3D 프린터 기술은 삼차원 형상 구현을 가능하게 하는 전도유망한 기술입니다. 종이에 텍스트를 인쇄하는 것과는 달리 입체로 모양을 만들 수 있다는 점에서 의미가 깊습니다. 컴퓨터 속의 자료를 입체로 인쇄하기 위해서는 먼저 3D 도면이 있어야 하며 이 도면을 3D 프린팅 언어로 변환하면 기계가 움직이면서 적층 방식으로 출력하게 됩니다. 적층 방식은 한 줄 한 줄 레이어를 쌓는 방식으로 모양을 만들어내는 방식입니다. 지층처럼 먼저 쌓인 레이어 위에 새로운 레이어가 올라가는 방식입니다.
3D 프린팅은 10년쯤 전부터 폭발적인 관심을 갖게 된 기술로 국내외를 불문하고 기업 단위에서 개인 단위까지 해를 거치며 상용화되고 있습니다.
소량 생산의 대표 3D 프린팅과 CNC 작동 원리 비교
몰드를 제작해서 같은 모양으로 여러번 만들어내는 사출 금형 방식과는 달리 3D 프린팅 기술은 인쇄 방식이기 때문에 대표적인 다품종 소량 제작 기술로 알려져 있습니다. 제조 과정에 익숙한 분들이라면 프린팅 말고 다른 소량 제작 방식 하나를 떠올리실텐데요. 바로 CNC 가공이죠. CNC 가공방식도 소량 제작에 특화되어 있지만 큰 재료판을 깎아가면서 모양을 만든다는 차이점이 있습니다. 프린팅은 쌓아서 모양을 만드는 적층 원리(addictive manufacturing)이고 CNC는 깎으면서 모양을 만드는 절삭 원리(subtractive manufacturing)이기 때문에 프린팅은 더하기, CNC는 빼기에 비유할 수 있을 것 같아요.
하지만 어떤 것 하나가 더 좋고 어떤 것은 나쁘다고 말하기는 어렵습니다. 3D 프린팅이 재료 사용의 측면에서 효율이 더 높기는 하지만 CNC 가공이 정밀도가 높고 강도도 높은 편입니다. 상황에 따라 우선순위를 설정하여 선택 해야 합니다.
3D 프린팅 소재
3D 프린팅 기술에 사용하는 소재는 어떤 프린터 방식을 이용하는지에 따라 달라집니다. 플라스틱, 광경화 액상 레진, 금속 등 다양한 소재로 제작이 가능합니다.
3D 프린터 활용 분야
3D 프린팅 기술은 이론적으로는 어떤 모양의 물건도 만들 수 있다고 알려져 있습니다. 3D 프린팅으로 인공 장기를 만들었다는 뉴스가 작년에 대서특필되어서 들어본 분들이 많으실 것 같아요. 이처럼 입체 프린팅 기술은 의료 분야는 물론, 항공·우주 산업, 자동차 산업, 건축, 패션, 식품, 교육 등등 경계 없이 활용되고 있습니다.
3D 프린팅의 장단점
3D 프린팅 방식에는 세분화된 종류가 나뉘지만 일반적인 포괄적으로 다른 제작 방식과 비교했을 때 3D 프린팅이 갖는 장단점을 먼저 알아보고자 합니다.
장점
소재 사용 효율성
절삭 가공 방식인 CNC와 비교했을 때 3D 프린팅은 소재 사용의 효율성이 높습니다. 절삭은 큰 덩어리에서 잘라내기 때문에 소재의 낭비가 큰 편이지만 적층 방식은 원하는 모양에만 소재를 녹여 층층이 쌓아 올리기 때문에 원하는 모양을 만들기에 필요한 양만 소재를 사용하게 됩니다.
복잡한 형상 제작
복잡한 형상도 층별로 쌓아올리기 때문에 제한 없이 제작 가능합니다.
다품종소량생산
소량 제작에 적합한 방식이기 때문에 1, 2개의 제작도 가능합니다. 외관 디자인 테스트 등으로 양산 전 샘플 단계에서도 적용할 수 있습니다.
쉬운 수정
3D 설계 변경으로 새로운 모양을 인쇄할 수 있기 때문에 간단하게 제작할 수 있습니다.
단점
비싼 대량생산 비용
프린팅은 소량 제작에 최적화되어 있는 방법입니다. 금형을 이용한 제작 방식은 수량이 늘어날수록 비용 효율이 높아져 단가가 저렴해지지만 프린팅은 수량이 많아져도 비용 효율이 생기지 않고 시간도 오래 걸립니다.
한정된 색상 표현
프린팅 방식은 아직 다른 공정에 비해 표현할 수 있는 색상이 제한적입니다.
낮은 정밀도
절삭 가공에 비해 정밀도가 낮은 편입니다. 초기 3D 프린터보다 현재 정밀도는 많이 개선된 상태입니다.
낮은 강도
적층 가공 방식의 특성 상 강도와 내구성이 약합니다. 쉽게 깨지거나 변형이 올 수 있어 주의가 필요합니다. 특히 배송 중 파손되는 경우도 있어서 배송 단계에서도 꼼꼼한 포장이 필요합니다.
제작 프로세스
1. 모델링(modeling)
입체 형상 인쇄를 위해서는 첫 단계로 모델링이 준비되어 있어야 합니다. 일반적으로 CAD를 많이 사용하는데요. 각자 사용하시는 3D 모델링 프로그램을 이용해 데이터를 만들어야 합니다. 이 데이터가 있어야 제작이 가능하고 제작 시 필요한 견적, 소요 시간 등을 예상할 수 있습니다. 3D 모델링 파일은 STP 파일로 전달해주시면 다만드러에서 확인이 가능합니다. 원하는 소재가 있다면 함께 전달해주시면 되고 중요하게 생각해야 하는 특징에 따라서 프린팅 기법을 다르게 적용하게 됩니다.
2. 프린팅(printing)
도면을 바탕으로 실제 프린팅 작업을 하는 단계입니다. 프린팅 전문 업체에 도안을 보내면 인쇄에 용이하도록 수정 단계까지 거친 후에 실제 프린팅 작업하게 됩니다. 도안 모양대로 기계가 자료를 읽어내 층을 연속을 쌓게 되는데 이 과정은 크기와 인쇄 방식에 따라 소요 시간이 달라집니다. 수일 이내에 완료됩니다.
3. 후가공(post-processing)
3D 프린팅 방식으로 만들어진 형상은 인쇄 방식에 따라 조금씩 차이가 있지만 적층 방식 단계에서 모양이 흐트러지지 않도록 도와주는 지지대가 생기기도 합니다. 인쇄가 완료되고 나면 이 지지대를 제거해주어야 하는데요. 프린팅이 완료되면 지지대를 제거하고 사포질로 표면을 다듬어주기도 합니다. 또한 제작 방식에 따라 적층 형태의 결이 많이 남기도 해서 표면 결을 매끈하게 만들기 위한 작업이 추가되기도 합니다. 장단점 영역에서 프린팅은 색상 표현에 제한이 있다고 언급했습니다. 그래서 프린팅으로 제작하되 색상을 다양하게 표현하고 싶다면 후처리를 통해 도색하는 방법으로 안내가 가능합니다. 하나의 인쇄물이 하나의 완제품 형태로 만들어지기도 하지만 이 제작 방식은 다품종 소량 생산에 특화되어 있어 여러 개의 부품을 제작할때도 사용할 수 있습니다. 각각의 파트를 인쇄해 조립하는 것도 후처리 단계에서 진행되는 업무입니다.
4. 포장 및 발송(package)
다른 제품 제작과는 다르게 프린팅은 샘플 단계에서 많이들 적용하는 방식으로 판매용이 아닌 진열, 테스트용 목적으로 만들어집니다. 그래서 디자인적 요소를 가미한 포장은 해당되지 않습니다. 다만 내구성이 약한 제작 방식을 이용하기 때문에 파손을 방지하는 데에 초점을 맞추고 각종 완충제를 이용해 포장하게 됩니다. 발송까지의 기간도 고려해서 일정을 잡으시는 편을 권장드립니다.
대표적인 3D 프린팅 방식과 특징
대표적인 공정으로는 압출 적층 조형 방식인 FDM(Fused deposition modeling), 선택적 레이저 소결인 SLS(Selective laser sintering), 광경화수지 조형방식인 SLA(Stereolithography) 마스크 투영 이미지 경화방식인 DLP(Digital light processing)가 있습니다. 각 방식은 제작 과정에서 어떤 원리를 이용하는지, 어떤 소재를 이용하는지에 따라 이름 붙여졌습니다.
FDM
FDM 방식은 가장 대중화된 기술로 FFF(Fused filamnet fabrication)이라고 불리기도 합니다. 고온의 노즐에서 필름형태로 압출하여 적층하는 방식으로 ABS 같은 열가소성 소재를 활용합니다.
SLS
SLS 방식 또한 열가소성 수지를 이용하며 파우더 위에 레이저를 쏘면 레이저가 닿은 파우더가 단단해집니다. 분말을 소결하는 방식으로 만들어지기 때문에 별도의 지지대가 필요 없습니다.
SLA
SLA방식은 앞선 두 가지와 달리 광경화성 수지를 이용합니다. 액체상태의 원료를 이용합니다. 레진이 SLA 출력 방식의 대표 소재이기 때문에 투명한 인쇄물을 원하는 경우 투명 레진으로 인쇄 작업을 하게 됩니다. 역사가 가장 긴 인쇄 방식으로 알려져 있습니다.
DLP
DLP 방식 또한 광경화성 수지에 액체 상태의 원료를 이용합니다. 하지만 SLA와의 차이점이 있습니다. SLA는 레이저를 이동시키면서 조형한다면 DLP 방식은 레이저가 아닌 프로젝터 형태로 한 면을 한 번에 인쇄하는 방식입니다.
그밖에 DMLS(Direct metal laser sintering), EBM(Electron bean melting), SLM(Selective laser melting), SHS(Selective heat sintering), LOM(Laminated object manufacturing) 등의 공정이 있습니다.