적용분야

선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM)은 금속 분말 베드와 고출력 레이저를 사용해 금속 부품을 제작하는 대표적인 금속 적층 제조 기술입니다. 이 공정은 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 등 다른 명칭으로도 불리지만, ASTM 기준에 따른 공식 표준 용어는 파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion, PBF)입니다. PBF는 고밀도 레이저를 이용해 금속 분말 층을 정밀하게 용융·결합함으로써 복잡하면서도 고품질의 금속 부품을 제작하는, 급속 시제품 제작과 3D 프린팅, 적층 제조 분야의 최첨단 기술입니다.

설계된 3D 제품은 금속 분말을 층별로 선택적으로 용융하고 재응고시키는 방식으로 출력됩니다. 각 층이 완성되면 빌드 플랫폼이 소량 하강하고, 그 위에 새로운 분말 층이 도포됩니다.

분말 베드는 일반적으로 분말의 용융 온도에 도달하는 데 필요한 에너지를 줄이기 위해 사전 예열됩니다. 균일한 열 분포는 균질한 금속 조직을 가진 고품질 부품을 제작하는 데 필수적입니다.

선택적 레이저 용융(SLM)에서 온도 모니터링이 중요한 이유는, 이 공정에 내재된 복잡한 열 거동을 효과적으로 관리해야 할 필요성에서 비롯됩니다. SLM은 고에너지 레이저를 사용해 금속 분말 층을 선택적으로 용융하며, 이 과정에서 급격한 용융과 응고가 반복되어 큰 온도 구배가 형성됩니다. 이러한 온도 구배는 상당한 열 응력을 유발할 수 있으며, 그 결과 균열, 뒤틀림, 바람직하지 않은 미세조직과 같은 결함이 발생해 최종 부품의 품질과 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다.

이러한 문제를 완화하기 위해서는 효과적인 온도 관리가 필수적입니다. SLM 공정에서 일반적으로 나타나는 높은 냉각 속도는 비평형 응고를 초래하여, 소재의 강도를 약화시킬 수 있는 상(phase) 조성을 형성할 수 있습니다. 또한 레이저와 소재의 상호작용으로 인해 용융 풀 내부에 복잡한 대류 흐름이 발생하며, 이는 소재 분포의 불균일과 기공(pore) 또는 공극(void) 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 결함은 부품의 구조적 무결성을 저하시켜, 고성능이 요구되는 응용 분야에는 부적합하게 만들 수 있습니다.

온도 모니터링은 열 방출이 충분하지 않은 현상과 같은 공정 이상을 감지하는 데 매우 중요하며, 이러한 문제는 기공, 박리(delamination), 또는 부적절한 응고로 이어질 수 있습니다. 공정 전반에 걸쳐 온도 분포와 그 변화 양상을 면밀히 관찰함으로써 공정 안정성을 유지하고, 공정 파라미터를 최적화하며, 생산된 부품의 기계적 특성과 치수 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

SLM 공정에서는 파우더 베드 전반에 걸쳐 적절한 예열과 균일한 열 분포를 확보하는 것이 큰 과제입니다. 열 분포가 불균일할 경우 3D 프린팅된 부품에 구조적 변형, 균열, 기공 형성이 발생할 수 있습니다. 그러나 Optris의 IR 카메라를 사용해 열 분포를 모니터링하면 핫스팟(hot spot)을 조기에 감지할 수 있어, 오류를 방지하고 최적의 부품 품질을 확보하기 위한 적절한 시정 조치를 신속하게 취할 수 있습니다.

예를 들어 PI 640i와 같은 Optris IR 이미저는 파우더 베드 온도를 효과적으로 측정하여 장비 상태에 대한 중요한 인사이트를 제공합니다. 보다 비용 효율적인 솔루션으로는 Optris 파이로미터를 사용해 파우더 베드 온도를 모니터링할 수도 있습니다. 또한 PI 08M과 같은 단파장 카메라를 활용하면 레이저 용융이 이루어지는 개별 영역을 정밀하게 모니터링할 수 있습니다.

레이저의 높은 에너지 밀도와 그로 인한 반사광 가능성을 고려할 때, 비접촉식 온도 측정에 사용되는 적외선 센서는 이러한 조건을 견딜 수 있을 만큼 충분히 견고해야 합니다. SLM 공정에서는 일반적으로 1064 nm에서 작동하는 고체 레이저 또는 10.6 μm 파장의 CO₂ 레이저가 사용되며, 반사광을 포함해 아주 미미한 레이저 노출만으로도 적외선 카메라에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 두 가지 전략이 권장됩니다. 첫째, 레이저 파장과 충분히 떨어진 파장 대역에서 작동하는 카메라를 사용하는 방법이며, 둘째는 특수 필터를 적용해 카메라를 보호하는 방법입니다. Optris는 이러한 과제를 효과적으로 해결하기 위해 PI 1M용 노치 필터(notch filter)와 LT 카메라용 롱패스 필터(long-pass filter)를 제공하고 있습니다.

주요 적용 분야로는 파우더 베드 표면의 온도 분포 감지와 용융 온도의 정밀 측정이 있으며, 이 두 가지는 레이저가 작동 중인 상태에서도 수행할 수 있는데, 이를 공정 중(in-situ) 측정이라고 합니다. 또한 적외선 열화상 기술은 소결된 영역의 냉각 과정 분석에도 매우 유용합니다. 가열이 충분하지 않거나 불균일할 경우, 규정된 공차를 벗어나는 바람직하지 않은 부품 특성이 발생할 수 있는데, 이러한 문제는 열화상 기반 공정 제어를 통해 효과적으로 완화할 수 있습니다. 더 나아가 적외선 카메라는 레이저 소결 장비 내부의 복사 히터 성능과 균일성을 모니터링하여, 최적의 운전 상태를 유지하고 일관된 결과를 보장하는 데 기여합니다.

방사율(emissivity)은 정확한 온도 측정을 위해 매우 중요한 요소로, 여러 요인에 따라 달라지기 때문에 적용 분야에 맞게 신중하게 보정되어야 합니다. 이론적으로 방사율은 소재의 물성, 표면 상태, 온도, 파장, 측정 각도, 그리고 측정 시 사용되는 구성 조건에 의해 영향을 받습니다. 비금속 표면은 일반적으로 서로 다른 파장 영역에서도 비교적 일정한 방사율을 유지하지만, 이상적인 흑체에 비해 방출되는 복사 에너지가 적어 회색체(gray body)로 분류됩니다. 반면 금속 표면은 온도와 파장에 따라 방사율이 변화하는 특성을 지니며, 이러한 이유로 선택적 방사체(selective radiator)라고 불립니다.

금속의 온도를 정밀하게 측정하기 위해서는 일반적으로 단파장 영역에서의 측정이 권장됩니다. 금속 표면은 온도가 높고 파장이 짧을수록 더 많은 복사 에너지를 방출하며, 방사율 또한 증가합니다. 이러한 단파장 영역에서는 금속의 방사율 특성이 금속 산화물과 보다 유사해지므로, 방사율 변동으로 인한 측정 오차를 줄일 수 있습니다.

다만 이 방법을 적용할 때에는 레이저와 소재 간의 상호작용을 반드시 고려해야 합니다. 키르히호프(Kirchhoff)의 열복사 법칙에 따르면, 소재의 흡수율은 방사율과 동일하기 때문입니다. 레이저는 적외선 카메라에 비해 훨씬 좁은 대역폭으로 작동하지만, 고출력 레이저 광을 차단하고 적외선 센서에 손상을 줄 수 있는 크로스토크(crosstalk)를 방지하기 위해서는 노치 필터(notch filter) 사용이 필수적입니다.

Optris는 레이저 응용 분야에 특화된 적외선 카메라와 파이로미터를 제공합니다. 이러한 적외선 카메라와 파이로미터는 레이저 소결 장비에 원활하게 통합될 수 있어, 사용자가 공정 중 중요한 측정을 실시간으로 수행할 수 있도록 지원합니다.