| 3D 프린터의 작동 방식 | ||||||
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1. 개요
1.1. 적층형 Additive Manufacturing(AM)
1.1.1. Powder Bed Fusion(분말 소결식) & SLS(Selective Laser Sintering)1.1.2. Binder Jetting (접착제 분사식)
1.2. Material Extrusion (재료 압출식) & FDM(Fused Deposition Modeling)1.3. Material Jetting (재료 분사식)1.4. Sheet Lamination (표면 접착식) & LOM(Laminated Object Manufacturing)1.5. Vat Photopolymerization (광수지화 방식)1.1.2.1. 3DP(3 Dimension Printing)
1.1.3. Directed Energy Deposition (에너지 집중식 퇴적 방식)1. 개요
3D 프린터의 여러 작동 방식을 모았다.1.1. 적층형 Additive Manufacturing(AM)
일반적으로 3D 프린터라면 이 쪽을 가리킨다. 매질을 층층이 쌓아 올려 조형하는 "Printing layer by layer" 과 "Printing point by point[1]" 방식이 있다. 작동 방식이나 재료에 따라 구분되며, 절삭방식으로 알려진 CNC가공에 비하여 3D 프린팅의 가장 큰 장점은 적층이 가능하므로 내부에 굉장히 정교한 구조를 구현할 수 있다는 점이다. CNC 가공의 경우 엔드밀이 어떻게든 들어갈 공간이 필요하다. 즉 입구는 좁은데 속은 넓거나 한 디자인은 제작이 거의 불가능 하다. 하지만 AM의 경우 일부 방식이 지지대를 필요하는 것을 제외하면 이런 점에서 상당히 자유롭다.ISO와 ASTM에서는 ISO/ASTM52900에서 AM 기술들을 BJ, DED, ME, MJ, PBF, SL, VP 이렇게 7가지로 분류한다.
1.1.1. Powder Bed Fusion(분말 소결식) & SLS(Selective Laser Sintering)
얇게 분말재료를 필드에 깐 다음 레이저로 선택된 부분만 녹여 굳히기를 반복하여 제품을 만드는 방식이다. 특수모래, 금속분말, 합성수지 등 분말로 된 소재라면 뭐든지 출력이 가능하고 꽤 섬세한 출력품질을 보여주지만[2][3] 분말의 입자가 균일해야 하고[4] 각 소재별로 레이저의 세팅을 따로 해야 하므로 세팅이 힘들다. 또한 3D 프린터 장비와 사용되는 소재 모두 가격이 만만치 않으며[5] 유지 비용도 싼 편은 아니다. 입자를 소결로 붙이는게 아니라 완전히 녹여서 붙이는 경우 SLM (Selective Laser Melting)[6] 같은 이름이 붙는데 소결이 아닌 완전히 융해를 시켜야 하는 만큼 에너지 소모량 같은게 뛰지만 그만큼 물성이 좋아진다. 프린트하는 속도가 그야말로 끝내주는데 이건 Powder Bed 를 쓰는 프린터는 거의 그렇지만 레이저를 쏴서 녹이는 과정은 레이저를 강한걸 쓴다던지 여러 레이져로 병렬화를 하던지 해서 속도를 올릴 수 있지만 문제는 그 위를 파우더로 다시 덮는 코팅 과정이 속도를 빠르게 하는데 한계가 있는데다 그 한 레이어 두께가 0.1mm급 이하다(30um 두께로 작업을 하기도 한다.) 그나마도 정밀도가 올라가면 그만큼 더 얇아진다. 파트 하나 뽑는데 몇박며칠 걸리기 때문에 보통 한번 뽑을때 여러 파트를 한번에 같이 프린트 한다. 고열로 작업하는 SLM 방식의 경우 금속소재의 화학적, 물리적 특성의 변화를 방지하기 위해 내부에 비활성기체를 주입하여 작업한다. 보통 질소(N2), 아르곤(Argon)이 많이 이용되며, 내부 산소 농도는 대략 1000ppm 이하로 유지하고, 타이타늄 등의 반응성 금속에는 100ppm 이하에서 작업을 한다.1.1.2. Binder Jetting (접착제 분사식)
분말 재료 위에 액상 접착제를 뿌려서 적층하는 방식.금속 재료의 경우 프린트 한 결과물이 사실상 그냥 플라스틱 풀이 굳은거나 다름없어서 의미가 없으니 열처리를 꼭 하는데 그 프로세스가 좀 귀찮은 편. 일단 저온에서 한번 구워서 접착제를[7] 날려보내고 그 다음 고온에서 금속 분말들을 소결시켜서 최저한의 강도[8]를 확보한 뒤 청동과 같이 고온에 구워서 그 자리를 청동이 차지하게 하면 완성. 여기까지 며칠 걸린다.
반면, 플라스틱 파우더를 사용하는 경우 제작과정에서 열처리가 필요하지 않는 상태가 된다. 플라스틱 파우더가 프린팅용 액체와 만나 표면만 녹여서 붙는 화학 반응이 빠르게 일어나 만들어지는 방식이기 때문이다. 제작과정에서 열에 의한 변형이 없기 때문에 하나의 점을 기준으로 그려나가는 방식이 아닌, 일종의 모듈로 동시에 분사하는 방식을 취할 수 있으며, 제작 할 수 있는 형상의 크기도 압도적으로 커지게 된다. 현재까지 상용화된 모델의 경우 2M가 넘는 형상을 한번에 제작 할 수 있다. 이런 장점과 별개로 표면만 녹아서 붙는 방식이기 때문에, 충격에 의한 파손에 취약한 편이며, 액체와 닿았을 때 스며드는 문제가 있다. 이를 위해서 후처리 공정이 있긴 하지만, 그렇게 완벽하게 보완되지는 않는다는 듯.
산업용 규사를 사용하는 경우, 다른 3D프린터와는 다소 다른 형태로 활용이 되는데, 사형(sand morld)를 제작하여 사형주조에 활용된다. 3D프린터의 존재의미가 형틀이나 직접 깎아만들지 않는 제작 공정이라는 것을 생각해보면 역설적인 사용 방법. 이론적인 것과 다르게 현장에서는 생각보다 적합한 사용방법이라는 평이 다수라는 점도 재미있는 현상이다. 기존에 사형 주조를 하기 위해서는 흔히 쇳물이라고 부르는 용탕을 부어 넣을 수 있는 형틀과 내부의 모양을 만들어줄 코어를 제작해서 합형을 시켜야 하는데, 형틀과 코어를 소위 깎아 만들거나 또 다른 주조로 만들어낸다. 하나의 금속품을 얻기 위해서 다른 금속품을 만들어야 했었는데, 이 것을 바로 데이터만으로 3D프린팅으로 만든다는 것. 주조를 한 뒤에는 3D프린터로 만든 형틀을 모두 부숴야 하기 때문에 동일한 형상을 몇 십만개 씩 찍어내야하는 양산에는 매우 부적합하다. 새로운 개발품의 시제품제작이나, 선박엔진과 같이 한 두개 밖에 제작하지 않는 주조에는 매우 효과적으로 사용된다.
1.1.2.1. 3DP(3 Dimension Printing)
잉크젯(inkjet)으로 부르기도 한다. 얇게 분말재료를 필드에 까는 것은 PBF 방식과 비슷하지만 레이저가 아닌 접착제를 분사하여 굳히는 방식이다. 3D 프린터 중 상대적으로 빠른 조형이 가능하고 접착제와 함께 칼라 용액을 분사하므로 색을 입힐 수 있다. 다른 방식으로는 색을 아예 입힐 수가 없거나 제약이 매우 크지만 3DP방식은 비교적 자유롭다. 그러나 제품의 내구성을 오로지 분사되는 접착제에 의존하게 된다는 단점이 있다.1.1.3. Directed Energy Deposition (에너지 집중식 퇴적 방식)
열 에너지를 집중시켜(그러니까 레이저, 전자빔, 아크로) 물질을 용접-적층하는 방식. 뒤에 나올 Powder Bed Fusion과 다른 점이라면 이 방식은 재료가 바닥에 그냥 쌓여있는게 아니라 레이저와 같이 움직인다. 쉽게말해 인두기와 땜납 공급기가 자동으로 움직이면서 적층해 나간다. 재료는 땜납처럼 금속선도 사용가능하지만 보통 금속 파우더를 분사한다.위에서 언급한 것처럼 DED방식은 레이저와 재료공급 노즐이 같이 움직이기 때문에 대형 제품을 출력할 수 있다. 반면 Powder Bed Fusion 방식은 레이저의 방향조절을 미러의 반사에 의존하기 때문에 출력 크기에 한계가 있다.
DED방식의 프린터. DED방식의 프린터는 CNC 머신과 같이 붙어있는데, 3D 프린팅에서 거의 필수 수준의 마감작업을 CNC가 알아서 깎아준다. 아무래도 용접-적층 방식이다보니 표면거칠기를 조도 향상을 위해 CNC를 사용할 수 밖에 없는 구조이다..
DED방식은 사용되는 소재와 적층되는 부위의 소재만 같다면 굳이 평평한 배드가 아니라 어떤 형상을 가진 물체 위에도 금속을 용접-적층할 수 있다는 특징이 있어 파손된 금형 부위를 보수하는 용도로서 금형 보수 분야에서 관심받고 있다.
1.2. Material Extrusion (재료 압출식) & FDM(Fused Deposition Modeling)
FFF와 동일한 방법이다.
1.3. Material Jetting (재료 분사식)
아래에 서술한 Polyjet방식과 MJM방식은 같다고 봐도 무방하나 개발사가 달라서 이름이 각각 붙었다고 보면 편하다.1.3.1. Polyjet
액상 광경화성 수지를 노즐에서 분사한 후 광에너지를 이용하여 굳혀 적층하는 방식. 잉크젯의 3D 프린터 버전이라고 보면 된다. SLA방식과 3DP방식(잉크젯)을 섞은 방식이라 이해하면 편하다. 대부분의 다른 방식은 한 물체를 한가지의 색상으로만 프린팅 할수 있지만 Polyjet은 다양한 색상으로 프린팅이 가능하다. DLP와 같이 높은 정밀도를 자랑하고 투명한 소재를 사용할수 있어서 돋보기에 쓸만한 광학 렌즈를 프린팅 할수 있다. 다만 소재의 제한이 따르며 소재의 내구성이 좋지 않고 빛에 민감하다. 하단보다 상단의 면적이 큰 경우, 서포터가 필수적으로 요구된다. 일반적으로 서포터는 물속에서 분해 가능한 재료를 이용하여, 프린팅 후에도 쉽게 서포터를 제거할 수 있도록 되어있으나 좀 번거롭다.1.3.2. MJM(Multi Jet Modeling)
Multi Jet Printing(MJP)로 불리기도 한다. Polyjet 방식과 마찬가지로 액체 광경화성 수지를 분사 후 자외선으로 경화시키는 방식을 사용한다. 그 외 특징은 Polyjet 방식과 일치하므로 생략함.
Polyjet 방식과의 차이점은 Polyjet 방식은 출력물을 세척하고 후처리 액체에 담그기만 하면 끝이나지만 MJM방식의 경우 냉장과정을 거친 후에 후처리 장비를 거쳐서 표면처리액상을 사용해야한다. 다만 Polyjet 대비 작업시간이 긴게 흠이다.1.4. Sheet Lamination (표면 접착식) & LOM(Laminated Object Manufacturing)
종이와 같은 얇은 재료를 레이저, 칼 등으로 조각하고 그것을 층층이 접착하는 방식.종이, 플라스틱, 금속재질의 시트 형태 재료를 한층 한층 접착한 후 칼 또는 레이저 커터로 형태를 잡아 자르고, 이러한 작업을 반복적으로 하여 원하는 제품을 얻을 수 있다. AM이긴 하지만 깎아내는 과정이 필요한 하이브리드 방식이다. 금속 판을 밑에 깔고 초음파 용접으로 붙인 뒤 모양대로 깎는 과정을 반복하는데 일단 열로 용접을 안하는 만큼 내부 잔류응력 처리나 내부 공기 조절이 덜 필요하고 속도가 빠르다.
1.5. Vat Photopolymerization (광수지화 방식)
1.5.1. DLP(Digital Light Processing)
정확히는 M-SLA(Masked SLA) 방식이라 부르기도 한다.액상 광경화성 수지가 담긴 통에 프로젝터를 이용하여 모델의 단면을 특정 위치에 맞춰 빛으로 투사하여 레진을 굳힘으로써 적층하는 방식을 말한다. (실크스크린 판화와 비슷하게 생각하면 된다.) 프린팅되는 라인을 그려서 레이어를 만드는 다른 방식과 다르게 단면을 통째로 굳히기 때문에 프린팅의 속도가 훨씬 빠르고, 빛을 사용하기 때문에 정밀도를 굉장히 높일 수 있다.[9] 다만 레진 가격이 다소 비싼데 위의 FDM 방식에 쓰는 필라멘트가 1kg 한 롤에 대충 만원쯤 한다면 포토폴리머 레진은 과거 1kg 한 통에 10만원까지 했으나 요즘은 2만원을 찍는다. 빛을 사용하는 원리상 빛샘 현상의 영향을 받아 정밀도가 떨어질 수 있으며 특히 투명한 재료일수록 정밀도가 취약하기 때문에 제대로 된 제품을 만들기 위해서는 매우 정밀한 빛 투사 메커니즘이 필요하다. 최근에는 4K 해상도 너머까지 지원하는 LCD 패널이 지원됨에 따라 다음 세대의 가성비 출력 기술로써 기대받고 있다. 물론 면적당 해상도를 봐야하기 때문에, 2k라도 민간 보급기라면 퀄리티가 나쁘지 않다.
현재 3d프린팅시장에서 FDM과 함께 가장 대중적인 방식이나 자외선 차단에 신경써야 된다는 점, 비교적 안전하고 간편한 소재가 있는 FDM과 달리 출력물 후처리가 반드시 이루어져야 된다는 점, 맨손으로 취급이 금지된다는 점 때문에 입문 난이도는 높다.
SLA방식은 레이저를 이용한다지만, 본질적으로 광원을 투사하여 특정 레이어를 경화 가공시켜 적층, 형태를 구현한다는 점에서 공통점을 갖고있으며 이때문에 전문가들이 아닌 이용자들은 두 방식 사이를 헷갈리기도 한다, 또 기술적으로 동일한 방법을 이용해서 개인적인 DIY 각인 기판을 만드는 등의 이용법도 있다.
1.5.2. SLA(Stereo Lithography Apparatus)
액상 광경화성 수지를 이용한다는 점에서 DLP 프린팅 방식과 유사하나, 빛을 투사하는 대신에 레이저 소스를 이용한다는 점에서 구별할 수 있다. 따라서 단면을 투과하는 DLP방식과는 다르게 일반적인 FDM방식과 유사한 라인트레이싱 방식을 사용한다. 그럼에도 불구하고 프린팅 속도는 FDM에 비하여 월등히 빠르다. 또한, 광경화성 수지의 종류에 있어서도 DLP타입보다 높은 에너지를 요구하는 광개시제가 함유되어 있으므로, DLP방식과 SLA방식의 레진을 혼용하여 사용하기 어렵다. 이 방식 역시 빛샘현상이 정밀도에 영향을 끼친다.[1] 액체나 녹인재료를 굳히는 방식을 사용하는 3D프린터를 칭한다[2] 분말을 쌓고 굳히는 방식이라 서포터가 없어 어느 면이든 말끔하게 나오고 복층으로 쌓는것도 가능하다.[3] 소제에 따라 거친 면을 다듬을 후가공이 필요할 수 있다.[4] 분말이 균일하게 깔리지 않으면 출력물의 품질에 문제를 일으킨다. 따라서 3D프린팅용 분말재료는 크기(일반적으로 20~45㎛)와 형상이 균일한 구형 분말을 사용한다.[5] 대부분의 장비 가격이 1억은 그냥 넘어간다. 소재의 경우도 금속의 경우 아토마이즈법으로 만들어진 분말에서 약 10% 정도만 3D프린팅에 사용하기 적합할 정도로 생산 수율이 떨어져 가격이 통상적인 금속 분말에 비해 매우 비싸다. 심지어 금속을 프린팅하기 위해서는 산화를 방지하기 위해 챔버 내부에 비활성 가스도 주입해 주어야 하므로 금속 3D프린팅의 경우 단가는 더욱 상승한다.[6] DMLS(direct metal laser sintering)라고도 불린다.[7] 이를 열탈지라고 한다. 보다 우수한 물성을 구현하기 위해 열탈지 이전에 용매를 사용한 용매탈지를 1차적으로 진행한 후 열탈지를 진행하기도 한다.[8] 정말 쉽게 부서진다. 그나마 잡아주던 플라스틱 풀이 전부 날라가고 전체 부피의 60% 정도만 금속이 차지하고 있다.[9] 가정용 DLP 프린터도 보통 0.1mm 단위로 출력할 수 있는 사양으로 나온다. 다만 실제로 인쇄해보면 제조사가 빛샘현상에 대해 고려했는지 여부에 따라 품질이 매우 달라진다.