3D프린터 원리 - 출력 방식에 따른 분류

출력 방식에 따라 분류한 3D프린터 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

기존 가공방식은 절삭가공방식으로 커다란 덩어리를 깎아서 형상을 만드는 것이고, 3D프린터는 적층가공방식으로 소재를 녹여 제일 아래 바닥부터 위로 한층 한층 쌓아 올려 형상을 만드는 것입니다.

 

이런 출력 방식들은 제조사에 따라 명칭이 다양한데요, 그래서 3D프린팅 기술 용어를 미국재료시험협회에서 규정하고, 동작 원리에 따라 ISO에서는 프로세스를 총 7가지로 분류하였습니다.

오늘은 AM프로세스들을 살펴보며 원리와 출력방식에 대해 포스팅할게요.

1. 소재 압출 방식 (Material Extrution)

소재 압출 방식의 대표적인 기술은 FDM으로 가장 대표적이고, 보편적인 기술로 누구나 쉽게 작동할 수 있는 방식으로 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 고온의 노즐에 녹여 압출하면서 한층 한층 적층해나가며 형상을 만듭니다.

 

이 방식은 미국의 스타라타시스(stratasys)를 설립한 스콧 트럼프가 개발해서 상표권을 가지고 있으며 3D프린터의 특허가 풀리고 대중화 되면서 가격은 낮아지고, 출력속도는 빨라졌습니다.

소재 압출 방식의 소재로 가장 많이 사용하는 것은 PLA지만 제조업이나 시제품 제작 시에는 ABS를 많이 사용하고 있습니다.

 

<출력방법>

① 필라멘트를 익스트루더에 삽입한다.

② 노즐에서 필라멘트를 녹인다.

③ 고온의 노즐에서 녹아 압축되어 나온 필라멘트가 베드 위에 첫 레이어를 그린다.

④ 베드나 노즐이 움직이며 첫 레이어 위에 한 층의 레이어를 더 쌓는다.

 

* 출력방식 : FDM(Fused Deposition Modeling), FFF(Fused Filament Fabrication)

2. 광중합 방식 (Vat Photopolymerization)

- 광중합 방식은 광경화성 수지에 빛을 조사하여 한층 씩 적층하는 방식으로 SLA가 대표적인 기술로 1984년 최초로 3d프린터를 개발한 charles Hull이 개발하였습니다.

특징은 정밀도가 매우 우수하고, 표면조도가 뛰어나기 때문에 쥬얼리나 치과 등 정밀도를 요구하는 작업에 많이 활용되고 있습니다.

 

<출력방법>

① 수조에 광경화 액상수지를 담는다.

② 수조에 레진을 채우고, 수조에 레이저를 쏘면 반사경이 움직이면서 레이저 방향을 조절한다.

③ 레이저가 거울에 반사되어 레진에 닿으며 그 부분이 굳으면서 첫 레이어가 만들어진다.

④ 첫 레이어가 만들어지면 베드가 아래로 내려가면서 액상레진 안에 잠기게 되고, 그 위로 계속해서 레이저를 쏘아 굳혀 형상을 만든다.

 

* 출력방식 : SLA(StereoLithography), DLP(DIgital Light Processing), CLIP(Continuous Liquid Interface Production)

3. 분말 소결 방식 (Powder Bed Fusion)

분말 소결 방식은 SLS로 널리 알려진 방식으로 정식 명칭은 분말 적층 용융 방식으로 분말을 블레이드와 롤러로 분말 베드에 얇고 평평하게 깔아두고, 얇게 깔린 분말에 레이저를 쏘아 수평면에서 원하는 형상을 만듭니다.

다시 그 위에 분말을 얇게 깔고 평평하게 만든 뒤 다시 레이저를 쏘아 형상을 만드는 방식입니다.

 

특수모래, 금속분말, 합성수지 등 분말로 된 소재면 무엇이든지 출력 가능하고, 어느정도의 품질은 나오지만 분말의 입자가 균일해야 하고, 각 소재별로 레이저의 세팅을 따로 해야 해서 번거로운 편입니다.

무엇보다 장비와 소재 비용 모두 비싼 편이며 유지 비용 또한 저렴하지 않아 개인적으로 구매를 해서 사용하기는 어렵고, 업체에서 구매하거나 출력대행을 통해 제작합니다.

<출력방법>

① 히터을 이용해 분말을 녹는 점 아래의 온도로 예열한다.

② 레이저는 3D모델의 단면을 스캔해서 분말을 굳힌다.

③ 한 면의 레이어가 완성되면 베드가 아래로 내려가게 되고, 새로운 분말 재료의 층을 베드에 도포한다.

④ 레이저가 다음 단면을 스캔하고 같은 과정을 반복한다.

 

* 출력방식 : SLS(Selective Laser Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting), MJF(Multi Jet Fusion)

4. 결합제 분사 방식 (Binding Jetting)

결합제 분사 방식은 분말 재료 위에 액상 접착제를 뿌려 적층하는 방식으로 금속 재료의 경우 프린트 한 결과물이 사실상 그냥 플라스틱 풀이 굳은거나 다름없어서 열처리하는데 과정이 조금 귀찮은 편입니다.

먼저 저온에서 한 번 구워서 접착제를 날려 보내고 그다음 고온에서 금속분말들을 소결시켜 최저한의 강도를 확보한 뒤 청동과 같이 고온에 구워서 그 자리를 청동이 차지하게 하면 완성되는데 그 과정의 시간이 꽤 오래 걸리는 편입니다.

 

* 출력방식 : CJP(3DP,PBP), BJ(Binder Jetting)

5. 소재 분사 방식 (Material Jetting)

소재 분사 방식의 대표적인 방식은 Polyjet과 MJP인데 원리는 거의 똑같다고 볼 수 있지만 개발사가 달라서 이름이 다르다고 합니다.

액상 광경화성 수지를 노즐에서 분사한 후 광에너지를 이용하여 굳혀 적층하는 방식으로 잉크젯의 3D프린터 버전이라고 볼 수 있으며 SLA방식과 잉크젯을 섞은 것이라 이해하면 쉽습니다.

 

보통 대부분의 3d프린터 방식의 장비들은 형상 한 개를 만들 때 색상을 한가지로 출력을 하지만 폴리젯은 다양한 색상으로 프린팅 가능하며 높은 정밀도와 투명한 소재를 사용할 수 있어 돋보기에 사용하는 광학 렌즈를 프린팅할 수 있습니다.

다만 소재의 제한이 있고, 내구성이 좋지 않으며 빛에 민감하다는 단점이 있으며 서포터가 필수이기 때문에 서포트 제거하는 것이 번거롭습니다.

* 출력방식 : Polyjet, MJP(Multi Jet Printing)

6. 판재 적층 방식 (Sheet Lamination)

표면 접착식의 대표적인 방식은 LOM으로 종이와 같은 얇은 재료를 레이저, 칼 등으로 조각하고 그것을 한층 한층 접착하는 방식입니다.

종이, 플라스틱, 금속재질의 시트 형태 재료를 층층이 접착한 후 칼이나 레이저 커터로 형태를 잡아서 자르는데 이러한 작업을 반복하면서 원하는 형상을 제작합니다.

AM방식 중 하나지만 깎아내는 과정이 필요한 하이브리드 방식으로 금속판을 밑에 깔고 초음파 용접으로 붙인 뒤 모양대로 깎는 과정을 반복하는데 열로 용접하는 것이 아니라서 내부 잔류응력 처리나 내부 공기 조절이 필요합니다.

 

* 출력방식 : LOM(Laminated Object Manufacturing), SDL

7. 직접 용착 방식 (Direct Energy Deposition)

직접 용착 방식은 에너지 집중식 퇴적 방식이라고도 부르는데 열 에너지를 집중시켜서 물질을 용접, 적층하는 방식입니다.

이 방식은 재료가 그냥 쌓여있는 것이 아니라 레이저와 같이 움직이는데 쉽게 말해서 인두기와 납땜 공급기가 자동으로 움직이면서 적층해 나가며 재료는 금속선도 가능하지만 보통은 금속 파우더를 분사합니다.

 

* 출력방식 : DMT(Direct Metal Tooling), LENS(Laser Engineered Net Shaping), DMD(Direct Metal Deposition), LMD(Laser melting deposition)

지금까지 출력 방식에 따라 분류된 3d프린터 원리에 대해 알아보았는데요, 장비의 종류가 많고, 방식이 다양하다 보니 방식이 다르다는 것은 알고 있었는데 ISO에서 분류한 프로세스가 있다는 것은 최근 처음 알게 됐네요!

그래서 아직까지 모르는 것도 많고, 다시 공부해야 할 부분들이 많구나 싶어서 처음부터 차근차근 다시 알아보면서 공부를 해보려구요~

이렇게 포스팅 하는 자료들이 다른 분들께도 도움이 됐으면 좋겠네요! 감사합니다.