이 글에서는 제품 개발 과정 중 하나인 시제품 제작 단계에서 활용할 수 있는 4가지 3D프린터 출력 방식을 소개합니다. 이 글을 통해서 여러분은 3D프린팅 제작 과정은 어떻게 진행되는지 파악할 수 있으며 3D프린터 출력 방식에 따른 차이점과 프로토타입(Prototype) 제작에 대한 전반적인 흐름을 이해할 수 있으니 끝까지 읽어 주시길 당부드립니다.
3D프린터란 무엇인가?
적층가공(AM: additive manufacturing), RP(Rapid Prototype) 등 다양한 명칭으로 불리고 있으며 통상적으로 3D 프린터(3D Printer)로 많이 알려져 있습니다. 3D 프린팅 기술을 재료를 얇은 두께로 한 층씩 차례대로 쌓아 올리면서 3차원의 입체 형상을 구현하는 제작 방법을 말합니다. 국내에서는 FDM, SLA, SLS, Polyjet 방식이 주로 알려져 있으며 각각의 종류에 따른 특징들은 본문에서 자세하게 알아보도록 하겠습니다.
3D프린팅 제작 방식 4가지
FDM 방식 (또는 FFF)
Fused deposition modeling 또는 Fused filament fabrication의 약어로 사출 성형의 원료로 사용되는 펠릿(Pelet)을 가공하여 만든 필라멘트(filament)라고 부르는 롤 형태의 소재를 사용하여 압출하는 방식입니다. 국내는 물론 전세계적으로 가장 보편화된 3D프린팅 제작 방식으로 비교적 단순한 매커니즘과 유지 보수 및 운용이 쉽고 간편하기 때문에 산업 현장은 물론 교육, DIY 등 범용성 넓게 활용되고 있는 적층 가공 방식입니다. 주로 활용되는 원료로는 PLA, ABS, PVC, HIPS 등이 있으며 최근에는 커피 찌거기, 페플라스틱을 활용한 재생소재 분야에서도 3D프린팅 기술이 접목되어 각광 받고 있습니다.
FDM 방식은 익스트루더(Extruder) 라고 부르는 압출부를 통해서 필라멘트를 가열하여 연필심처럼 생긴 노즐(Nozle)을 통해 0.1mm~0.4mm의 얇은 직경으로 재료를 압출하여 내부 채움(In fill)과 레이어(Layer)라고 부르는 외벽을 한 층씩 쌓아 올리면서 입체 형상을 구현합니다. 이러한 제작 방식은 시제품 제작에 소요되는 불필요한 제작 공정을 최소화하여 제품 생산까지 리드타임(Lead Time)을 획기적으로 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 실처럼 가늘게 세어나오는 소재를 미세한 두께로 적층하는 과정에서 발생하는 치수 오차 발생과 고온에서 가열된 재료가 노즐을 통해 압출되면서 외부 환경에서 급속도로 냉각되는 과정을 거치면서 발생하게 되는 수축 문제와 변형(ex 바닥 레이어의 뜨는 현상)으로 정밀함을 요구하는 산업 분야에서는 활용성이 다소 아쉬운 부분이 있습니다. 주로 디자인 검증이나 간단한 테스트를 위한 샘플 제작 용도로 많이 사용되고 있습니다. (ex 디자인 목업)
SLA 방식
Stereolithography의 약어로 레이저와 같은 일정 파장 이상의 빛을 받으면 액체 상태에서 경화되어 고체화 되는 성질을 가진 광경화성수지(ex 레진:resin)를 이용한 3D프린팅 제작 방법입니다. 광중합체 또는 포토폴리머 경화 방식이라고도 부르며 위에 소개 드린 FDM 방식의 3D프린터 출력 방식의 한계로 지적되는 여러 가지 단점들을 크게 보완하고 뒤에서 소개할 정밀 3D프린팅 기술 중 하나인 폴리젯(Polyjet) 방식에도 적용되고 있는 만큼 기대 가치가 큰 3D 인쇄 기술입니다.
SLA 방식은 수조에 채워진 레진에 레이저 빛을 조사하여 경화시키면서 얇은 레이어(Layer)를 차츰차츰 쌓아가는 방식으로 제작됩니다. 때문에 FDM 방식에 비해서 제작 속도는 느린 편이지만 기하학적이고 복잡한 구조의 디자인을 구현하는데 매우 뛰어나며 치수 오차 범위가 적어 매우 정밀하고 디테일한 작업이 요구되는 경우에 주로 활용됩니다. 이렇게 정밀 3D프린팅 시장에서 중요한 제작 기술 중 하나로 인정받고 있는 것이 SLA 방식이지만 다른 3D프린터 출력 방식들에 비해서 활용할 수 있는 재료가 한정적이고, 유해 물질 발생으로 인한 안전성 문제와 낮은 경도, 내열성 등의 아쉬움이 있습니다. 주로 단순 외관 확인을 위한 샘플 제작에 주로 활용되며 정밀한 작업이 요구되는 피규어와 같은 모형 제작 산업에서 가장 많이 활용되고 있습니다 (ex 디자인 목업+워킹 목업)
SLS 방식
Selective Laser Sintering의 약어로 우리말로 해석하면 선택적 소결 방식으로 풀이할 수 있습니다. 소결이란 고체 상태의 재료에 녹는 점 이하의 열을 가하여 조직간의 융착을 통해 하나의 형태로 결합하는 것을 말합니다. SLS 방식의 3D프린팅 기술은 분말 소재를 활용합니다. 소결 공정은 레이저의 성능에 ᄄᆞ라서 결과물의 품질 부분에 큰 영향을 주기 때문에 위에 소개드린 2가지 방식에 비해서 운용 난이도가 높은 편에 속합니다.
분말 소재를 이용한 3D프린팅 제작이 가능하다는 점은 활용가능한 소재의 범위가 매우 넓다는 것을 의미합니다. 알루미늄(AL), 스테인레스(SUS)와 같은 금속 재료는 물론 엔지니어링 플라스틱 등 소재 활용 범위가 매우 넓은 것이 특징이자 장점이지만 분말 재료를 융착하는 과정에서 발생하는 표면 조도의 저하와 치수 오차로 정밀도는 다소 아쉬운 편입니다. 그러나 활용 가능한 소재 범위가 넓고 내구성, 내열성 부분이 우수하기 때문에 제품에 요구되는 특성을 고려하여 적절하게 사용할 경우 활용 가치가 높은 제작 방식이 아닐까 생각됩니다.
Polyjet 방식
마지막으로 소개드리는 3D프린팅 제작 방식은 폴리젯 방식입니다. 시제품 제작 분야에서 가장 우수한 성능을 자랑하는 3프린팅 기술로 사무실, 가정에서 사용되는 2D 잉크젯 프린터와 원리가 비슷하다고 해서 잉크젯 방식의 3D프린터로도 많이 불려지고 있습니다. SLA 방식과 마찬가지로 열경화성 수지를 사용하며 빌드 트레이에 분사된 재료 위로 UV 램프 빛을 조사하여 적층하는 방식을 사용합니다. 폴리젯 방식은 매우 정밀하며 사용 할 수 있는 소재의 범위도 넓고 출력 과정에서 컬러(CMYK) 구현이 가능하다는 장점이 있습니다. 현재 활용되고 있는 산업용 3D프린팅 제작 기술 중에서 가장 활용성이 유연하며 정밀도가 높은 기술이라고 생각됩니다. 그러나 장비의 가격이 워낙 비쌀뿐만 아니라 재료 수급, 운용에 전문성이 요구되기 때문에 기업 내주에서 자체적으로 운용하기에 어려운 부분들이 있습니다. 비슷한 방식으로 CJP(Color Jet Printing), MJP(MultiJet Printing) 등이 있습니다.
위에서 소개드린 총 4가지의 대표적인 3D프린팅 제작 방법의 특징들을 알기 쉽게 표로 간략하게 요약하는 것으로 오늘 포스팅을 마치겠습니다. 다만드러는 3D프린팅을 활용한 시제품 제작 및 모형 제작 전문 업체입니다. 오늘 소개 드린 사례들은 전부 다만드러에서 작업한 실제 사례들로 작성되었으며 더 많은 내용은 3D프린터 출력 대행, 서비스 제공 사례를 통해서 확인하실 수 있습니다.
항목 | FDM | SLA | SLS | Polyjet |
|---|---|---|---|---|
소재 | 열가소성 수지 | 열경화성 수지 | 분말 | 열경화성 수지 |
표면 조도 | 보통 | 우수 | 낮음 | 매우 우수 |
내구성 | 우수 | 낮음 | 우수 | 보통 |
정밀도 | 낮음 | 보통 | 낮음 | 우수 |
가격 | 낮음 | 보통 | 높음 | 매우 높음 |
출처: 3D프린터 출력 방식 소개