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이 글에서는 시제품 제작 산업에서 많이 활용되고 있는 3D프린터 출력 대행 서비스의 이용 방법과 제작 과정에서 궁금해 하시는 관련 정보들을 종합적으로 소개합니다.
해당 산업에 대해서 기본적인 내용과 제작 프로세스에 대해서 숙지하고 계신 분들도 알아두면 유용한 정보들이 포함되어 있으니 끝까지 읽어주시길 부탁드립니다.
1. 왜 3D프린터인가
먼저 서비스에 대해 이야기 해보기 전에 시제품 제작 산업에서 3D프린팅을 활용해야 하는 이유는 무엇인지부터 알아보도록 하겠습니다. 3D프린터는 다양한 명칭으로 불려지고 있습니다.
- RP (Rapid Prototype)
- AM (Additive Manufacturing)
- 적층 가공 (또는 적층 제조)
- 쾌속 조형 기술
보통 이름이라고 하는 것은 때때로 대상의 특징을 효과적으로 나타내고는 합니다. 위에 3D프린터를 일컫는 다양한 명칭을 보면 알 수 있듯이 위 기술은 단기간에 재료를 적층하는 방식으로 시제품을 만들어내는데 효과적인 제조 방법입니다.
이와 같은 제조 기술의 특징이 제조 산업에서 크게 회자 되면서 국내에서는 2015년도부터 본격적인 3D프린터 출력 대행 서비스들이 출시하게 되었으며 말 그대로 3D프린터 붐(Boom)이 형성되었습니다.
3D프린터 출력 방식에도 다양한 형태가 있습니다. 해당 제조 방법과 특징에 대해서는 아래에서 다시 설명하겠지만 다양한 가공 방식을 활용하면 제품 개발 과정에서 샘플 제작이 요구될 때 적절한 대안이 될 수 있습니다.
많은 분들이 CNC 가공과 3D Printing 기술을 비교하고는 합니다. 그러나 2가지 제조 방법은 무엇이 좋고, 나쁘다로 구분하기 보다는 각각의 부족한 점을 보완할 수 있는 대안 중 하나로 생각하는 것이 올바른 인식이 아닐까 생각해봅니다.
CNC 가공 방식은 다른 말로 절삭 가공이라고도 합니다. 원재료를 깎아서 3차원의 입체 형상을 구현하기 때문에 표면 품질이 우수하고 우수한 정밀도, 엔지니어링 플라스틱부터 알루미늄, 스테인레스와 같은 금속 소재까지 다양한 재료를 가공할 수 있다는 장점이 있습니다.
반면에 3D프린터는 그렇지 못합니다. 물론 현재에 와서는 정밀도 부분은 많이 개선 되었지만 그럼에도 절삭 가공 방식과 비교하면 치수 오차 범위는 큰 편에 속합니다. 재료를 적층하는 방식으로 육안으로는 식별이 안될 수도 있지만 표면에 적층 라인이 형성되어 미세한 결이 발생하여 표면 조도가 저하 되기도 합니다.
또한 다양한 소재를 사용할 수 있다는 CNC 가공 방식에 비해서 활용 가능한 소재도 제한적인 측면은 큰 단점이 아닐 수 없습니다. 최근에는 적층 기술과 소재 개발을 통해서 일부 엔지니어링 플라스틱과 금속 소재도 적층이 가능하지만 CNC 가공품과 비교할 수준은 아닙니다.
그럼에도 불구하고 시제품 제작 산업에서 3D프린터 출력 대행 서비스가 활발하게 사용되고 있는 이유는 구현 가능한 디자인의 범위가 매우 넓고, 다품종 소량생산에 유리하다는 이점 때문입니다.
제품의 목업(Mock-up)을 제작할 때는 몇 가지 특징들이 있습니다. 먼저 제품 개발 단계에서 설계를 마치고 양산 전에 최종 검증 및 디자인 확인, 성능 테스트를 위한 목적으로 만들어지는 샘플의 개념이기 때문에 단품 내지는 소량 생산이 요구됩니다.
그러나 절삭가공법은 기본적으로 제품을 대량으로 생산할때 효과적으로 만들어내기 위하여 만들어진 가공 기술이기 때문에 이같은 소량 생산시에는 제작 효율성이 떨어지는 단점이 있습니다. 이뿐만이 아닙니다.
원재료를 깎아서 만드는 방식은 가공 장비에 장착된 공구(툴-Tool)이 접근하지 못하는 각도, 형태는 작업이 불가능하다는 문제가 있지만 3D프린터는 그렇지 않습니다. 원재료를 쌓아 올려서 제품의 형상을 만들어내기 때문에 세상에 존재하는 거의 모든 형태의 디자인을 별도의 후작업 없이 한번에 생산할 수 있습니다.
다양한 디자인의 구현 능력과 시제품 제작에 요구되는 다품종 소량생산의 효율성. 이 2가지가 3D프린팅 기술이 제조 현장에서 기존의 기계 가공법과 경쟁에서 살아남을 수 있는 가장 큰 특징입니다.
2. 서비스 이용 방법
그렇다면 3D프린터 출력 서비스를 활용하여 프로토타입(Prototype)을 만들고자 할 때 어떤 준비들이 필요할까요? CAD 데이터와 소재 정보, 수량, 원하시는 제작 사양 등 다양한 요구 조건들이 있습니다.
그러나 3D프린터 출력 업체를 통해서 샘플 제작을 진행하고자 하실때는 먼저 적층 가공 기술에 대한 기본적인 기술 특징과 종류 등 기본적인 개념은 숙지하고 제작을 진행하시는 것을 권장드립니다.
동일한 형태의 제품을 동일한 방식의 3D프린터로 출력한다고 하더라도 결과물의 품질은 크게 달라질 수 있습니다. 대표적으로 제작 장비의 사양에 따른 차이가 있습니다.
보급형 장비와 산업용으로 개발된 전용 장비의 가격은 많게는 100배 이상 차이가 납니다. 그러니 동일한 적층 방식을 사용하더라도 가공 과정에 사용되는 전용 장비의 스펙(Spec)에 따라서 결과물에 차이가 발생하는 것은 당연하겠죠?
물론 이 같은 차이는 곧 소비자 입장에서는 가격 부담의 증가로 이어질 수 있습니다. 그러나 시제품 제작 과정에서 중요한것은 저렴하게 만드는 것이 아니라, 제품 개발 단계에서 양산을 앞두고 확인해야 하는 요구 조건을 충분히 만족할 수 있는 수준의 결과물을 경제적으로 제작하는 것입니다.
그렇다면 아래에서 3D프린터 출력 대행 서비스를 지원하는 업체에서 가장 많이 사용하는 대표적인 적층 제조 방식 4가지에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
3. 3D프린터 종류
1) FFF or FDM 방식
국내에서 3D프린터 하면 떠오르는 가장 대표적인 이미지가 아닐까 합니다. 교육분야에서 제조 현장까지 다양한 산업군에서 활용되고 있는 적층 방법입니다.
열가소성 수지 적층 방식이라고도 부르는 이 기술은 실타래 같이 보빈에 감겨진 플라스틱 재료를 연필심처럼 생긴 압출부에 장착합니다.
압출부 내부에서 가열된 재료는 융용되어서 실처럼 가는 두께 압출되는데 이것을 제품의 밑 바닥부터 윗층까지 차례대로 쌓아 올리면서 제품의 형상을 구현합니다.
이와 같은 방식은 단기간에 샘플을 제작하는데 효과적이고 제작에 사용하는 가공장비의 사양에 따라 준수한 수준의 정밀도로 제품 목업을 만들어 볼 수 있다는 장점이 있습니다.
또한 아래 소개드리는 3D프린팅 방식과 비교했을 때 비용 부담 가장 적은 방식이라서 샘플 제작에 매우 높은 활용도를 보여주고 있습니다.
비용도 합리적이고 내구성도 뛰어나서 시제품 제작 분야에서 우수한 성능을 발휘하지만 가열 소재를 압출하여 적층하는 제조 방식의 특성상 표면에 발생하는 적층 라인(Layer line)으로 인해서 표면 조도는 다소 낮은 편이며 결방향 가압시 내구성이 낮은 아쉬움도 있습니다.
또한 복잡한 제품의 구조를 생산할 때는 지지대 역할을 하는 서포터(Suport)와 같은 부속 출력이 요구되는데 이 서포터를 제거하는 과정에서 2차 품질 저하가 발생하기 때문에 구현할 수 있는 디자인의 범위가 제한적이지는 않지만 비교적 단순한 형태의 샘플 제작에 활용하는 것이 바람직합니다.
2) SLA 방식
Stereo Lithography Apparatus 의 약어로 3D프린팅 기술의 시초라고 불리는 적층 제조 방법입니다. 열경화성 수지 적층 방식이라고도 불리는 이 기술은 매우 독특합니다. 레진과 같은 재료는 일정 파장 이상의 빛이나 자외선을 받으면 액체상태에서 경화되어 고체화 되는 성질이 있습니다.
이와 같은 레진의 재료 성질을 이용하는 3D프린터 출력 방식이 바로 SLA 방식입니다. 수조에 담겨 있는 수지에 레이저 빛을 조사하여 경화 시키고 다시 수조를 조금씩 Z축으로 움직여서 재료를 경화시키는 방법을 반복하여 제품의 형상을 가공합니다.
SLA 방식의 출력 품질은 곧 레이저의 정밀도와 비례한다는 말이 있듯이 매우 정밀한 수준으로 제품 제작이 가능하다는 장점이 있습니다. 표면 조도 역시 적층 라인을 육안으로 확인하기 어려울 정도로 뛰어나서 디테일과 정밀함이 요구되는 제작 과정에서 많이 활용되고 있습니다.
하지만 재료의 특성상 내구성이 많이 낮아서 취급에 주의가 요구됩니다. 또한 적용할 수 있는 재료가 한정적인 부분도 SLA 방식이 갖는 가장 큰 단점이라고 볼 수 있습니다.
3) SLS + SLM 방식
위 방식은 분말 소결 방식이라고 합니다. 파우더와 같은 재료를 경화시켜서 제품을 제작합니다. 3D프린터 출력 방식 중에서 금속 3D프린팅이 가능한 제작 방법이 있습니다. 바로 SLM 방식입니다. 금속 분말 입자를 가열하여 소재를 결합하는 방식으로 부품을 가공합니다.
다양한 엔지니어링 플라스틱부터 금속 재료를 적층할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이자 장점입니다. 하지만 분말 입자를 결합하는 방식으로 샘플을 가공하기 때문에 표면 조도가 매우 떨어지는 단점이 있습니다.
스티로폼으로 만들어진 박스를 떠올리시면 이해하기 좋습니다. 스티로폼 박스는 알갱이드의 입자를 부풀려서 결합하는 방식을 사용하는데 이로 인해서 표면에 미세한 굴곡들이 발생하게 됩니다.
SLS나 금속 3D프린터 출력한 결과물 역시 이와 같이 작은 입자들을 결합하는 방식을 사용하기 때문에 표면이 매우 거칠고 평탄하지 못해서 조도가 낮게 나타납니다.
그러나 현재 금속 가공 산업에서 많이 사용되고 있는 CNC나 5축 가공 장비는 소량 생산이 어려우며 구현할 수 있는 디자인의 범위도 매우 제한적이라서 가공이 불가능한 형상이 많은 반면에 분말 소결 방식의 3D프린팅을 사용하면 이와 같은 디자인의 제한을 크게 벗어나 시험품을 만들어 볼 수 있기 때문에 신제품 개발 과정에서 많이 활용되고 있는 대표적인 3D프린터 출력 대행 서비스 중 하나입니다.
4) Polijet 방식
마지막으로 소개드리는 적층 제조법은 폴리젯 방식입니다. 사무실이나 가정에서 많이 사용하는 잉크젯 프린터와 매우 유사한 매커니즘을 사용합니다. 위에 소개드린 SLA 방식에 사용되는 레진과 같이 일정 파장 이상의 빛을 받으면 경화되는 성질의 특수 잉크를 활용하여 풀컬러를 지원하는 3D프린터 출력이 가능합니다.
현존하는 3D프린터 중 가장 고가의 가격과 높은 활용성, 우수한 정밀도와 품질, 풀컬러 구현으로 차세대 시제품 제작 기술을 선도하는 대표 기술 중 하나로 얘기되고 있지만 운용 및 유지 비용, 출력 과정의 전문성과 고가의 재료 비용으로 인해서 아직 국내에서 3D프린터 출력 대행 서비스에 보편적으로 적용하기에는 다소 어려운 부분이 많습니다.
그러나 현재 국내에서도 이와 같은 특수 잉크 분사 방식을 활용하여 목업 제작 분야에서 사용하고 있는 사례들과 서비스 지원 업체들이 많기 때문에 시장 기대는 점점 늘어나고 있는 추세입니다.
4. 체크리스트
위에 소개드린 4가지 종류의 적층 제조 방식만 알아둔다면 향후 시제품 제작을 진행하실때 외주 업체의 선정에 큰 도움이 되실 수 있으니 잘 메모 해두셨다가 유용하게 사용하실 바랍니다.
그러면 기본적인 적층 가공 방식의 기본 개념과 특징에 대해서 알아보았으니 이제는 본격으로 3D프린터 출력 대행 서비스를 앞둔 이용자들이 사전에 준비해야 하는 항목들에는 어떤 것들이 있는지 알아보도록 하겠습니다.
1) CAD 데이터
먼저 2D 또는 3D 형태로 작성된 CAD 도면입니다. 3D프린터는 기본적으로 CNC와 같이 컴퓨터 수치 제어 기반의 자동화된 생산 반식을 적용합니다. 그래서 CAD 프로그램을 활용하여 작성된 디자인 설계 데이터가 존재하지 않으면 제품 제작이 불가능합니다.
그렇기 때문에 출력 업체를 통해서 견적을 문의하고자 하시는 분들은 먼저 해당 업체나 또는 디자인설계 전문 회사를 통해서 CAD 도면을 먼저 작성하는 작업이 선행되어야 합니다.
3D프린터 출력 과정에서 사용하는 CAD 프로그램이 특정되어 있는 것은 아니지만 일반적으로 많이 사용하는 툴로는 라이노(Rihno), 오토 캐드(Auto CAD), 인벤터(Inventer), Z브러쉬(Z-brush), 카티아(CATIA) 등이 있습니다.
어떤 캐드 프로그램을 사용하느냐 보다 중요한것이 어떤 확자장 명으로 제공하느냐입니다. 이것은 3D프린터 출력 대행 업체마다 차이가 있습니다. 저희 다만드러에서는 크게 5가지 확장자를 요청합니다.
파일 확장자명: .STP / .STEP / .OBJ / .3dm / .dwg
2) 소재 정보
다음으로 소재 정보입니다. 3D프린터도 매우 다양한 종류의 재료들이 있습니다. 각각의 3D프린터 출력 방식에 따라서 가능한것도, 불가능한 것도 있습니다.
- FDM 방식: PLA, ABS, PVA, PA, TPU, ULTEM, PEEK, PCTG 등
- SLA 방식: ABS like, 투명 소재
- SLS 방식: PA, Nylon, HST, 난연성 내연제 등
- SLM 방식: AL, SUS 등
- Polijet 방식: 경질 재료, 투명 재료, 탄성 재료 등
3) 주문 수량
출력작업을 의뢰하실 주문 수량은 곧 제품의 생산 방법과 기간, 견적을 산출하는데 영향을 줍니다. 일반적으로 3D프린터는 제품을 대량으로 생산하기에는 적합하지 않은 가공 방식입니다. 그렇기 때문에 초도 주문 수량은 1개부터 100개 내외의 수량이 권장됩니다.
4) 사용 목적
시제품은 크게 디자인 목업(Design Mockup)과 워킹 목업(Working mockup) 2가지 형태로 분류됩니다. 전자는 제품의 외관 형상 검토 및 사용성 평가를 목적으로 기업 내부 평가에 활용하는 경우가 많습니다.반면에 워킹 목업같은 경우는 앞서 말씀드린 평가 항목 이외에도 실제 제품의 기능과 성능을 평가하기 위한 기능 적용이 요구됩니다.
이와 같은 특징으로 인해서 제작 과정에서 발생하는 정밀도와 품질 등 다양한 요구 조건들이 반영되어야 하기 때문에 출력 과정에서는 3D프린팅 작업에 사용되는 장비의 사양과 적층 방식을 적절하게 선정할 필요가 있습니다.
또한 대외 활동을 통한 잠재고객 확보나 바이어 발굴을 위한 목적으로 전시회, 박람회 참석 혹은 내부 전시용 제품을 구상중이신 경우에는 외관 디자인의 품질 수준도 중요하기 때문에 추가 후처리 공정이나 도색 작업이 포함되어야 합니다.
이처럼 시제품의 제작 용도와 목적에 따라서 다양한 요소들이 고려되어 제작 방향을 설정하기 때문에 3D프린터 출력 대행 업체를 통해 서비스를 신청하실 때에는 사전에 위에 안내드린 4가지 항목에 관해서는 기본적은 계획이 수립되어 있어야 합니다.
오늘 포스팅에서 소개드린 3D프린터 출력 대행을 위한 준비 사항과 기본 개념이 도움이 되셨나요? 그렇다면 더 많은 분들이 관련 내용을 확인할 수 있도록 소개해주세요.
저희 다만드러는 경상남도 창원에 위치하고 있는 목업 제작 전문 업체입니다. 제품 디자인부터 시제품 제작, 모형 제작 등 적층 제조법을 활용하여 다양한 작업들을 지원하고 있는 제작 관련 도움이나 상담이 필요하신 분들은 다만드러를 찾아주세요.
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