수조투사방식(Vat광중합) 알아보기 : SLA방식, DLP방식

액상수지가 소재인 SLA방식과 DLP방식이 속해 있는 Vat광중합방식에 대해 알아보도록 하겠습니다.

국제표준화기구와 미국재료시험협회에서 3D프린터 방식을 아래와 같이 7가지로 분류했는데요,

① ME(Material Extrusion) 용융수지 압출방식

② VP(Vat Photopolumeriza) 광중합방식, 수조 투사방식

③ PBF(Powder Bed Fusion) 분말베드 용융방식

④ DED(Directed Energy Deposition) 고에너지 적층방식

⑤ SL(Sheet Lamination) 시트 적층방식

⑥ MJ(Material Jetting) 재료 분사방식

⑦ BJ(Binder Jetting) 접착제 분사방식

우리가 흔히 알고 있는 FDM, SLS, SLA, DLP방식과 잘 알려지지 않은 기술들 모두 위 7가지 3D프린터방식에 포함됩니다.

오늘은 VAT광중합방식, 다른 말로는 수조 투사방식에 대해 알아보려고 하는데요, 이 방식의 대표적인 기술로 SLA, DLP방식이 있습니다.

광중합방식은 광경화성 수지에 빛을 쏘아 한층 씩 적층하는 방식으로 입체광투영기술로도 불리는 SLA방식은 최초의 3D프린터이며 액체 감광성 수지는 레이저 또는 프로젝터로 경화되어 3D프린터의 수지 탱크에 직접 물체를 형성하고 광중합을 사용하는 가장일반적인 3D프린팅 기술을 입체 석판 술 즉 SLA라 합니다.

1984년 최초의 3D프린터를 개발한 Charles Hull이 개발한 기술로 이에 사용되는 파일 포맷을 STL로 이름 붙여 현재까지 사용되고 있으며 이 방식은 다른 방식과 다르게 단면을 통째로 굳히기 때문에 프린팅 속도가 빠르다는 장점이 있습니다.

그리고 빛을 사용하기 때문에 정밀도를 굉장히 높일 수 있고, 표면조도가 뛰어나기 때문에 치과나 쥬얼리 제작에 활용되고 있습니다.

다만 빛을 사용하는 원리상 빛샘 현상의 영향을 받아 정밀도가 떨어질 수 있으며 투명한 재료일수록 정밀도가 취약하기 때문에 제대로 된 제품을 만들기 위해서는 매우 정밀한 빛 투자 메커니즘이 필요합니다.

1. 작동방식

① 출력물이 적층될 베드가 액상수지에 담궈질 정도로 내려가고, 아주 얇은 두께의 재료만이 표면에 남게 한다.

② 레이저를 쏘면 반사경이 X, Y축으로 움직이며 전달받은 레이저 빔을 수조에 전달한다.

③ 수조 안에 있던 레진(광경화성 수지)이 레이저 빛을 받은 부분만 딱딱하게 굳는다.

④ 한 층씩 굳어질 때마다 베드가 정해진 층의 두께만큼 아래로 내려간다.

⑤ 그 위 굳지 않은 액상재료가 흘러들어와 덮이게 되고, 다시 레이저를 쏘아 경화시키는 과정을 반복해 조형물을 완성한다.

 

 

2. 특징

① 정밀도가 높다.

② 표면조도가 우수하다.

③ 빌드볼륨이 작은 편이다.

④ 후처리가 불편하다.

3. SLA

Stereo Lithography Apparatus 의 약자로 광경화성 수지 조형 방식이라고 하며 가장 오래된 3D프린팅 방식으로 척 헐이 특허를 내고, 레진(resin)이라고 하는 액상수지를 사용하며 FFF방식에 비해 속도가 빠르며 정밀도가 우수하다는 장점이 있습니다.

광경화성 수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시켜 적층해 형상을 만들어내는 방식인데요, 레진이 담겨 있는 수조에 프린트 베드가 잠겨 있고, 그 위로 UV(자외선) 레이저를 쏘아 레이저가 레진이 닿으면 광경화 작용에 의해 레진이 굳어지며 레이어가 만들어집니다.

레이저의 방향은 반사경을 이용한 스캔 시스템으로 조절할 수 있고, 레이어가 완성되면 베드가 아래로 내려가고 레진이 그 위에 균등하게 도포되며 다음 레이저를 조사할 위치를 찾아갑니다.

이런 과정을 반복하며 형상이 완성되며 레진 종류에 따라 세척과 경화 작업이 추가로 필요할 수도 있습니다.

SLA방식은 정밀한 금형을 활용한 기계, 자동차 산업 및 의료, 쥬얼리 등 넓은 분야에서 활용되고 있습니다.

 

SLA방식 특허는 2014년에 만료되었지만 개인용으로 사용하기는 조금 부적절해 보입니다.

레진 도포 기술과 스캔 미러 시스템의 제작이 까다롭고, 기계 장비나 소재가 비싸며 레진은 보관이 어려운데다 악취가 심해 개인이 가정에서 사용하기에는 부담이 되지 않을까 합니다.

4. DLP

Digital Light Processing의 약자로 SLA방식과 매우 유사하지만 영상 프로젝터와 유사하게 자외선램프와 조광장치를 이용해 카메라 플레시를 터뜨리듯 단번에 한 층 전체를 경화시켜 레이어를 만듭니다.

그래서 출력 속도가 빠르며 고가의 레이저 스캐닝 기술이 필요 없어서 SLA장비에 비해 저렴한 편입니다. 다만 레진이 인체에 유해하기 때문에 주의해야 합니다.

 

5. SLA, DLP 특징

<장점>

① 지지대를 깔끔하게 제거할 수 있다.

② 출력물 표면 품질이 매우 우수하다.

③ 출력속도가 빠르다.

④ 소비전력이 적다.

⑤ Z축만 존재하기 때문에 진동이 적다.

 

<단점>

① 장비 및 소재 가격이 비싸다.

② 디테일 표현이 떨어진다.

③ 빛을 넓게 쏘아야 할 경우 밝기가 떨어지고 왜곡이 생긴다.

④ 대형화 출력이 어렵다.

⑤ 작은 빛으로 액체를 굳히는 작업이라 특수 소재가 아니면 불가능하다.

⑥ 빛을 보면 굳어버리기 때문에 보관에 주의가 필요하다.

6. SLA와 DLP방식의 차이점

① 경화 방식

- SLA는 단일 지점, DLP는 한 층을 경화 시키기 때문에 정밀도는 전자가 더 우수하지만 출력속도를 보면 후자가 더 빠르다.

② 유지보수

- SLA는 복잡한 구성 때문에 고장이 나면 유지보수 비용이 비싸고, 전문가가 수리를 해야 하지만 DLP는 단순한 구성 때문에 고장이 나더라도 개인이 수리할 수 있다.

③ 표면 품질 차이

- SLA는 나이테 같은 레이어 선이 출력물의 위와 아래에만 도드라지게 보여 일러스트레이터 느낌과 같고, DLP는 위와 아래 뿐만 아니라 전후좌우 사면에서도 레이어 선과 동일한 나이테가 나타나며 포토샵의 느낌과 같다.

④ 치수정밀도

- 두 가지 방식 모두 기기세팅만 제대로 되어 있다면 치수 정밀도가 매우 좋은 편이지만 DLP방식의 경우 프로젝터 렌즈 초점 및 줌 레버가 충격으로 틀어지면 문제가 생겨 사용자가 직접 치수를 조절해야 하는 경우가 많아 어느 정도 전문성이 없다면 쉽지 않다.

지금까지 수조투사방식과 그 대표적인 기술인 SLA방식과 DLP방식에 대해 포스팅했는데요, 오늘을 끝으로 ISO 국제표준화기구에서 분류한 3D프린터 7가지 기술에 대해 모두 알아보았습니다.

 

3D프린터는 기존에 제조업 분야에서만 주로 활용되었으나 현재는 의료, 건설, 아파트, 우주, 항공, 자동차, 의류 등 활용하지 않는 분야가 없을 정도로 영역을 빠르게 넓혀가고 있습니다.

앞으로 얼마나 더 많은 분야에 활용되고 어마어마한 잠재력을 보여줄지 기대됩니다.