되어 있으며 항공우주, 에너지, 자동차, 덴탈/의료 및 연구기관 등 다양한 분야의 세계 최고의 기업과 기관에서 SLM 장비를 활용하고 있다.
3D 프린터 장비부터 금속 합금 파우더 재료까지 직접 제조하며 특허 받은 다양한 혁신기술을 앞세워 금속 3D 프린팅 업계를 리드하고 있는 기업이다.

2. 멀티 레이저 기술의 개척자

그림 2. Quad Laser 탑재가 가능한 SLM500

그림 3. Quad Laser 탑재가 가능한 SLM500 내부 챔버

SLM 메탈 3D 프린터는 멀티 레이저 시스템이 적용돼 다중 레이저를 활용해도 출력물의 기계적 물성치에 변형이 없는 높은 수준의 품질을 가진 출력물 제작이 가능하다.
SLM Solutions는 2011년부터 두 개의 400W 레이저를 탑재한 SLM280 Twin Laser 시스템을 출시했으며, 2013년에는 4개의 400W 레이저 혹은 4개의 700W 레이저를 선택할 수 있는 SLM 500 Quad Laser 시스템을 상용화했다.
멀티 레이저 기술을 개발하여 도입함으로써 PBF 방식에 단점으로 꼽히던 출력 속도의 한계를 개선하고, 대형 빌드 사이즈의 금속 3D 프린터를 제작할 수 있는 기반을 마련하였다. 현재 대량 생산을 위해 설계된 대형 빌드 사이즈를 갖춘 SLM500과 SLM800은 700W의 파이버 레이저 4개를 동시에 사용하여 171cm3/h의 빌드 속도를 자랑한다.

3. 멀티레이저 오버랩 전략

그림 4. SLM500 출력 진행 모습

멀티 레이저 오버랩 전략은 다수의 레이저가 함께 조사하며 중첩되는 부분에서 최적화된 레이저 경로를 전략적으로 설계하여 출력물의 물성치를 보존하는 기술로, 하나 이상의 레이저로 고품질 부품을 정밀하게 제작하는데 필요하다. SLM Solutions의 혁신 기술인 멀티 레이저로 제작한 부품과 단일 레이저로 제작한 부품을 비교할 때 동일한 밀도와 기계적 특성을 가진 제품을 출력함으로써 출력 안정성에 도움을 주는 혁신기술이다.

4. Sintered Wall 가스 플로 시스템

그림 5. SLM500의 Sintered Wall을 통한 가스 플로

빌드 프로세스 챔버는 내부환경을 청결한 상태로 유지하는 것이 매우 중요하다. 챔버 내부의 온도와 습도의 일관성을 유지하는 것뿐만 아니라 내부에 순환되는 가스의 청결도에 따라 최종 출력물의 기계적 물성치가 달라지기 때문이다. 2017년부터 SLM 금속 3D 프린터에 새롭게 적용된 Sintered Wall(미세 구멍이 뚫린 벽면)은 불활성 가스의 이동 경로를 최적화하여 출력 중 발생하는 튀는 재료 입자와 그을음을 매우 효과적으로 제거한다. 또한 불활성 가스의 최적 이동 경로의 설계 덕분에 레이저 빔이 조사되는 유리 표면에 발생하는 오염 또한 방지하여 안정적인 출력을 가능하게 한다. 이외에도 출력 중 사용되는 불활성 가스의 소모량도 줄일 수 있어 경제적인 시스템이다.

5. 완전 밀폐된 파우더 핸들링 시스템

그림 6. 자동 파우더 여과 시스템인 PSV

그림 7. 수동 파우더 씨빙 장치에 사용되는 파우더 전용 캔

사용자 편의성을 고려하여 설계된 SLM 장비는 작업자로 하여금 파우더 재료를 직접적으로 대면하지 않고 완전히 밀폐된 상태에서 다룰 수 있도록 한다. 옵션으로 준비된 PSV(자동 파우더 핸들링 장치)는 파우더의 공급부터 재활용을 위한 체질(씨빙 작업)까지 완전히 자동화되어 핸들한다. 추가로 선택 가능한 옵션인 PSM(수동 파우더 씨빙 장치)의 경우에도, 작업자는 파우더를 담는 전용 캔을 통해 파우더 공급부터 재활용까지 파우더를 직접적으로 닿지 않고 작업할 수 있다.

6. 양방향 리코팅 시스템
SLM만의 혁신적인 리코팅 시스템은 출력 중 새 레이어를 만들기 위해서 리코터 내부의 파우더 저장고에서 파우더를 도포함과 동시에 리코팅 작업을 진행한다. 이로써 파우더 피딩 챔버가 따로 필요하지 않아 장비의 전체 사이즈가 콤팩트한 장점이 있다. 또한 양방향 리코팅 시스템으로서 리코터가 한 방향으로 한 번만 이동하여 매우 빠른 리코팅 속도를 자랑하고, 레이저의 정지 대기시간을 줄여줘 출력속도가 빠르다.

7. 품질을 위한 모니터링 시스템, Additve Quality

그림 8. SLM 금속 3D 프린터 라인업

전 장비에 Additive Quality라는 시스템을 도입하여 장비가 운용되고 있는 전 과정에 대한 실시간 모니터링 서비스를 제공한다. 빌드 챔버 내부의 온도, 산소, 가스의 흐름 및 기타 변수들을 지속적으로 모니터링하고 기록함으로써 최종 출력물의 일관된 품질을 보증한다.
첫 번째로, 통합 센서의 실시간 데이터 기록과 Live Camera 기능은 SLM Solutions의 모든 장비에 기본적으로 내장된 모니터링 기능이다. 설치된 모든 센서들의 데이터를 매 2초마다 기록하는 기능은 챔버 내의 온도, 산소, 압력 및 필터 등의 장비 상태를 실시간 차트로 확인할 수 있으며 문서화 기록된다. 챔버 내부에 설치된 Live Camera는 실시간으로 챔버 내부를 영상 재생 및 기록한다. 이로써 출력 오류 발생시 문제점이 있는 부분을 영상으로 재생하여 세부적인 검토가 가능하다.
두 번째로 LCS(Layer Control System) 시스템이다. LCS는 매 레이어 층에 새롭게 코팅되는 재료의 불규칙성을 감지하고 각 레이어의 상태를 기록하여 문서화한다. 레이어에 재료가 도포되는 현황을 카메라 영상으로 감지하고 비전 시스템을 통해 문제점을 잡아낸다. 이를 통해 레이어 리코팅 시에 이상 발생 시 추가 리코팅을 진행하도록 미리 세팅할 수 있으며, 필요한 경우 리코팅 공정에서 문제가 발생하기 전에 미리 작업을 멈추게 한다.
세 번째로, MPM(Melt Pool Monitoring) 시스템은 레이저가 조사되어 베드에 닿을 시 발생하는 열의 파장을 측정하여 이 데이터를 그래프로 시각화한다. MPM에서 얻은 데이터는 출력 시 적용한 파라메터를 평가하거나 개발하는데 사용할 수 있는 자료로 활용되기도 하는데, 안전이 매우 중요한 부품을 생산할 시에는 MPM에서 수집되고 기록된 데이터가 품질 보증서의 역할을 한다. 만약 MPM에서 수집된 데이터가 불규칙할 경우 실제 제조된 부품에 이상을 초래할 수도 있어 MPM 데이터를 품질관리용 데이터로 활용할 수 있다.
네 번째로, LPM(Laser Power Monitoring) 시스템은 레이저 출력 목표 값과 실제 출력된 값을 계속적으로 측정하고 문서화하는 시스템으로 레이저 이상 시 발생하는 다운타임에 대한 조기 경고 시스템으로 활용될 수 있으며 최종 출력물의 품질을 보증하는 문서로도 활용할 수 있다.
앞서 설명한 통합 모니터링 시스템은 최상의 품질을 갖춘 출력물을 안정적으로 제작하기 위해 추가됐으며, 다수의 SLM 장비를 동시에 운용할 시 자동화된 편의 시스템을 제공해 주어 대량생산을 가능하게 하는 요소이다.

그림 9. 위상 최적화 설계 출력물