[헬로티]
선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering, 이하 SLS)은 고성능 CO2 레이저를 사용해 분말 열가소성 레진을 선택적으로 녹여 융합하는 3D프린팅 방식이다. 이 공정은 뛰어난 표면 마감 처리와 정교한 디테일 획득 가능성을 가져 견고한 기능성 파트를 제작하는데 용이하다.
▲출처 : 게티이미지뱅크
복잡한 기하형상에 적합한 SLS 방식
SLS는 원형 제작 설계를 넘어 낮은 운영비로 높은 정확성과 내구성, 재현성을 달성할 수 있어 기계부품 제조에 활용되고 있다. SLS는 특히 타 공정 사용 시 제작이 어렵거나 공구 세공을 위한 시간과 비용이 허락되지 않는 복잡한 기하형상에 이상적인 방식이다.
기능성 부품 및 원형 제작이 필요한 엔지니어라면, 열가소성 파트를 제작하기 위한 3D프린팅 기술로 주로 SLS를 선택한다. 무엇보다 안정적으로 기능하는 최종 사용 제품을 만들기 위해서는 알맞은 소재를 선택하는 것이 중요하다.
소재는 강성과 탄성, 높은 연신율, 높은 충격 강도 및 고온 내성에 이르는 완전한 기능 범위를 제공하도록 고안됐다. 한 예로, 3D시스템즈의 내구성 소재인 ‘Nylon 11’은 가혹한 환경에서 성형 파트 성능을 필요로 하는 원형 제작 및 최종 사용 제품에 적합하다.
Nylon 11은 사출 성형 ABS 및 폴리프로필렌을 대체하는 강성을 보유했으며, 기능성 파트는 충돌 테스트 또는 기타 응력 시뮬레이션과 같은 실생활 환경에서 테스트가 가능하다. 또한, 자동차 설계, 생산용 부품, 스냅식·휘어지는 힌지(경첩) 부품, 항공우주 부품 및 덕트, 커넥터 등에 활용된다.
SLS 소재를 활용한 자동차 부품의 탄생
SLS 공정은 제품에 어울리는 최적의 소재와 함께 자동차 산업에 적용되고 있다. 미국의 엔진 제조기업인 ‘Briggs & Stratton’은 정확도와 처리량을 바탕으로 내구성이 우수한 SLS 부품을 제작해 제품 개발 생산성을 새로운 수준으로 높이는 데 성공했다.
Briggs & Stratton에서 SLS을 활용한 원형 제작은 송풍기 하우징 및 연료 인젝터 시스템부터 사이클론 공기 청정 시스템, 머플러, 흡기 매니폴드 등에 이르기까지 다양한 분야에 사용된다.
사내 엔지니어는 거의 모든 부품의 개념 검증을 위한 원형 제작 외에도 설계 성능, 조립 및 간섭을 조기에 파악할 목적으로 엔진에 장착되는 일부 SLS 부품을 포함시켰다. Briggs & Stratton의 고속 원형 제작센터 관리자인 마이클 도나(Michael Dorna)는 SLS 3D프린팅 후 에폭시로 밀봉한 흡기 매니폴드 부품 요청을 받았다.
▲EcoJet에는 DuraForm HST 소재를 활용해 제작한 통풍구가 들어가 있다. (출처 : 3D시스템즈)
마이클 도나는 “주문이 늘어남에 따라, SLS 부품이 설계 검증에 사용된다는 사실을 알게 됐다. 이는 공랭식 엔진에서 스로틀 밸브를 완전 개방한 상태로 2천 시간 동안 작동한다는 것을 의미한다”고 말했다.
그는 혹독한 환경에서도 SLS 부품이 문제가 없다는 것을 증명한 셈이라고 덧붙였다. Briggs & Stratton 설계자들은 전반적으로 빠른 부품 제작으로 프로젝트를 안심하고 효율적으로 진행한다는 점에서 SLS 방식에 만족했다.
‘EcoJet’는 미국 NBC의 인기 토크쇼 진행자인 제이 레노(Jay Leno)의 ‘Big Dog Garage’에 소장하는 자동차 200대 중 하나지만, 제이 레노 팀이 직접 제작한 자동차다.
이 자동차는 650마력의 Honeywell 가스 터빈 엔진이 탑재돼 제트 워시만으로 차고에서 밖으로 나올 수 있다. 이러한 이유로 통풍구 중 하나가 부주의로 파손됐다.
게다가 EcoJet CAD 데이터까지 손실돼 자동차를 수리하려면, 3D스캐닝 소프트웨어인 ‘Geomagic Design X’를 사용해 부품을 처음부터 끝까지 역설계하는 디지털 워크플로가 필요했다.
먼저 소프트웨어를 사용해 피처를 기준으로 편집이 가능한 3D CAD 모델을 다시 생성했고, 이후 3D시스템즈의 주문형 서비스 팀의 도움으로 SLS 방식과 ‘DuraForm HST Composite’ 소재를 사용해 3D프린팅했다.
DuraForm HST는 섬유가 보강된 나일론으로 기계적인 이방성 특성을 갖기에 높은 강성과 우수한 내열성이 필요한 기능성 원형 제작 및 최종 사용 제품에 이상적이다. 제이 레노는 “3D스캔만으로 최종 사용 제품을 완벽하게 제작할 수 있다니 놀라울 따름이다”고 소감을 밝혔다.
▲포뮬러 원 팀은 3D프린팅을 활용한 매물 주조 패턴으로 크고 복잡한 금속 제품 개발이 가능했다. (출처 : 3D시스템즈)
한편, 경주용 자동차 챔피언십인 ‘포뮬러 원(Formula One)’에서도 SLS 3D프린팅이 활용되고 있다. 포뮬러 원 경주는 지속적인 혁신이 반영된 엔지니어링 스포츠다.
엔지니어 팀은 끊임없이 변화하는 최고 성능에 도달하기 위해 일하고 있다. 이에 영국 엔스톤에 있는 르노 스포츠 포뮬러 원 팀은 지난 1998년부터 자동차 정비에 3D프린팅 기술을 적용하고 있다.
팀은 기술 적용 초기에 기능 및 설계 정합도 확인과 정확한 조립을 위한 지그 및 고정 장치 용도에 3D프린팅을 사용했다. 현재는 지그와 고정장치, 유체 흐름 지그, 매물 주조 패턴 및 풍동 부품을 제작하는 Accura 범위와 냉각 덕트 같이 차량에서 사용되는 부품용 DuraForm PA 및 DuraForm GF를 활용하고 있다.
닉 체스터(Nick Chester) 르노 스포츠 포뮬러 원 팀 기술 이사는 “경주 때마다 복잡한 복합물로 만들어진 새로운 구성 요소와 항공우주 합금이 R&D 및 시뮬레이션 실험실의 혹독한 선정 과정에서 살아남아 빛을 보게 된다”고 말했다.
닉 체스터 이사는 “경주 시즌이 끝날 무렵 우리는 경주 차량이 시작 때보다 랩당 1초 이상 빨라지길 기대하며, 우리의 기술 파트너 역시 동일한 가차 없는 선정 과정에서 살아남아야 한다”고 덧붙였다.
