3D 프린팅
3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?
한 가지 적층 제조 방법은 3D 프린팅입니다. 이는 단순히 재료 블록이나 몰드가 필요 없이 실제 물체를 만들기 위해 재료 층을 쌓고 융합한다는 점에서 "적층적"입니다. 이는 "기존" 기술보다 더 복잡한 형상을 구축할 수 있고, 종종 빠르고, 저렴한 고정 설치 비용이 있으며, 점점 더 다양한 재료와 함께 작동합니다. 엔지니어링 부문은 특히 프로토타입을 제작하고 가벼운 형상을 개발할 때 이를 상당히 활용합니다.
적층 제조 및 3D 프린팅
"3D 프린팅"이라는 용어는 종종 메이커 문화, 아마추어와 애호가, 데스크톱 프린터, FDM과 같은 접근 가능한 프린팅 기술, ABS와 PLA와 같은 저렴한 재료와 연관됩니다. 이는 부분적으로 RepRap 운동에서 나온 저렴한 데스크톱 프린터, 예를 들어 원래의 MakerBot과 Ultimaker가 3D 프린팅의 민주화와 2009년 3D 프린팅 붐에 기여한 데 기인합니다.
3D 프린팅 기술: 혁신적 제조의 미래
3D인쇄역사
3D 프린팅 컨셉 제품은 1970년대에 시작되었습니다. 1981년, 레이어 바이 레이어 프린팅 제조 방법을 처음으로 설명한 일본 과학자 고다마 박사는 3D 프린팅을 시도했고, 자외선으로 중합된 감광성 수지인 SLA(stereolithography) 3D 프린팅 기술을 직접 만들었습니다.
몇 년 후, 미국의 과학자 찰스 헐(Charles Hull)도 SLA 기술에 대한 심도 있는 연구를 수행했고, 1986년에 SLA에 대한 첫 번째 특허를 제출했습니다. 3D Systems를 설립하고 1988년에 첫 번째 상용 제품인 SLA-1을 출시했습니다. (아래 사진)
SLA는 가장 먼저 개발된 3D 프린팅 기술이라고 할 수 있는데, 그 후 SLS(Selective Laser Sintering)와 FDM(Fused Deposition Modeling)이 등장하게 된 것은 언제부터일까.
1988년, 미국의 칼 데커드는 텍사스 대학에서 SLS 기술에 대한 특허를 받았는데, 이는 레이저가 분말 입자를 국부적으로 융합하여 인쇄하는 또 다른 3D 프린팅 기술입니다. 같은 해, Stratasys의 창립자 중 한 명인 스콧 크럼프는 FDM(Fused Deposition Modeling)에 대한 특허를 신청했습니다. 1980년부터 1990년까지 3D 프린팅의 세 가지 주요 기술이 모두 특허를 받았으며, 이는 이 산업에서 급속한 발전의 시작을 알렸습니다.
유럽에서 EOS GmbH는 3D 프린팅을 위한 디자인 시스템인 "스테레오" 시스템을 만들었습니다. 오늘날 산업 분야에서 3D 프린팅된 모델은 플라스틱과 금속을 위한 SLS 3D 프린팅 기술(선택적 레이저 소결)에 전 세계적으로 사용됩니다.
1992년, Stratasys가 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린팅 기술 특허를 승인하면서, 다양한 전문가와 개인의 요구에 부응하는 3D 프린터가 개발되었습니다.
1993년부터 1999년까지 3D 프린팅 산업에서 다양한 기술이 등장했습니다. 동시에 점점 더 많은 새로운 CAD 소프트웨어와 3D 모델링 소프트웨어가 개발되었는데, 예를 들어, 최초로 만들어진 참여자 중 하나인 Sanders Prototype(현재는 Solidscape라고 함)이 있습니다.
3D 프린팅 다분야 응용 프로그램
2008년에 최초의 3D 프린팅 보철물이 출시되어 미디어에서 3D 프린팅의 점유율이 더욱 증가했습니다. 사람들은 3D 프린팅이 전통적인 부품을 프린팅할 수 있을 뿐만 아니라 인체 수리에도 적용될 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이 놀라운 의료용 3D 프린팅 프로젝트는 생물학적 사지의 모든 부분을 결합하며 후속 조립 없이 "있는 그대로" 프린팅할 수 있습니다. 오늘날 3D 스캐닝과 결합하여 3D 프린팅 의료용 보철물과 보조장치는 환자의 요구를 충족시키기 위해 점점 더 저렴하고 빠르게 제작되고 있습니다. 게다가 이러한 보철물은 점점 더 최적화되고 환자의 형태에 맞게 조정되고 있습니다. 3D 프린팅은 대량 개인화를 위한 새로운 기회를 제공합니다. (사진 추가)
2009년은 FDM 특허가 대량 소비 분야에 진입한 해로, FDM 3D 프린터의 광범위한 혁신을 위한 새로운 길을 열었습니다. 데스크톱 3D 프린터의 가격이 떨어지면서 점점 더 많은 사람들이 3D 프린팅 산업의 발전에 주의를 기울일 수 있었습니다.
2013년 버락 오바마 미국 대통령은 연방의회 연설에서 3D 프린팅을 미래의 주요 생산 방식으로 언급하면서 "3D 프린팅"이 절대적인 유행어가 되었습니다. 이제 대중의 마음속에서 3D 프린팅의 자리는 매우 두드러집니다. 점점 더 많은 중소기업이 3D 프린팅이 제공하는 저렴한 프로토타입을 활용하여 반복, 혁신 및 생산 프로세스에 완전히 통합하고 있습니다.
3D 프린팅 컨셉트 카
건설 응용 프로그램과 관련하여 3D 프린팅 주택은 이제 현실이 되었습니다. 사람들은 2018년에 처음으로 3D 프린팅 주택으로 이사했습니다. 주택의 면적은 1022제곱피트로 매우 살기 좋습니다. 인쇄하는 데 총 이틀이 걸렸습니다.
제조와 3D 프린팅의 유사점과 차이점에 대한 3D 프린팅 분류 시스템
예를 들어 속이 비어 있는 공을 살펴보자. 표면에는 12개 이상의 꽃이 있다. 전통적인 기계 가공으로 가공하면 매우 번거롭고 패턴을 하나하나 수정해야 한다. 그리고 3D 프린팅을 선택하면 재료 낭비가 없으므로 적층 제조라는 이름도 있는데, 이는 재료를 점진적으로 축적하는 방법을 사용하여 물리적 부품을 제조한다는 것을 의미한다. 전통적인 방법은 먼저 배아를 만든 다음 여분의 재료를 제거하고 나머지 재료가 필요한 모양이다. 문제가 발견되면 금형을 열어 수정해야 하지만 3D 프린팅은 조금씩 재료를 축적하는 반면, 완성된 제품을 빠르게 볼 수 있다.
3D 프린팅 기술 실현
3D 프린팅 기술은 산업 생산에 적용됩니다. 3D 프린팅에 필요한 것은 물리적인 대상이 아니라 디지털 모델입니다. 눈앞에 있는 실제 대상을 3D 프린팅하려면 컴퓨터를 사용하여 모델링하거나 3D 스캐너를 사용하여 실제 대상, 즉 3D 모델을 디지털화해야 하며, 15분 만에 물건을 인쇄할 수 있습니다. 현재 3D 프린팅 기술은 FDM, DLP/SLA, SLS의 네 가지 주요 범주로 나뉩니다.
SLS--레이저소결성형공정
SLS는 레이저 조사의 고온 조건에서 녹는 비교적 하이테크 파우더입니다. 작업대에 얇은 파우더 층을 펴고 레이저 빔으로 층의 단면을 스캔하여 온도를 녹는점까지 올려 소결 및 결합을 실현하고, 모델이 형성될 때까지 파우더를 펴고, 소결하고, 분쇄하고, 건조하는 것을 반복합니다. 사실, 3D 프린팅은 2D 프린팅을 계속해서 반복하는 것입니다. 물체를 매우 얇게 자르면 각 조각에 모양이 있음을 알 수 있습니다. 모든 모양을 합치면 3차원 구조의 물체가 됩니다. 그래서 우리는 레이저를 사용하여 그래픽을 그립니다. SLS 성형 부품의 환경(온도, 습도 및 화학적 부식)에 대한 저항성은 열가소성 재료와 유사하지만 SLA 성형 부품의 저항성은 비교적 낮습니다. 예를 들어 에폭시 수지로 성형한 SLA 작업물은 습기와 화학 물질에 취약합니다. 부식, 38°C 이상의 환경에서는 연화되고 변형되지만 성형 정확도는 높습니다.
SLA--광학 성형 공정
SLA는 현재 중국에서 비교적 발전된 광경화 기술입니다. "입체석판 인쇄"는 레이저 빔이 액체 수지 표면에 물체의 첫 번째 층 모양을 윤곽을 그린 다음 생산 플랫폼을 일정 거리(0.05-0.025mm)만큼 낮추고 응고된 층을 액체 수지에 담그는 방식입니다. 사용된 수지는 감광성 수지이며 레이저 빔에 의해 조사된 후 고체 상태를 형성하며 성형 모델이 빠르고 정확합니다.
DLP--광경조형공정
DLP 디지털 광 처리, 레이저 성형 기술로 알려져 있습니다. DLP 3D 인쇄 기술은 SLA 3D 인쇄 기술과 많은 유사점이 있습니다. 생산을 연필로 원을 그리는 것에 비유한다면 SLA 기술은 한 겹 한 겹 그리는 것과 같고 DLP는 직접 스탬핑하는 것과 같습니다. 우리가 추구하는 대량 생산에는 두 가지 매우 중요한 점이 있습니다. 하나는 효율성이고 다른 하나는 재료 비용입니다. 전통적인 제조보다 수백 배 더 빠르게 인쇄할 수 있는 3D 프린터가 있습니다. 즉, 선전의 한 회사인 Light Prism Technology가 개발한 대면 기술입니다. 기존 FDM 3D 인쇄로 중공 공을 인쇄하는 데 2~5시간이 걸리고 가장 빠른 경우 한 시간이 걸리지만 최신 대면 기술로 인쇄하는 데는 약 10분 밖에 걸리지 않습니다. 인쇄 속도가 놀랍습니다. 이 3D 인쇄가 시장에 출시되면 전통 공예에 미치는 영향은 여전히 큽니다.
FDM--융합 증착 성형 공정
DLP 및 SLS 기술과 비교했을 때 FDM 기술은 비교적 간단하여 대중의 관심이 많고 가정에 들어가기가 쉽습니다. 프로토타입은 열가소성 재료를 압출하여 반용융 필라멘트로 만들고 이를 층별로 증착하여 3D CAD 데이터에서 직접 제작합니다. FDM 기술의 장점은 간단한 기계적 구조, 쉬운 설계, 낮은 제조 비용, 유지 관리 비용 및 재료 비용, 환경 오염 없음입니다. 따라서 FDM은 가정용 데스크톱 3D 프린터에서도 가장 널리 사용되는 기술입니다. 레이저를 사용하지 않고 비용이 저렴한 비교적 전통적인 인쇄 방법이지만 정확도가 높지 않고 인쇄 속도가 매우 느립니다. 이것은 모든 사람에게 가장 접근하기 쉬운 방법이며 일반적으로 교육 시장에서 사용됩니다.
3D 프린팅이 제조 및 전통 장인 기술에 미치는 영향
3D 프린팅의 장점
(1) 커스터마이징
치과를 예로 들면, 모든 사람의 치아는 다르지만 3D 프린팅은 맞춤형 생산과 대량 생산의 모순을 해결할 수 있고, 맞춤형 임플란트, 교정기 등을 대량 생산할 수 있습니다.
(2) 샘플 실시간
3D 프린팅의 빠른 속도 덕분에 디자이너는 오전에 제품 버전을 디자인하고 리더는 정오에 완성품을 보고 오후 6시에 또 다른 버전을 디자인하고 다음날 아침에 완성품을 볼 수 있어 신제품 개발 속도가 크게 빨라집니다. 특별히 복잡하지 않다면 3D 프린팅은 3시간 만에 완제품을 생산할 수 있는 반면, 전통적인 교정은 매번 4~6주가 걸리므로 산업 디자인의 전반적인 속도도 향상됩니다.
(3) 오염 없음
생산되는 원자재는 모두 환경 친화적이므로 전체 생산 공정은 무공해 생산입니다. 폐가스 및 폐수의 오염이 없으며 남은 재료의 낭비가 없습니다.
(4) 데이터화
디지털 치과가 성숙해지면 의사의 기술적 요구 사항이 크게 줄어들 것입니다. 환자는 병원에서 2분 동안 스캔하기 위해 기구만 사용하면 되고, 모든 치과 문제의 원인과 해결책을 알 수 있습니다.
또한 3D 프린팅은 치열 교정에도 사용할 수 있으며, 개인화되고 맞춤형 투명 교정기를 인쇄할 수 있습니다. 성형 수술 시 치아를 왼쪽으로 이동해야 할까요, 아니면 앞으로 이동해야 할까요? 몇 밀리미터를 이동해야 할까요? 과거에는 치과 수술이 의사의 개인적인 경험에만 의존했지만, 디지털 치과는 수술의 안정성을 높이고 의사의 기술적 한계를 낮추었습니다.
(5) 빠르다
기존의 산업 공정과 비교했을 때, 3D 프린팅은 인력과 운송과 같은 사전 준비가 필요하지 않습니다. 기계와 원자재만 필요하며, 빠르게 생산에 투입할 수 있습니다.
(6) 자동화
가상의 상상과 실제 사이에는 3D 프린터가 하나뿐이라고 할 수 있습니다. 3D 프린팅의 원키 생산은 많은 노동 비용과 인적 오류를 절약합니다.