3D프린팅 기술원리 #3 PBF

기술원리에 따라 SLS, SLM, EBM 등으로 불리며, 국제표준화기구에 따라 공식적인 명칭은 PBF, Powder Bed Fusion이다.

국제표준화기구에 따른 3D프린팅 기술분류 보기

PBF 방식은 주로 금속 3D프린팅에 적용되며, 레이저나 전자빔을 사용해 금속 파우더를 용융시키며 제작하는 원리이다. 금속을 다루는 만큼 산업적인 적용 가능성이 높고 전통적인 제조기술로 구현할 수 없는 형상을 가능하게 한다는 점에서 많은 주목을 받고 있다.

하지만 고출력 에너지원을 사용하기에 불활성, 고진공 환경이 요구되며, 소재 또한 일반 금속 파우더가 아닌, 매우 미세한 3D프린팅용 파우더로 가공해야 하기에 장비와 소재가 고가에 형성되어 시장 확대가 제한된다.

최초의 PBF 기술은 1990년대 EOS 사에서 개발하였으며 DMLS, Direct Metal Laser Sintering라 명명하였다. 이후 많은 기업이 PBF 기술을 개발하였고 SLM, SLS, EBM, DMLM 등 다양한 기술명칭이 등장하였다.

PBF의 기술원리를 살펴보면

1. 빌드플랫폼에 고분자 금속 분말(레이저 15~60미크론, 전자빔 45~105미크론)을 한층(20~120미크론) 깔고

2. 분말층을 에너지원(레이저, 전자빔)으로 용융시킨다

3. 해당과정 반복

레이저로 금속 분말을 용융시키는 과정

일반적으로 레이저 출력은 200~500와트, 전자빔은 1,000~6,000와트 수준이며, 전자빔이 출력이 높지만 정밀도가 상대적으로 낮은 편이다. 정밀도는 레이저가 20~100미크론, 전자빔은 100~200미크론 수준이고, 출력 속도는 레이저가 시간당 10~50cc, 전자빔은 시간당 50~90cc 수준이다.

전자빔(좌)과 레이저(우)의 표면 정밀도 차이

고출력 에너지원을 사용하기에 공기 중 수분, 산소 및 기타 요소 등이 출력에 영향을 미칠 수 있으므로 불활성, 고진공 환경이 요구되며, 베드 온도는 소재에 따라 다르지만, 일반적으로 레이저는 200~500℃, 전자빔은 500~1,000℃ 수준이다.

소재의 크기는 레이저가 15~60미크론, 전자빔은 45~105미크론 수준이며, 레이어 정밀도(Z축 분말층)는 20~120미크론 수준이다.

PBF 방식 소재 종류와 적용 기술

PBF 기술은 적층 시 용융되는 면적 외에는 분말 형태로 남아 있으며, 출력물을 지지해주는 역할을 한다.

또한, SLS(Selective laser sintering)는 소재를 녹는점 이하로 가열하여 고체화시키는 기술로 세라믹 등의 소재를 적용할 수 있고, SLM(Seletive laser melting)은 소재를 용융시키며 제조한다는 점에서 차이점이 있다.

PBF 금속 3D프린팅 설비는 출력부 외에도 소재를 필터링하고 후가공을 진행하는 등 일련의 프로세스가 요구되며, 일반적으로 이러한 패키지를 포함해 10억 원을 호가하는 가격대를 형성한다.

PBF 방식은 출력 속도가 느리고 소재와 장비의 가격이 고가라는 점이 단점이지만, 대표적인 산업용 소재인 금속을 다룰 수 있다는 점에서 활발한 연구개발이 이어지고 있으며, 고부가가치 산업을 필두로 적용되고 있다.

대표적으로 우주항공 분야를 예로 들 수 있으며, GE의 제트엔진 연료노즐 등이 성과 사례로 꼽힌다. 또한, 맞춤형 제작이 필요한 의료분야에서도 활발한 연구개발이 이루어지고 있으며 티타늄 소재를 활용한 삽입보철물(두개골, 슬개골, 갈비뼈 등) 적용사례가 있다.

개발동향을 살펴보면, 레이저나 전자빔의 출력을 높이거나 듀얼 레이저 등을 적용해 출력속도를 개선하고, 출력 이후 거친 표면을 가공하는 과정을 단축하기 위해 로봇팔을 연계한 표면처리 방식이 등장하고 있다.

금속 3D프린팅 방식은 이 외에도 DED, Binder jetting, WDED 등이 있으며, 별도의 장에서 설명할 예정이다.