3D 프린팅 원리 소개

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3D 프린팅적층 제조라고도 하는 3D 프린팅은 디지털 파일에서 3차원 입체 물체를 만드는 프로세스입니다. 3D 프린팅 물체의 생성은 적층 공정을 사용하여 이루어집니다. 적층 공정에서는 물체가 만들어질 때까지 연속적인 재료 층을 쌓아 올려 물체를 만듭니다. 이러한 각 레이어는 최종 물체의 수평 단면을 얇게 슬라이스한 것으로 볼 수 있습니다.

3D 프린팅은 밀링 머신 등으로 금속이나 플라스틱 조각을 잘라내거나 속을 파내는 감산식 제조와 반대되는 개념입니다.

3D 프린팅을 사용하면 기존 제조 방식보다 적은 재료로 복잡한(기능적인) 형상을 제작할 수 있습니다.

3D 프린팅 작동 방식

3D 프린팅 프로세스의 기본 3단계는 다음과 같습니다:

만들고자 하는 오브젝트를 디자인하고 디지털 모델링하기
3D 프린터 준비 및 설정하기
레이어별로 개체 인쇄

3D 모델 디자인

3D 프린팅의 첫 번째 단계는 만들고자 하는 물체의 가상 디자인을 만드는 것입니다. 3D 모델링 소프트웨어를 사용하면 이 디자인을 만들 수 있습니다.

인기 있는 3D 모델링 소프트웨어에는 다음이 포함됩니다:

블렌더
AutoCAD
SketchUp
Fusion 360
팅커캐드
3ds Max
Maya

3D 스캐너는 기존 물체를 스캔하여 디지털 모델을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 이렇게 얻은 스캔 데이터는 3D 모델로 변환됩니다.

CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어는 기계 부품과 도구를 모델링하는 데 자주 사용됩니다. 디자인은 2D 스케치를 3D 개체로 압출 또는 회전하여 구성합니다.

디지털 모델이 완성되면 3D 프린터 소프트웨어가 모델을 수백 또는 수천 개의 수평 레이어로 분할합니다.

슬라이스된 파일은 프린트 헤드가 오브젝트를 레이어별로 다시 생성하기 위해 따라야 하는 경로를 보여줍니다. 이 파일에는 인필 패턴 및 재료 밀도에 대한 정보도 포함되어 있습니다.

슬라이싱 소프트웨어는 인쇄 레이어를 만들 때 레이어 높이, 채우기 비율 및 인쇄 속도와 같은 매개 변수를 고려합니다.

인기 있는 슬라이싱 소프트웨어에는 다음이 포함됩니다:

힐링
Slic3r
Simplify3D
KISSlicer

3D 프린터 준비

3D 프린터를 준비하려면 제작 단계의 수평을 맞추고 올바른 프린팅 재료를 로드해야 합니다.

필라멘트 프린터의 경우 필라멘트 가이드 튜브가 압출기에 끼워져 있습니다.
파우더 베드 프린터의 경우 파우더 저장소가 채워집니다.
광조형 프린터의 경우 레진 탱크는 액체 레진으로 채워져 있습니다.

인쇄할 재료에 따라 올바른 프린트 베드 표면을 설치하고 준비해야 합니다. 예를 들어 페인터 테이프, PEI 시트, 접착제 등이 있습니다.

3D 프린터가 올바른 재료로 설정되면 슬라이스된 파일이 프린터로 전송됩니다. 이 작업은 USB 스틱, Wi-Fi 또는 유선 연결을 통해 수행할 수 있습니다.

마지막 준비 단계는 프린터 소프트웨어에서 다음과 같은 설정을 조정하는 것입니다:

인쇄 해상도
인쇄 속도
지원
냉각 팬 속도
침대 온도
압출기 온도
기타 다양한 사용자 지정 설정

인쇄가 시작되면 첫 번째 레이어가 빌드 플랫폼에 인쇄됩니다. 그런 다음 나머지 오브젝트는 완료될 때까지 레이어별로 빌드됩니다.

레이어가 형성되는 방법

3D 프린팅에서 레이어를 형성하여 물체를 구성하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 주요 3D 프린팅 기술은 아래에 간략하게 설명되어 있습니다.

재료 압출

재료 압출은 FDM(용융 증착 모델링)이라고도 하며 가장 일반적인 소비자 3D 프린팅 기술입니다. 저렴한 가정용 3D 프린터에서 사용됩니다.

FDM에서는 PLA, PETG 또는 ABS와 같은 열가소성 필라멘트를 코일에서 풀어서 압출 노즐 헤드에 공급합니다. 노즐은 정밀하게 제어되는 모터를 사용하여 수평 및 수직 방향으로 모두 움직일 수 있습니다.

노즐은 필라멘트를 녹는점 이상으로 가열하여 빌드 플랫폼(또는 가장 최근에 프린트한 레이어)으로 압출하여 경화시킵니다. 오브젝트는 레이어별로 구축되며, 각 레이어가 굳어져 아래 레이어에 부착됩니다.

오버행 및 브리징 중에 서포트 구조가 구축됩니다. 인쇄가 완료되면 서포트 구조를 제거할 수 있습니다.

FDM의 가장 인기 있는 응용 분야는 프로토타이핑입니다.

부가가치세 중합

VAT 중합에서 가장 일반적인 기술은 광조형(SLA)입니다.

SLA는 UV 레이저로 경화된 액체 포토폴리머 수지로 채워진 용기를 사용합니다.

빌드 플랫폼은 레진 탱크의 표면 바로 아래에 위치합니다. 레이저 빔이 액체 레진의 첫 번째 레이어 패턴을 추적하여 고형화합니다.

그런 다음 플랫폼이 약간 올라가고 레이저가 이전 레이어 바로 위에 있는 다음 레이어를 추적합니다. 이 과정은 전체 물체가 만들어질 때까지 계속됩니다.

과도한 유체 레진은 지속적으로 배출됩니다. 인쇄 후 물체를 솔벤트로 헹구어 여분의 수지를 제거해야 합니다.

인쇄 중에는 지지대가 필요하지만 수지의 특성으로 인해 인쇄 후에는 비교적 쉽게 분리할 수 있습니다.

수지의 셀프 레벨링 특성과 결합된 매끄러운 프린팅 레이어 라인은 이 공정을 통해 뛰어난 표면 품질로 매우 정확한 부품을 제작할 수 있습니다.

SLA는 어셈블리, 프로토타입 및 최종 사용 부품에 자주 사용됩니다.

파우더 베드 융합

파우더 베드 융합은 파우더 베드의 영역을 선택적으로 융합하는 방식으로 작동합니다. 가장 일반적인 기술은 다음과 같습니다:

선택적 레이저 소결(SLS): 고출력 레이저를 사용하여 작은 폴리머 파우더 입자를 융합합니다. 파우더는 롤러 또는 블레이드를 사용하여 빌드 플랫폼 전체에 고르게 퍼집니다. 레이저는 물체의 단면에서 파우더 입자를 선택적으로 소결합니다. 한 레이어가 완성되면 플랫폼이 낮아지고 더 많은 파우더가 베드 전체에 퍼지며 파트가 완성될 때까지 이 과정이 반복됩니다. 여분의 파우더는 프린팅 중에 물체를 지지하므로 다른 지지 구조가 필요하지 않습니다.

선택적 레이저 용융(SLM): SLM은 SLS와 유사하지만 플라스틱 대신 금속 분말을 사용합니다. 고출력 레이저가 금속 분말을 소결하지 않고 녹입니다. 티타늄 합금, 공구강, 스테인리스강 및 알루미늄이 SLM에 자주 사용됩니다.

전자 빔 용융(EBM): 레이저 대신 전자 빔을 사용하여 금속 분말 층을 선택적으로 용융합니다. 제작 속도는 빠르지만 공정에 진공이 필요하기 때문에 EBM은 비용이 많이 듭니다. 일반적으로 의료용 임플란트 및 항공우주 부품에 사용됩니다.

재료 분사

재료 분사는 흔히 폴리젯 프린팅이라고도 하며 2D 잉크젯 종이 프린터와 유사하게 작동합니다. 하지만 종이에 잉크 방울을 분사하는 대신 UV 경화성 광폴리머 수지를 빌드 플랫폼에 분사합니다.

레이어는 프린트 헤드가 통과할 때마다 자외선으로 경화됩니다. 빌드 프로세스가 끝나면 경화되지 않은 레진은 제거되고 견고한 3D 오브젝트만 남습니다.

지지 구조는 필요할 때마다 제거 가능한 젤과 같은 재질로 인쇄할 수도 있습니다.

재료 분사를 사용하면 여러 개의 프린트 헤드를 사용하여 여러 재료를 인쇄할 수 있습니다. 일부 재료는 고무처럼 투명하거나 고온에 강합니다.

정확도가 뛰어나고 레이어 라인이 잘 보이지 않습니다. 이 프로세스를 통해 매우 세밀한 오브젝트를 만들 수 있습니다. 머티리얼 제트는 주로 신속한 프로토타입 제작에 사용됩니다.

바인더 제팅

바인더 분사에는 두 가지 재료가 사용됩니다:

사암, 세라믹, 스테인리스 스틸 또는 코발트 크롬과 같은 분말 기반 소재입니다.
액체 결합제인 바인더입니다.

바인더를 파우더 베드에 선택적으로 떨어뜨려 파우더 입자를 서로 결합합니다. 빌드 플랫폼이 낮아지고 롤러를 사용하여 파우더가 베드 전체에 퍼지고 이 과정이 반복됩니다.

인쇄가 완료되면 결합되지 않은 여분의 파우더는 제거되고 결합된 물체만 남게 됩니다. 마지막 단계로 소결을 수행하여 파트 밀도, 강도 및 부드러움을 높일 수 있습니다.

이 프로세스를 사용하면 빠른 인쇄 속도와 대형 물체를 인쇄할 수 있습니다. 바인더 젯팅은 모래 주조, 금속 주조 및 세라믹에 적용할 수 있습니다. 풀 컬러 인쇄에도 사용됩니다.

시트 라미네이션

적층 물체 제조(LOM)에서는 여러 장의 재료를 접착하여 물체를 형성합니다. 가장 일반적인 재료는 종이입니다.

레이저가 각 종이를 특정 레이어에 필요한 모양으로 자릅니다.

그런 다음 잘라낸 종이를 열과 압력을 사용하여 이전 레이어에 라미네이트합니다. 레이저는 접착력을 높이기 위해 적층된 레이어에 교차 해치 패턴을 절단합니다.

물체가 완성되면 여분의 재료는 잘라냅니다. LOM은 저렴한 프로토타입과 맞춤형 종이 제품을 생산합니다.

직접 에너지 증착

직접 금속 증착 방식은 금속이 증착되는 동안 금속을 융합합니다. 노즐이 금속 분말 또는 와이어를 압출하고 압출 지점에서 고에너지 레이저 또는 전자 빔과 만나게 됩니다.

열원이 재료를 녹여 베이스 플레이트 또는 기존 부품에 용융 금속 구슬을 증착합니다.

노즐과 열원을 X, Y, Z 축으로 이동하여 필요한 곳에 정확하게 재료를 증착할 수 있습니다. 여분의 재료는 인쇄하는 동안 지지대 역할을 합니다.

DED 방식을 사용하면 기존 금속 부품의 수리 및 수정이 가능합니다. 또한 적층과 감산 기술을 결합하여 하이브리드 제조가 가능합니다.

3D 프린팅에 사용되는 재료

3D 프린팅에는 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 사용 가능한 재료는 인쇄 프로세스에 따라 다릅니다.

플라스틱

3D 프린팅에 가장 많이 사용되는 플라스틱은 다음과 같습니다:

ABS: 내구성이 뛰어나고 충격에 강한 플라스틱. 기능성 프로토타입 및 최종 사용 제품에 사용됩니다.
PLA: 옥수수 전분으로 만든 PLA는 생분해성입니다. 시제품 제작 및 취미용 인쇄에 사용됩니다.
PETG: PLA보다 더 강한 PETG는 더 높은 강도가 필요한 툴링 및 제품을 만드는 데 자주 사용됩니다.
나일론: 엔지니어링 등급 나일론 필라멘트는 강도, 인성 및 내마모성이 높습니다. 최종 사용 부품에 자주 사용됩니다.
폴리카보네이트: 최대 110oC의 내열성으로 매우 강합니다. 내구성이 뛰어난 완제품에 사용됩니다.
포토폴리머 수지: SLA, PolyJet 및 이와 유사한 통 공정에 사용됩니다. 수지는 뛰어난 정확도와 표면 마감을 제공합니다.

기타 특수 플라스틱으로는 전도성 PLA 및 ABS, PVA 지지대, 고온 열가소성 플라스틱(PEEK, PEI, PEKK), 연질 수지(TPU), 복합 재료 등이 있습니다.

금속

3D 프린팅에 널리 사용되는 다양한 금속이 있습니다:

알루미늄: 가볍지만 튼튼합니다. 항공우주 분야에 사용됩니다.
스테인리스 스틸: 고강도 및 멸균성이 요구되는 제품에 적합한 내식성 금속.
티타늄: 낮은 밀도로 매우 강합니다. 의료용 임플란트 및 항공우주 부품에 사용됩니다.
코발트-크롬: 치과용 임플란트 및 정형외과용 임플란트에 자주 사용되는 생체 적합성 금속.
니켈 초합금: 터빈 및 항공기 엔진용 부품에 사용되는 내열 합금.
귀금속: 금, 은, 백금 주얼리를 3D 프린팅할 수 있습니다.

기타 자료

3D로 인쇄되는 다른 다양한 재료에는 다음이 포함됩니다:

사암: 주조 및 건축용 바인더 제팅으로 인쇄.
세라믹: 기술 세라믹 엔지니어링 부품에 사용됩니다.
왁스: 주얼리 패턴 및 주조에 적합합니다.
콘크리트: 인쇄된 건물 및 건축 구조물.
음식: 초콜릿, 쿠키, 파스타 및 기타 음식을 인쇄할 수 있습니다.
셀: 장기 인쇄에는 살아있는 세포가 포함된 바이오 잉크 스페로이드가 사용됩니다.
합성물: 금속, 플라스틱 및 세라믹의 혼합물을 인쇄할 수 있습니다.

3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 점점 더 많은 소재를 인쇄할 수 있게 되었습니다. 유리, 직물 섬유, 전자 제품 인쇄와 같은 분야에 대한 연구가 진행 중입니다.

3D 프린팅의 주요 이점

3D 프린팅은 기존 제조 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

자유로운 디자인 사출 성형이나 기계 가공으로는 불가능한 독특하고 복잡한 형상을 프린트할 수 있습니다. 경량화 및 부품 통합으로 기능도 향상됩니다.
사용자 지정 각 인쇄물에 대한 디지털 CAD 파일을 수정하여 대량 맞춤화 및 개인화가 가능합니다. 소량 맞춤 배치 및 맞춤형 제품을 생산할 수 있습니다.
속도 기존 기술을 사용하면 몇 주가 걸리던 프로토타입 제작이 며칠 만에 빠르게 이루어집니다. 필요할 때 주문형으로 부품을 생산할 수도 있습니다.
비용 효율성 – 제조 과정에서 툴링을 제거하면 소량 생산 시 비용을 절감할 수 있습니다. 필요한 양만 사용하므로 재료 낭비가 줄어듭니다.
분산형 제조 디지털 부품 파일을 전 세계에 분포된 3D 프린터로 빠르고 저렴하게 전송할 수 있습니다. 현장에서 제조 및 수리가 가능합니다.
혁신 – 복잡성은 자유롭고 시행착오를 통한 프로토타이핑은 혁신 기회를 늘릴 수 있습니다. 제품을 반복적으로 개선할 수 있습니다.

3D 프린팅은 기존 방식으로는 달성할 수 없었던 새로운 제조 가능성을 가능하게 합니다. 3D 프린팅은 의료, 치과, 자동차, 항공우주, 건축, 보석 및 기타 여러 분야에서 활용되고 있습니다.

3D 프린팅의 응용 분야

3D 프린팅 기술은 여러 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있습니다. 다음은 주요 응용 분야 중 일부입니다:

프로토타이핑 제품 디자인을 빠르게 반복하고 최적화합니다. 기능, 핏, 제조 가능성을 검증합니다.
툴링 지그, 픽스처, 검사 게이지, 제조 현장용 조립 보조 장치와 같은 3D 프린트 생산 도구.
부품 생산 최종 사용 부품은 맞춤형 또는 소량 주문에 대해 추가적으로 제조할 수 있습니다. 운영 비용 절감.
항공우주 항공기 및 로켓 제조업체는 연료 사용량을 줄이기 위해 경량 부품을 인쇄합니다. 주문형 예비 부품에도 사용됩니다.
자동차 자동차 제조업체는 프로토타입 제작과 특수 소량 부품 생산에 3D 프린팅을 사용합니다. 맞춤형 인테리어와 공기 덕트도 인쇄됩니다.
헬스케어 맞춤형 보철물, 임플란트 및 해부학 모델은 의사를 돕고 수술 계획을 개선합니다. 인쇄된 의약품은 보다 정확한 투약량을 제공합니다.
교육 학교에서는 디자인 원리를 가르치는 데 3D 프린터를 활용합니다. 학생들은 기술을 직접 체험할 수 있습니다.
건설 3D 프린팅 주택과 콘크리트 구조물이 구체화되고 있습니다. 현장에서 자동화된 시공으로 독특한 건축물을 만들 수 있습니다.
음식 3D 프린터로 맞춤형 초콜릿, 스낵, 복잡한 케이크 장식을 제작할 수 있습니다. 우주 여행을 위한 영양식도 인쇄할 수 있습니다.
패션 현재 여러 디자이너가 신발과 의류 라인에 3D 프린팅을 통합하고 있습니다. 액세서리와 주얼리도 제조되고 있습니다.
예술 및 디자인 예술가들은 조각품, 조명 기구, 가구 및 기타 표현력이 뛰어난 작품에 3D 프린팅을 사용합니다. 이 기술은 무한한 창의적 잠재력을 제공합니다.

이는 3D 프린팅이 제공하는 수많은 응용 분야 중 일부에 불과합니다. 적층 제조의 기능이 향상됨에 따라 더 많은 산업에서 이 기술을 채택할 것입니다.

3D 프린팅의 미래

3D 프린팅 기술은 지난 10년 동안 엄청나게 발전했습니다. 하지만 아직 발전할 여지와 잠재력이 많이 남아 있습니다. 다음은 우리가 기대할 수 있는 몇 가지 발전입니다:

재료 확장 고성능 폴리머 및 금속 합금과 같은 더 많은 엔지니어링 소재를 프린팅할 수 있게 될 것입니다. 생체 적합성 소재는 의료용 3D 프린팅 응용 분야를 발전시킬 것입니다. 전자 인쇄는 스마트 부품과 IoT 장치를 가능하게 할 것입니다.
시스템 크기 더 큰 규모의 시스템은 실물 크기의 물체를 한 번에 인쇄할 수 있습니다. 더 작은 시스템은 데스크톱 제조 솔루션을 제공합니다.
속도 및 해상도 빌드 속도가 빨라지면 대량 생산이 가능해집니다. 해상도가 향상되면 기하학적 복잡성과 표면 마감이 향상됩니다. 추가 프린트 헤드를 통해 다양한 소재를 정교하게 제작할 수 있습니다.
인더스트리 4.0 통합 3D 프린팅 시스템은 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 디지털 스레드와 통합될 것입니다. 설계, 시뮬레이션, 생산, 품질 관리 및 부품 추적은 더욱 자동화될 것입니다.
분산 제조 – 현지화된 생산 채택 증가. 엔지니어는 교체 및 수리를 위해 현장에서 맞춤형 디자인을 인쇄할 수 있습니다. 배송 비용 및 환경 영향 감소.
건설 및 건축 대형 3D 프린터는 콘크리트 및 맞춤형 복합재를 사용하여 미래 인프라를 구축하는 데 도움이 될 것입니다. 독특한 구조물 모양을 인쇄할 수 있게 될 것입니다.

3D 프린팅 기술은 제조업을 보다 지속 가능하고 분산된 고객 중심 모델로 변화시킬 것입니다. 이를 통해 기업은 시간과 비용을 절약하면서 더 큰 혁신 역량을 발휘할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

3D 프린팅은 어떻게 작동하나요?

3D 프린팅은 적층 공정을 사용하여 물체를 한 층씩 쌓아 올리는 방식으로 작동합니다. 디지털 3D 모델을 레이어로 슬라이스하고 프린터는 부품이 완성될 때까지 각 단면에 재료를 증착합니다. 융합 증착 모델링, 광조형, 선택적 레이저 소결 등의 기술이 사용됩니다.

어떤 재료로 3D 프린팅할 수 있나요?

3D 프린팅에는 ABS, PLA, PETG, 나일론, 포토폴리머와 같은 플라스틱을 사용할 수 있습니다. 스테인리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 코발트 크롬, 귀금속과 같은 금속도 인쇄할 수 있습니다. 기타 재료로는 사암, 세라믹, 왁스, 콘크리트, 식품, 바이오 잉크 등이 있습니다. 새로운 재료가 지속적으로 도입되고 있습니다.

3D 프린팅의 장점은 무엇인가요?

3D 프린팅의 이점은 다음과 같습니다:

복잡한 모양을 자유롭게 디자인할 수 있습니다.
제품 사용자 지정 및 개인화
신속한 프로토타이핑 및 디자인 검증
다품종 소량 생산 비용 절감
제조 분산화 기능
재료 낭비 감소 및 최적화된 디자인
반복 개발을 통한 혁신

3D 프린팅의 응용 분야는 무엇인가요?

3D 프린팅은 산업 전반에 걸쳐 다양하게 활용되고 있습니다:

제품 디자인 프로토타이핑
맞춤형 최종 사용 부품 제조
전문화된 툴링 제작
항공우주 및 자동차 부품
맞춤형 의료 기기 및 임플란트
제약 연구 및 약물 투약
수업 및 교육 보조 자료
주택 및 건물 건설
맞춤형 식사 인쇄
패션 및 의상 액세서리
예술 조각 및 디자인 작품

3D 프린팅의 미래는 어떻게 될까요?

3D 프린팅의 미래에는 다음이 포함됩니다:

재료 기능 및 전자 인쇄 기능 확장
대규모 및 소규모 시스템
속도 및 해상도 향상
3D 프린팅을 디지털 제조에 통합
현지화된 분산 생산의 성장
인프라 및 건축 구조물 건설