파우더 베드 융합 3D 프린팅: 새로운 제조의 가능성을 열다

파우더 베드 퓨전 작동 방식

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.  

1. 레이저 또는 열원
2. 분말 평탄화 장치
3. 분말 저장소
4. 제작 중인 부품
5. 제작 중인 부품을 감싸고 있는 파우더 베드
6. 베드와 제작 중인 부품을 하강시키는 이동 플랫폼

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.

파우더 베드 퓨전 3D 프린팅의 이점

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:  

• 부품 네스팅 및 최적화된 패킹 알고리즘을 통해 처리량과 생산성을 높여 부품당 비용을 절감합니다
• 특정 유형의 PBF 공법은 부품의 윤곽을 “따라 그리는” 방식(더 많은 시간이 소요됨)과 달리, 한 번의 패스로 부품의 전체 레이어를 용융할 수 있기 때문에 인쇄 속도가 현저히 빠릅니다.

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 융합의 산업 및 응용 분야

파우더 베드 프린팅이 제공하는 장점 덕분에, 이 기술은 제조와 관련된 거의 모든 산업 분야에서 활용되고 있습니다.   

• 산업 제조 분야에서 파우더 베드 융합 기술은 뛰어난 반복 정밀도를 갖춘 지그, 고정구 및 최종 사용 부품을 생산하는 데 활용됩니다. 이 기술은 종종 시제품 제작과 사출 성형 사이의 격차를 해소하기 위해 도입됩니다. 
• 항공우주 분야에서는 가볍고 강도가 높은 부품이 안전 기준을 유지하면서 연료 소비를 줄이는 데 기여합니다. 또한 설계 요구 사항에 따라, 강도를 저하시키지 않으면서 무게를 줄이기 위해 부품을 최적화하고 격자 구조로 프린팅할 수 있습니다. 
• 자동차 산업에서는 복잡한 형상을 통해 중량 감량과 공간 최적화가 가능합니다. 파우더 베드 융합 기술은 교체용 부품 및 기능성 프로토타입의 신속한 개발을 지원합니다. 또한 자동차 산업에서 점점 더 보편화되고 있는 소량 및 중량 생산 맞춤형 제작에도 매우 효과적입니다.  
• 의료 분야에서는 개별 환자에게 맞춤화된 보조기 및 의수·의족 장치를 기존 방식의 지연 없이 신속하고 효율적으로 제조할 수 있습니다. 외과의사는 수술 전 계획 및 훈련을 위한 3D 프린팅 모델도 제작할 수 있습니다. 
• 소비재 산업은 파우더 베드 퓨전(PBF)의 설계 유연성과 생산 능력을 활용합니다. 기업들은 생산 금형에 드는 간접 비용 없이 맞춤형 제품의 시제품을 제작하고 출시할 수 있습니다. 대표적인 응용 분야로는 안경테, 운동 용품, 패션 액세서리 등이 있습니다.  

파우더 베드 융합의 과제와 한계

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. 

• 후가공은 특히 높은 미적 완성도가 요구되는 부품의 경우 노동 집약적일 수 있습니다.
• 분말 취급 시 오염을 방지하고 작업자의 안전을 보장하기 위해서는 엄격한 프로토콜이 필요합니다. 
• 습도 및 온도와 같은 환경적 요인도 분말의 흐름과 일관성에 영향을 미칠 수 있으므로, 최적의 성능을 위해서는 잘 제어된 환경이 필요합니다.  

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.  

파우더 베드 융합의 미래 혁신과 트렌드

PBF 적층 제조 기술은 약 40년 전부터 존재해 왔지만, 그 발전은 멈추지 않았으며 새로운 기술 개발이 계속해서 이 기술의 한계를 넓혀가고 있습니다.  

• 복합재와 고온 폴리머를 포함한 새로운 소재들이 시장에 진입하면서 최종 용도 분야의 범위가 확대되고 있습니다. 기계적, 화학적, 열적 특성이 개선됨에 따라 파우더 베드 융합(PBF) 부품은 더욱 까다로운 환경에서도 우수한 성능을 발휘하고 있습니다. 
• 더 효율적인 스캐닝 전략과 향상된 에너지 제어 덕분에 속도도 개선되고 있습니다. 융합제 및 장비 아키텍처의 혁신은 부품 정밀도를 유지하면서 프린팅 시간을 단축시키고 있으며, 이는 부품당 비용 절감에 기여합니다. 
• 자동화 기술도 빠르게 발전하고 있습니다. 자동화된 분말 회수부터 AI 기반 품질 관리에 이르기까지, 이러한 발전은 수동 개입을 줄이고 일관성을 높이고 있습니다. 실시간 모니터링과 머신 러닝 알고리즘은 제작 실패로 이어지기 전에 운영자가 이상 징후를 감지할 수 있도록 돕고 있습니다. 

이러한 혁신들이 결합되어 파우더 베드 융합 기술은 더욱 접근성이 높고, 효율적이며, 강력해지고 있습니다. 

스트라타시스 파우더 베드 융합 기술

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.

산업 규모의 생산에 적합하게 구축

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: 

부품 일관성 및 정밀도 

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. 

비용 관리 

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.  

개방형 유연한 시스템 

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.  

탄소 발자국 감소

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. 

최적화된 워크플로우 

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. 

고성능 폴리머

SAF PBF 기술은 현재 세 가지 유형의 파우더 베드 융합용 폴리머를 사용합니다: 

• PA12(나일론 12) – 뛰어난 강도, 치수 안정성 및 비용 효율성으로 높이 평가받는 이 소재는 지그, 고정구 및 경량 기계 부품과 같은 용도에 적합합니다. 

• PA11 (나일론 11) – 재생 가능한 피마자유에서 추출된 PA11은 우수한 연성과 내충격성을 제공하여, 보조기 및 보호 장비와 같이 내구성이 요구되는 부품에 이상적입니다. 

• 폴리프로필렌(PP) – PP의 장점으로는 뛰어난 내화학성, 기밀성 및 유연성이 있으며, 이는 자동차 및 의료 부품에 필수적입니다. 

참고로, SAF 기술 이외의 PBF 공정에서도 이러한 소재를 사용할 수 있으며, 그 외에도 다음과 같은 소재를 포함할 수 있습니다: 

• TPU(열가소성 폴리우레탄) – TPU는 특정 구성에 따라 탄성과 다양한 경도를 나타냅니다. 

• TPA(열가소성 폴리아미드) – TPA는 나일론 기반 폴리머로, TPU보다 밀도가 낮아 유연성과 탄성을 유지하면서도 더 가볍습니다. 

• FR(난연제) – 운송 분야에 사용되는 부품용 난연성 분말은 일반적으로 화염 확산을 규제하는 규격 요건을 준수합니다.  

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.