3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?

적층 제조 방식 중 하나는 3D 프린팅입니다. 3D 프린팅은 재료 블록이나 몰드 없이 재료를 단순히 쌓아 올리고 융합하여 실제 물체를 만드는 "적층적" 방식입니다. "기존" 기술보다 더 복잡한 형상을 제작할 수 있고, 제작 속도가 빠르며, 고정 설치 비용이 저렴하고, 점점 더 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 엔지니어링 분야에서는 특히 시제품 제작 및 경량 형상 개발 시 3D 프린팅을 적극적으로 활용하고 있습니다.

적층 제조 및 3D 프린팅

"3D 프린팅"이라는 용어는 메이커 문화, 아마추어와 마니아, 데스크톱 프린터, FDM과 같은 접근 가능한 프린팅 기술, 그리고 ABS와 PLA와 같은 저렴한 소재와 자주 연관됩니다. 이는 RepRap 운동에서 등장한 저렴한 데스크톱 프린터, 즉 초기 MakerBot과 Ultimaker가 3D 프린팅의 대중화와 2009년 3D 프린팅 붐에 기여한 데 기인합니다.

3D 프린팅 기술: 혁신적인 제조의 미래

3D 인쇄 역사

3D 프린팅 콘셉트 제품은 1970년대에 시작되었습니다. 1981년, 적층 프린팅 제조 방식을 최초로 기술한 일본 과학자 고다마 박사는 3D 프린팅을 시도했고, 자외선으로 감광성 수지를 중합하는 SLA(광경화성 수지) 3D 프린팅 기술을 직접 개발했습니다.

몇 년 후, 미국의 과학자 찰스 헐(Charles Hull) 역시 SLA 기술에 대한 심도 있는 연구를 진행하여 1986년 SLA에 대한 최초의 특허를 출원했습니다. 그는 3D Systems를 설립하고 1988년 첫 상용 제품인 SLA-1을 출시했습니다. (아래 사진)

SLA는 가장 먼저 개발된 3D 프린팅 기술이라고 할 수 있는데, SLS(Selective Laser Sintering)와 FDM(Fused Deposition Modeling)은 언제쯤 개발되었을까?

1988년, 미국인 칼 데커드는 텍사스 대학교에서 SLS 기술에 대한 특허를 취득했습니다. SLS는 레이저로 분말 입자를 국부적으로 융합하여 인쇄하는 또 다른 3D 프린팅 기술입니다. 같은 해, 스트라타시스의 창립자 중 한 명인 스콧 크럼프는 FDM(용융 적층 모델링)에 대한 특허를 출원했습니다. 1980년부터 1990년까지 3D 프린팅의 세 가지 주요 기술이 모두 특허를 받으면서 이 산업의 급속한 발전이 시작되었습니다.

유럽에서 EOS GmbH는 3D 프린팅을 위한 디자인 시스템인 "스테레오(Stereos)" 시스템을 개발했습니다. 오늘날 EOS GmbH의 3D 프린팅 모델은 산업 분야에서 플라스틱 및 금속에 사용되는 SLS(선택적 레이저 소결) 3D 프린팅 기술에 전 세계적으로 사용되고 있습니다.

1992년, Stratasys는 다양한 전문가와 개인의 요구에 부응하는 3D 프린터를 개발하여 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린팅 기술 특허를 승인받았습니다.

1993년부터 1999년까지 3D 프린팅 산업에는 다양한 기술이 등장했습니다. 동시에 점점 더 많은 새로운 CAD 소프트웨어와 3D 모델링 소프트웨어가 개발되었는데, 예를 들어 샌더스 프로토타입(현재 솔리드스케이프)은 이러한 소프트웨어 개발의 초기 참여 기업 중 하나였습니다.

3D 프린팅 다분야 응용 분야

2008년, 최초의 3D 프린팅 의수가 출시되면서 언론에서 3D 프린팅의 비중이 더욱 커졌습니다. 사람들은 3D 프린팅이 전통적인 부품뿐만 아니라 인체 수리에도 적용될 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이 놀라운 의료용 3D 프린팅 프로젝트는 생물학적 팔다리의 모든 부분을 결합하여 후속 조립 없이 "있는 그대로" 프린팅할 수 있습니다. 오늘날 3D 스캐닝과 결합된 3D 프린팅 의료용 의수와 보조기는 환자의 요구를 충족하기 위해 점점 더 저렴하고 빠르게 제작되고 있습니다. 더욱이, 이러한 의수는 환자의 형태에 맞춰 점점 더 최적화되고 조정되고 있습니다. 3D 프린팅은 대량 개인화(Mass Personalization)를 위한 새로운 기회를 제공합니다. (사진 추가)

2009년은 FDM 특허가 대량 생산 분야에 진입하면서 FDM 3D 프린터의 광범위한 혁신을 위한 새로운 길을 연 해였습니다. 데스크톱 3D 프린터의 가격이 하락하면서 점점 더 많은 사람들이 3D 프린팅 산업의 발전에 관심을 갖게 되었습니다.

2013년 버락 오바마 미국 대통령은 연두교서에서 3D 프린팅을 미래의 주요 생산 방식으로 언급하며 "3D 프린팅"을 절대적인 유행어로 만들었습니다. 이제 대중의 머릿속에 3D 프린팅이 차지하는 위치는 매우 두드러집니다. 점점 더 많은 중소기업들이 3D 프린팅이 제공하는 저렴한 시제품 제작의 이점을 활용하여 반복, 혁신 및 생산 프로세스에 완벽하게 통합하고 있습니다.

3D 프린팅 컨셉트카

건축 분야에서 3D 프린팅 주택은 이제 현실이 되었습니다. 2018년에 처음으로 사람들이 3D 프린팅 주택으로 이사했습니다. 이 주택은 1022제곱피트(약 96.6m²)로 매우 살기 좋은 면적을 자랑합니다. 3D 프린팅에는 총 이틀이 걸렸습니다.

제조업과 3D 프린팅의 유사점과 차이점에 따른 3D 프린팅 분류 체계

속이 빈 공을 예로 들어 보겠습니다. 표면에는 12개가 넘는 꽃이 있습니다. 전통적인 기계 가공 방식으로 가공하면 매우 번거롭고, 패턴을 하나하나 수정해야 합니다. 3D 프린팅을 선택하면 재료 낭비가 없기 때문에 적층 제조라는 용어도 있습니다. 이는 재료를 점진적으로 축적하여 물리적 부품을 제작하는 방식을 의미합니다. 전통적인 방식은 먼저 배아를 만든 후 여분의 재료를 제거하고 남은 재료로 원하는 모양을 만듭니다. 문제가 발견되면 금형을 열고 수정해야 하지만, 3D 프린팅은 재료를 조금씩 축적하여 완성품을 빠르게 확인할 수 있습니다.

3D 프린팅 기술 실현

3D 프린팅 기술은 산업 생산에 적용됩니다. 3D 프린팅에 필요한 것은 실제 물체가 아니라 디지털 모델입니다. 눈앞에 있는 실제 물체를 3D 프린팅하려면 컴퓨터를 사용하여 모델링하거나 3D 스캐너를 사용하여 실제 물체, 즉 3D 모델을 디지털화해야 하며, 15분 이내에 출력할 수 있습니다. 현재 3D 프린팅 기술은 FDM, DLP/SLA, SLS의 네 가지 주요 범주로 나뉩니다.

SLS--레이저 소결 성형 공정

SLS는 고온 레이저 조사 조건에서 녹는 비교적 첨단 기술의 파우더입니다. 작업대에 얇은 파우더 층을 펴고 레이저 빔으로 층의 단면을 스캔하여 온도를 녹는점까지 올려 소결 및 접합을 구현합니다. 파우더 도포, 소결, 분쇄, 건조를 반복하여 모델이 형성됩니다. 사실 3D 프린팅은 2D 프린팅을 반복하는 것입니다. 물체를 매우 얇게 자르면 각 조각이 고유한 모양을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 모든 모양을 합치면 3차원 구조의 물체가 됩니다. 따라서 레이저를 사용하여 그래픽을 그립니다. SLS 성형 부품의 환경(온도, 습도 및 화학적 부식)에 대한 저항성은 열가소성 재료와 유사합니다. 반면 SLA 성형 부품의 저항성은 상대적으로 낮습니다. 예를 들어 에폭시 수지로 성형된 SLA 가공물은 습기와 화학 물질에 취약합니다. 부식성이 있으며, 38°C 이상의 환경에서는 연화되고 변형되지만 성형 정확도는 높습니다.

SLA - 광조형 성형 공정

SLA는 현재 중국에서 비교적 발전된 광경화 기술입니다. "광경화(Stereolithography)"는 레이저 빔을 액상 수지 표면에 조사하여 대상물의 첫 번째 층 형상을 형성한 후, 제작 플랫폼을 일정 거리(0.05~0.025mm)만큼 낮춘 후, 굳은 층을 액상 수지에 담그는 방식입니다. 사용되는 수지는 감광성 수지로, 레이저 빔을 조사하면 고체 상태가 되며, 조형물이 빠르고 정밀하게 제작됩니다.

DLP--광경조형 공정

DLP 디지털 광 처리, 레이저 성형 기술로 알려져 있습니다.DLP 3D 프린팅 기술은 SLA 3D 프린팅 기술과 많은 유사점을 가지고 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 빠르게 인쇄할 수 있는 3D 프린터가 있습니다.즉, 선전의 한 회사인 Light Prism Technology가 개발한 대면 기술입니다.기존 FDM 3D 프린팅으로 속이 빈 공을 인쇄하는 데 2~5시간이 걸리고, 가장 빠른 경우에도 1시간이 걸리지만 최신 대면 기술로 인쇄하는 데 약 10분밖에 걸리지 않습니다.인쇄 속도가 놀랍습니다.이 3D 프린팅이 시장에 출시되면 전통 공예에 미치는 영향은 여전히 ​​​​크다.

FDM - 용융 증착 성형 공정

DLP 및 SLS 기술에 비해 FDM 기술은 비교적 간단하여 폭넓은 사용자층을 확보하고 있으며, 가족 구성원으로의 진입도 용이합니다. 3D CAD 데이터로부터 열가소성 소재를 압출하여 반용융 필라멘트 형태로 적층하여 프로토타입을 제작합니다. FDM 기술의 장점은 기계적 구조가 간단하고, 설계가 용이하며, 제조 비용, 유지 보수 비용, 재료비가 저렴하고, 환경 오염이 없다는 것입니다. 따라서 FDM은 가정용 데스크톱 3D 프린터에서도 가장 널리 사용되는 기술입니다. 레이저를 사용하지 않고 비용이 저렴한 비교적 전통적인 인쇄 방식이지만, 정확도가 낮고 인쇄 속도가 매우 느립니다. 누구나 쉽게 접근할 수 있는 가장 접근성이 높은 방식이며, 교육 시장에서 주로 사용됩니다.

3D 프린팅이 제조 및 전통 공예에 미치는 영향

3D 프린팅의 장점

(1) 사용자 정의

치과를 예로 들면, 모든 사람의 치아는 다르지만 3D 프린팅은 맞춤 생산과 대량 생산 간의 모순을 해결할 수 있으며, 맞춤형 임플란트, 교정기 등을 대량 생산할 수 있습니다.

(2) 샘플 실시간

3D 프린팅의 빠른 속도 덕분에 디자이너는 오전에 제품 버전을 디자인하고, 리더는 정오에 완성된 제품을 확인할 수 있으며, 오후 6시에 또 다른 버전을 디자인하고 다음 날 아침에 완성된 제품을 확인할 수 있습니다. 이는 신제품 개발 속도를 크게 향상시킵니다. 특별히 복잡하지 않은 경우, 3D 프린팅은 완제품을 3시간 만에 생산할 수 있는 반면, 기존 교정은 매번 4~6주가 소요됩니다. 따라서 산업 디자인의 전반적인 속도 또한 향상됩니다.

(3) 오염 없음

 생산되는 모든 원자재가 친환경적이기 때문에 전체 생산 과정이 무공해 생산입니다. 배기가스 및 폐수 오염이 없고, 잔여 자재의 낭비도 없습니다.

(4) 데이터화

디지털 덴티스트리가 발전하면 의사의 기술적 요구 사항이 크게 줄어들 것입니다. 환자는 병원에서 2분만 스캔하면 모든 치과 문제의 원인과 해결책을 알 수 있습니다.

3D 프린팅은 치아 교정에도 활용될 수 있으며, 개인 맞춤형 투명 교정기를 제작할 수 있습니다. 성형 수술 시 치아를 왼쪽으로 이동해야 할까요, 아니면 앞쪽으로 이동해야 할까요? 몇 밀리미터를 이동해야 할까요? 과거에는 치과 수술이 의사의 개인적인 경험에만 의존했지만, 디지털 덴티스트리는 수술의 안정성을 높이고 의사의 기술적 한계를 낮추었습니다.

(5) 빠름

 기존 산업 공정과 달리 3D 프린팅은 인력이나 운송과 같은 사전 준비가 필요하지 않습니다. 기계와 원자재만 있으면 되므로 신속하게 생산에 투입할 수 있습니다.

(6) 자동화

 가상의 상상과 실제 현실 사이에는 단 하나의 3D 프린터만 있다고 할 수 있습니다. 3D 프린팅의 단일 키 생산 방식은 인건비와 인적 오류를 크게 줄여줍니다.