3D프린터 원리, 어떻게 작동되나?

오늘 이런저런 자료를 찾아보다가 갑자기 제일 처음 3D프린터를 봤을 때가 생각났어요.

보통 종이에 글자나 그림을 인쇄하는 2D프린터만 보다가 회사 입사하고 처음으로 3D장비를 봤거든요. 처음에는 그게 입체모형을 출력하는 기계인지도 모르고 이게 뭐지? 뭐 만드는 기계지? 라고 막연하게 생각만 하다가 정확한 명칭을 알고, 일하면서 알게 된 얕은 지식과 학생들을 가르치는 일을 하게 되면서 본격적으로 관심 가지고, 공부하게 됐어요.

옛 생각을 하다가 오늘은 3D프린터 원리에 대해 포스팅해야겠다는 생각을 했는데요, 저는 처음 3D장비를 봤을 때 뭔가 엄청 신기했었고, 이건 어떻게 움직이나, 이름은 왜 이렇게 지었을까. 필라멘트는 어떻게 만들었나. 궁금한게 많았었거든요.

저뿐만 아니라 이런 궁금증들은 다 있잖아요?ㅋㅋ

3차원 물체를 기존의 절삭가공 방식이 아닌 적층하는 방식으로 실물제품을 찍어내는 기계를 바로 3D Printer라고 합니다.

오늘은 시제품제작 시 많이 활용하는 방식인 FDM, SLA, SLS 이 세 가지 3D프린터 원리에 대해 알아보겠습니다!

기존 우리가 종이를 인쇄할 때 사용하는 2D프린터의 경우 XY축 그러니까 좌, 우로만 움직여서 평면인쇄만 가능한데 적층가공방식은 Z축이 있어서 상, 하 운동이 되기 때문에 입체 결과물을 얻을 수 있습니다.

 

Z축을 움직이면 한층 한층 겹겹이 쌓아 올려 형상이 만들어지는데 이때 쌓아올릴 때 생겨난 층을 레이어(Layer)라고 합니다.

이때 레이어의 두께를 조절할 수 있는데 레이어가 얇을수록 더 정밀한 출력물을 얻을 수 있습니다.

보통 출력까지 과정을 보면 3D설계 - Layer Slicing(G코드 생성) - 출력 – 후가공 순으로 진행되는데요, 첫 과정은 어떤 방식으로 출력하든 같습니다.

삼차원데이터가 필요하며 STL파일을 Layer Slicing 과정을 거쳐 프린터가 인식할 수 있는 코드인 G-code로 확장자를 변환해주는데 보통 Slicing 할 때 CURA 라는 무료프로그램을 활용합니다.

 

출력부터 어떤 방식의 장비를 쓰느냐에 따라서 3D프린터 원리는 달라집니다.

 

FDM방식은 우리가 흔히 RP(Rapid prototype)라고 하면 가장 먼저 생각나는 방식이며 가장 일반적이고 초보자도 쉽게 사용할 수 있는 장비입니다.

이 장비 같은 경우에는 글루건을 생각하면 쉽습니다.

이 장비의 개발자인 Scott Crump도 자신의 아이에게 장난감을 만들어 주는데 글루건을 보다가 생각해낸 방법이라고 하니까요.

 

출력방법은

1. 고온의 노즐에서 필라멘트를 녹인다.

2. 노즐이 베드위에 그림을 그리면서 필라멘트를 압출한다.

3. 베드판 위에 레이어가 한 층 그려지고 노즐이 상하운동을 하면서 첫 레이어 위로 한 층씩 레이어를 만들어 나간다.

 

다음은 SLA방식의 원리를 알아볼께요.

이 용어는 처음 개발한 회사인 3D systems에서 만든 용어로 세계 최초로 상용화된 프린터입니다.

 

특허 만료가 끝이난지 얼마 안되서 몇 년 전부터 누구나 만들고, 사용할 수 있게 되었으며 기계와 재료가 비싼 편이라 보통 회사나 학교에서 구매해서 사용하는 편입니다.

아무래도 개인적으로 구매하기에는 비싸기도 하고 무엇보다도 크기가 커서 가정에서 사용하기에는 무리가 있죠.

수조에 액상수지에 레이저를 쏘아 굳혀 형상을 만드는 방식입니다.

출력방법은

수조에 광경화 액상수지를 채운다.

레진이 담긴 수조에 레이저를 쏘면 반사경이 움직이면서 레이저 방향을 조절한다.

레이저는 거울에 반사되어 레진에 닿고, 그 부분은 굳어져 첫 레이어가 만들어진다.

첫 레이어가 만들어지게 되면 베드가 내려가면서 액상 레진 안에 잠기게 되고 그 위로 계속해서 레이저를 쏘아 굳혀 형상을 만든다.

 

마지막으로 소개할 방식은 바로 선택적 레이저 소결방식이라고 불리는 SLS입니다.

이 기술의 소재는 분말이며 롤러를 이용해서 분말 형태의 소재를 얇게 깐 다음, 레이저로 선택한 분말을 녹여 굳히는 과정을 반복해서 형상을 만들어내는 방식입니다.

 

출력방법은

히터로 분말을 녹는 점 아래의 온도로 예열한다.

레이저는 3D모델의 단면을 스캔해서 분말을 굳힌다.

한 면의 레이어가 완성되면 베드가 아래로 내려가고, 새로운 분말 재료의 층을 베드에 도포한다.

레이저가 다음 단면을 스캔하고 같은 과정을 반복한다.

 

이 방식의 최대 장점은 지지대가 필요하지 않다는 것입니다. 왜냐면 베드에 분말로 가득 차 있어 지지대 역할을 해주기 때문이죠.

지금까지 다양한 방식의 프린터 중에서도 특히나 많이 사용하는 세 가지 방식의 3D프린터 원리에 대해 알아보았는데요, 이렇게 말로만 봤을 때는 이해가 잘 안 갈 수도 있으니 그럴 때는 영상을 보는 것도 쉽게 이해하는 방법 중 하나입니다.