SLS 방식에 대한 설명

안녕하세요?

이번 포스팅에서는 SLS방식이라고 해서 Selective Laser Sintering, 번역하자면 선택적 레이저 소결 조형 방식이라고 불리는 3D 프린터에 대해서 설명을 하고자 합니다.

우선 이 본격적인 포스팅에 앞서서 3D 프린터에 대해서 처음 접하시는 분이라면 제 블로그에 있는 3D 프린터에 대한 포괄적이고 간략한 설명 이라는 글을 먼저 읽어 보시는 것을 추천합니다.

이 방식은 지난 포스팅에서 소개한 3DP 방식의 3D 프린터와 상당히 유사하나, SLS방식의 3D 프린터는 바인더 용액으로 분말 상태의 재료를 굳히는 것이 아니라, 레이저를 이용해서 분말을 녹이고 식으면서 굳는 방식으로 조형물을 만든다는 차이가 있습니다.

[미래를 바꿀 3D 프린팅]이라는 책에 의하면 이 SLS방식의 3D 프린터는 우선 밀폐된 챔버 안에서 작업을 하며, 온도가 140~160도씨에 이르는 고열이기에 화재가 일어날 위험이 있다고 합니다. 그래서 화재를 막기 위해서 챔버 내부가 질소 가스로 채워져 있으며, 레이저가 분말 형태의 원 재료를 녹이는 과정에서 발생하는 연기와 가스는 필터를 통과한 다음에 외부로 배출이 된다고 합니다.

이 SLS방식의 3D 프린터가 가지는 가장 큰 특징은 바로 금속 분말을 사용하면, 금속으로 된 조형물을 출력할 수 있다는 점입니다. 주로 청동이나 합금강, 스테인리스 스틸을 이용해서 조형물을 만들기도 하지만, 의료나 우주 항공 분야에서 폭넓게 사용되는 티타늄이나 코발트, 크롬등의 금속 분말을 사용해서 조형물을 만드는 것 또한 가능하다고 합니다.

다음은 SLS방식의 3D 프린터가 어떻게 조형물을 만드는지를 설명하겠습니다.

먼저 SLS방식의 3D 프린터에서 주요 부위를 설명하겠습니다. 

1번으로 표시된 곳이 레이저가 나오는 광원으로, 여기서 나온 레이져는 2번으로 표시된 광원에 반사가 되어서 3번 빌드 플랫폼 위로 떨어지게 됩니다.

조형물을 만들기 위한 재료는 모두 4번의 저장소에 보관이 되어 있으며, 5번으로 표시된 롤러가 밀어서 분말 재료를 빌드 플랫폼으로 옮기게 됩니다.

우선은 아무런 재료도 빌드 플랫폼 위에 없기 때문에 먼저 롤러가 움직여서 저장소에 있는 분말 재료를 빌드 플랫폼으로 밀어서 옮기게 됩니다.

빌드 플랫폼에 분말 원료가 다 옮겨져서 고르게 펴지면, 다음 과정은 레이저 광원에서 발사된 레이져는 반사경을 통해서 빌드 플랫폼 위에 얹어진 분말을 녹이게 됩니다. 이때 반사경의 각도를 조정하는 작업을 거쳐서 레이져가 빌드 플랫폼에 닿는 위치를 조정하는 것으로, 원하는 물체의 가로 절단면에 해당하는 레이어의 모양대로 분말을 녹여서 굳힐 수가 있습니다.이 포스팅에서는 여러분의 이해를 돕고자 하기 위해서 '출력물'이라는 글자를 출력하는 것으로 묘사를 하였습니다.

한개의 층인 레이어에 해당하는 모양이 완성이 되면, 저장소의 바닥면은 위로 올라가고, 빌드 플랫폼은 아래로 내려가게 됩니다. 

위 그림은 기존의 높이에서 저장소의 밑면은 올라갔으며, 빌드 플랫폼의 밑면이 내려간 것을 묘사하는 그림입니다. 이렇게 저장소와 빌드 플랫폼의 밑면 높이를 조정한 다음 단계로 넘어가게 됩니다.

첫 단계와 마찬가지로 저장소에의 가장자리에 있던 롤러가 움직여서, 저장소에 있던 분말 재료를 밀어서 빌드 플랫폼으로 옮기고 있습니다. 옮겨진 분말 재료들은 앞서 레이어의 형상을 하면서 굳어진 출력물을 덮을 것입니다.

이전 단계에서 형성된 레이어를 덮고 있는 분말 재료를 이번에도 레이져가 녹여서, 윗층 레이어의 형상을 만들어 가기 시작합니다. 

이번에도 역시나 윗층에 해당하는 레이어가 만들어 지고 나면, 분말을 저장하고 있는 저장소의 밑면이 상승하고, 빌드 플랫폼의 밑면은 아래로 하강하게 되는 것입니다. 이 과정을 마지막 레이어가 완성이 될때 까지 계속 반복하게 됩니다.

마지막 꼭대기 층의 레이어를 완성하고 난 SLS프린터를 묘사한 그림입니다. 3D 프린터에서 출력과정이 계속 일어남에 따라, 빌드 플랫폼의 밑면이 저장소의 밑면보다 훨씬 더 낮은 곳에 위치하고 있어서 처음에 저장소의 밑면이 가장 낮은 곳에 위치해 있었고, 빌드 플랫폼이 제일 꼭대기 높이에 있었던 상황에 정 반대입니다.

위 그림은 빌드 플랫폼 위에 가득 쌓여 있는 분말 재료 속의 상황을 나타낸 투사도입니다. 위 그림에서 분말 가루 속에는 이제까지 출력이 된 아랫층 레이어가 모두 파 묻혀 있으며, 3DP과정과 거의 마찬가지로 SLS과정 역시 먼저 분말 재료 속에 묻혀 있는 출력물을 꺼내주어야 합니다.

먼저 밀폐가 된 챔버 속에서 바람을 일으키는 소형 선풍기나 블로어 같은 장치를 쓰거나, 진공 청소기와 같은 장치를 이용해서 출력물의 틈과 틈사이에 아직 남아 있는 분말 원료를 제거하는 작업을 해야합니다.

이와 같은 일련의 과정을 거치면, SLS방식에서 출력물을 얻을 수가 있습니다. 물론, SLS방식의 특징 때문에 금속으로 된 출력물 역시 얻을 수가 있는 장점이 있습니다.