개요: Stratasys SAF™ 파우더 베드 융합(PBF) 기술은 적외선 흡수제와 열을 이용해 폴리머 파우더를 융합하여 등방성 고정밀 부품을 제작합니다. 이 기술은 효율적인 네스팅, 빠른 사이클 시간, 재활용 가능한 소재를 제공하며, 항공우주, 자동차, 의료 등 다양한 분야에서 확장 가능한 생산이 가능합니다.
3D 프린팅이라는 주제가 복잡하거나 부담스럽게 느껴진다면, 그런 생각을 하는 분은 여러분뿐만이 아닙니다. 고려해야 할 사항이 많기 때문이죠. 하지만 더 많이 알아갈수록 상황이 더 명확해질 것입니다. 시작하기에 좋은 방법은 시중에 나와 있는 다양한 적층 제조(AM) 기술, 즉 3D 프린팅 방식에 대해 익히는 것입니다. 이를 돕기 위해 이 글에서는 그 기술 중 하나인 '파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion)'을 자세히 살펴보겠습니다. 이를 통해 이 기술이 어떻게 사용되고, 어떤 분야에 적합하며, 언제 고려해야 하는지 더 잘 이해할 수 있을 것입니다.
파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion) 3D 프린팅은 레이저나 전자빔과 같은 고에너지원을 사용하여 분말 재료를 층층이 선택적으로 녹이고 융합하여 3차원 물체를 만드는 적층 제조 공정입니다. 이 방법은 디지털 설계를 기반으로 미세 분말 재료로 채워진 베드 위에서 부품을 제작합니다. 각 부품 주변의 사용되지 않은 분말은 자연스러운 지지대 역할을 하여, 추가적인 지지대(금속의 경우 제외) 없이도 복잡한 형상을 제작할 수 있게 해줍니다.
파우더 베드 퓨전 공정은 사용되는 가열 방식에 따라 크게 몇 가지 범주로 나뉩니다:
각 방식은 분말 베드 위에서 부품을 제작한다는 핵심 원리를 공유하지만, 융합 메커니즘과 적합한 재료가 달라 이상적인 사용 사례에 영향을 미칩니다. 비록 금속이 PBF 시장 점유율의 상당 부분을 차지하지만, 이 블로그 게시물은 특히 폴리머 PBF 3D 프린팅에 초점을 맞출 것입니다.
파우더 베드 융합 공정은 일련의 정밀한 단계로 나눌 수 있습니다. 먼저, 예열된 분말을 얇은 층으로 적층 플랫폼 위에 고르게 펴 바릅니다. 그런 다음 열원(열 에너지)이 디지털 모델의 단면 형상에 따라 분말을 선택적으로 융합시킵니다. 한 층이 융합되면 적층 플랫폼이 약간 내려가고, 예열된 분말을 새로 한 층 더 얹어 융합합니다.
이러한 층별 적층 방식은 부품이 완전히 형성될 때까지 계속됩니다. 제작이 완료되면 부품은 분말 베드 내에서 냉각됩니다. 냉각 후 남은 잔여 분말은 제거되며, 이는 향후 인쇄 시 재사용되는 경우가 많습니다. 설계 요구 사항에 따라 비드 블라스팅, 염색 또는 증기 평활화 같은 추가 후처리 단계가 필요할 수 있습니다.
파우더 베드 융합(PBF) 소재에 영향을 미치는 한 가지 요소는 소재의 점진적인 열화입니다. 인쇄 공정에 노출되면 소재의 열적 특성이 저하됩니다. 그 결과, PBF 공정에서는 사용된 파우더를 새 파우더와 혼합하여 재생해야 하며, 그 비율은 사용 중인 특정 파우더 베드 융합 기술 및 프린터의 성능에 따라 달라집니다. 더 이상 사용할 수 없는 파우더는 공정의 폐기물 부산물이 됩니다.
다른 형태의 3D 프린팅과 마찬가지로, PBF 공정은 기존 제조 방식에 비해 거의 무한한 설계 자유도는 물론 시간과 비용 면에서도 효율성을 제공합니다. 하지만 다른 적층 제조 방식과 차별화되는 몇 가지 특징이 있습니다:
때때로 간과되곤 하는 파우더 베드 3D 프린팅의 또 다른 장점은 거의 등방성(isotropic)인 부품, 즉 모든 방향에서 일관된 기계적 특성을 지닌 부품을 생산할 수 있다는 점입니다. 이는 중요한 하중 지지 기능 부품에 유리합니다. 반면, 일부 다른 적층 제조 공정은 강도와 같은 특성이 제작 축에 따라 달라지는 이방성(anisotropic) 부품을 생성합니다. 이로 인해 부품의 형상 전반에 걸쳐 기계적 특성에 변동성이 발생하는데, 예를 들어 한 방향에서는 강도가 높고 다른 방향에서는 그렇지 않은 경우가 있습니다.
많은 3D 프린팅 공정과 달리, 폴리머 PBF 부품은 본질적으로 재활용이 가능한 열가소성 수지로 제작되므로 공정의 지속 가능성을 높여줍니다. 이는 3D 프린팅이 대량 생산으로 확대됨에 따라 특히 중요한 요소입니다.
파우더 베드 프린팅이 제공하는 장점 덕분에, 이 기술은 제조와 관련된 거의 모든 산업 분야에서 활용되고 있습니다.
장점이 있음에도 불구하고, 파우더 베드 융합 방식의 3D 프린팅은 신중한 검토가 필요한 몇 가지 고려 사항이 있습니다.
장비 비용은 적층 제조 기술 중 가장 높은 편에 속합니다.
소재 선택의 폭은 넓어지고 있지만, 다른 폴리머 적층 제조 기술들이 더 많은 옵션을 제공합니다.
사용 용도에 따라 FDM®, PolyJet™ 또는 P3™ DLP 기술과 같은 다른 형태의 적층 제조가 더 적합할 수 있습니다. 이러한 기술은 시설 및 환경적 고려 사항이 덜 필요하기 때문입니다. 또한 이러한 기술은 더 다양한 소재를 제공합니다.
PBF 적층 제조 기술은 약 40년 전부터 존재해 왔지만, 그 발전은 멈추지 않았으며 새로운 기술 개발이 계속해서 이 기술의 한계를 넓혀가고 있습니다.
이러한 혁신들이 결합되어 파우더 베드 융합 기술은 더욱 접근성이 높고, 효율적이며, 강력해지고 있습니다.
스트라타시스(Stratasys)는 현재 H350™ 파우더 베드 3D 프린터에 적용된 SAF®(Selective Absorption Fusion®) 기술을 통해 자사의 적층 제조(AM) 전문성을 파우더 기반 융합 기술에 접목하고 있습니다. SAF 기술은 산업용 프린트 헤드로 도포된 적외선 흡수제와 적외선 열 램프를 사용하여 폴리머 파우더를 선택적으로 융합합니다.
기존 폴리머 PBF 방식의 단점을 해결하기 위해 설계된 H350 프린터와 SAF 기술의 혁신은 제조업체들에게 현재 시중의 PBF 솔루션보다 훨씬 뛰어난 여러 가지 핵심 이점을 제공합니다.
SAF 기술의 설계 목표 중 하나는 운영 비용을 최소화하고 워크플로를 간소화하면서, 특히 대량 생산되는 최종 사용 부품을 대상으로 생산 환경에서 적층 제조를 활용할 수 있도록 하는 것이었습니다. 하지만 더 중요한 것은, SAF 기술이 현재의 폴리머 PBF 기술을 개선하기 위해 개발되었다는 점입니다.
H350 3D 프린터와 SAF 기술이 현재의 파우더 베드 3D 프린팅의 문제점을 해결하는 주요 특징은 다음과 같습니다:
H350 프린터는 경쟁 시스템에서 사용되는 양방향 방식과 달리 특허받은 단방향 인쇄 모드를 사용합니다. 또한 H350 프린터는 다른 시스템보다 100배 더 정확한 고해상도 열화상 카메라를 사용합니다. 이러한 조합은 프린트 베드 전체에 걸쳐 일관된 열 제어를 가능하게 하여, 제작 과정 전반에 걸쳐 정확한 부품과 높은 수율을 보장합니다.
H350 프린터는 재료 낭비를 사실상 제로 수준으로 유지하면서 최대 43%의 네스팅 밀도를 달성합니다. 현재 시중에 나와 있는 다른 폴리머 파우더 베드 융합 시스템들은 약 10~12%의 밀도만 달성할 수 있습니다. 또한 H350 프린터는 소모품 사용량도 적습니다. 이러한 요소들이 결합되어 운영 비용을 절감하고 처리량을 증가시켜 부품당 비용을 낮춥니다.
GrabCAD Print Pro™ 소프트웨어는 추가 비용 없이 작업 추적 기능이 포함된 자동 제작 보고서를 생성할 수 있으며, 이는 경쟁 시스템에서는 불가능한 기능입니다. 인쇄 설정 또한 사용자 정의가 가능하여 다양한 용도에 맞게 필요에 따라 조정할 수 있습니다.
경쟁사 제품과의 직접 비교 테스트 결과, H350 프린터는 동급 제품 중 인쇄 부품 1kg당 에너지 비용이 가장 낮습니다. 또한 설치 면적이 작아 경쟁사 시스템 1대를 설치할 공간에 프린터 2대를 설치할 수 있습니다. 설치 공간이 작아지면 온도 및 습도 제어에 필요한 설비가 줄어들어, 기술 전반의 탄소 발자국을 줄이는 데 기여합니다.
PowderEase™ T1 액세서리는 자동 분할, 부품 회수 및 분말 주입 기능을 통해 분말 처리 과정을 간소화합니다. 이를 통해 인쇄 후 부품 처리 작업에 필요한 인력을 대폭 줄여, 고객이 다른 업무에 집중할 수 있게 합니다. 또한 수동 분말 취급을 줄이고, 분진 노출을 제한하며, 미사용 분말을 더 효율적으로 회수함으로써 작업장의 안전성과 효율성을 향상시킵니다.
이러한 이점 외에도 SAF 기술의 두드러진 지속 가능성 혁신 중 하나는 SAF ReLife PA12입니다. 이 기능을 통해 SAF 및 기타 파우더 기반 기술에서 발생한 사용 후 PA12 폐파우더를 H350 3D 프린터에서 재사용할 수 있습니다. 이러한 친환경적인 접근 방식은 탄소 배출량을 최대 90%까지 줄일 수 있어, 사실상 폐기물을 가치 있는 자원으로 전환합니다.
SAF PBF 기술은 현재 세 가지 유형의 파우더 베드 융합용 폴리머를 사용합니다:
참고로, SAF 기술 이외의 PBF 공정에서도 이러한 소재를 사용할 수 있으며, 그 외에도 다음과 같은 소재를 포함할 수 있습니다:
파우더 베드 프린팅이 다른 적층 제조 기술에 비해 사용할 수 있는 소재가 적다고 느끼셨다면, 그 인식은 정확합니다. 그 주된 이유는 특정 폴리머를 분말 형태로 가공하는 데 어려움이 있기 때문입니다. 모든 플라스틱이 분말화 과정에 필요한 균형 잡힌 열적 특성을 갖추고 있는 것은 아닙니다. 그렇긴 하지만, 폴리머 PBF에 사용되는 나일론 기반 소재는 다양한 응용 분야를 커버할 수 있습니다. 또한, 나일론 기반의 탄소 또는 유리 섬유 강화 복합 소재 개발이 계속되어 더 많은 옵션을 제공하고 있습니다.
스트라타시스(Stratasys)가 SAF 기술을 제공하는 한편, 다른 분말 베드 융합 공정들도 적층 제조 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.
각 기술마다 장점이 있지만, Stratasys SAF 플랫폼은 효율성, 재현성 및 경제성 면에서 두드러집니다.
PPBF 공정에서는 입자를 용융점 바로 아래의 온도로 예열한 후, 제조될 부품이 형성될 영역의 입자를 선택적으로 가열하여 용융시킵니다. 이 입자들은 서로 융합된 후 굳어져 최종 부품을 형성합니다.
변색은 주로 분말의 열적 열화에서 비롯되며, 특히 재사용된 분말이 인쇄 과정에서 장시간 열에 노출될 때 발생합니다. 이는 외관뿐만 아니라 기계적 특성에도 영향을 미칠 수 있습니다.
네, Rilsan® PA11과 같은 소재는 바이오 기반이며 생체 적합성이 있어 보조기 및 의수·의족과 같은 의료용 응용 분야에 적합합니다. 의료용 등급의 PA12 변형 제품들도 피부 접촉 및 제한적인 내부 사용에 대해 인증을 받았습니다.
PA11은 연성이 더 뛰어나고 내충격성이 우수하며, 파단 신장률이 더 큽니다. 반면 PA12는 강성이 더 높고 치수 안정성이 뛰어나며, 공차 범위가 더 좁습니다.
이는 사용된 구체적인 기술에 따라 다릅니다. 각 사이클마다 분말은 열과 산소에 노출되어 화학적 구조와 인쇄성이 저하됩니다. 대부분의 시스템은 재사용된 분말의 품질을 유지하기 위해 20~50%의 신규 분말을 추가하는 '리프레시 비율'을 권장합니다. 그러나 SAF 기술의 정밀한 열 제어 덕분에, 세척 과정에서 손실되는 분말을 제외하고는 폐기물을 발생시키지 않고 모든 분말을 활용할 수 있습니다.
일반적인 징후로는 층 확산 불량, 부품 강도 불균일, 취성 증가, 눈에 띄는 표면 결함 등이 있습니다. 또한 반복 사용 시 입자 크기가 커지고 산화가 진행되어 융합 성능이 저하됩니다.
아니요. 주변의 용융되지 않은 분말이 오버행과 복잡한 형상을 지지해 주므로, 물리적 지지 구조물 없이도 정교한 형상을 제작할 수 있습니다. 이는 설계 및 후가공 과정을 단순화합니다.
네, 수분 흡수율이 낮고 내화학성이 우수한 폴리프로필렌을 사용하면 방수 및 기밀성이 뛰어난 부품을 제작할 수 있습니다.
적층 제조 분야의 선구자인 Stratasys는 파우더 베드 퓨전(PBF) 시장의 판도를 새롭게 정의했습니다. SAF 기술과 H350 3D 프린터는 폴리머 PBF 공정을 새로운 차원의 성능으로 끌어올려, 제조업체들이 기존 방식에 비해 실질적인 이점을 누릴 수 있도록 설계되었습니다. 비용 효율성, 간소화된 워크플로우, 지속 가능성 기능이 결합된 SAF 기술과 H350 프린터는 파우더 베드 퓨전 3D 프린팅을 위한 최적의 선택입니다.
자세한 내용은 SAF 기술 웹 페이지를 방문해 주십시오.
3D 프린팅 기술 선택 방법에 대해 더 깊이 알아보고 싶으시다면, 당사의 구매 가이드를 확인해 보십시오. 이 가이드는 각 Stratasys 기술에 대한 포괄적인 정보, 해당 기술이 가장 적합한 분야, 그리고 고려해야 할 사항들을 상세히 안내합니다.
