3D프린터라고 해도 여러 방식이 있지만 개인용 3D프린터로 많이 보급되어 있고, 잘 알려진 플라스틱 등의 물질을 한층 더 쌓아 올리는 방식의 3D프린터는 ‘FDM’ 또는 ‘용융압출조형장치’라 불리는 ‘재료압출방식’ 방식으로 3D프린터의 다양한 방식 중 하나입니다.
적층방식의 3D프린터의 대표적인 방식 7가지는 ‘재료 압출방식’, ‘광경화방식’, ‘분말 용융 소결방식’, ‘재료 분사방식’, ‘접착제 분사방식’, ‘직접 용착방식’ 그리고 ‘박판 적층 방식’ 등이 있습니다.
3D프린팅 방식대표 기술재료 압출 방식(ME, Material Extrusion)FDM(Fused Deposition Modeling)/FFF(Fused Filament Fabration)”화경식 방광(PP, 빛 중합)스테레오리소그라피 장치 파우더 침대 퓨전(PBF)선택적 레이저 소결 법 료분 사식 방재(MJ, 매 테리얼 제트)Polyjet다중 분사 적층 장치접착제 분사 방식(BJ, Binder Jetting)ZPrinting/PBP(파워 침대 및 잉크젯 헤드의 3D인쇄)지향성 에너지 퇴적(DED, Directed Energy Deposition)LENS(레이저 엔지니어링 인터넷 쉐이핑)판박 층식(SL안전 적층)적층체 제조업
이번 포스팅에서는 이들 방식 중 ‘재료 압출방식’, ‘광경화방식’, ‘분말 용융 소결방식’ 세 가지에 대해 먼저 알아보겠습니다.
● 재료 압출 방식(ME, Material Extrusion) – 대표 기술 ‘FDM’ ‘재료 압출 방식(ME, Material Extrusion)’은 필라멘트 형태의 소재를 노즐을 통해 녹여 가느다란 실 모양으로 압출시켜 한 층씩 쌓아 3차원 형상을 제조하는 것으로 미국 스트라타시스(Stratasys)에서 개발한 ‘용융압출 조형장치(FDM, Fused Deposition Modeling)’가 대표적인 기술이며 개인용 3D 프린터로 가장 일반화된 방식입니다.
< FDM 방식 >
FDM 방식은 레이저를 이용하지 않기 때문에 상대적으로 저렴하게 장비를 제작할 수 있는 반면 모형을 층이 쌓아가는 방식이어서 완성된 모형을 보면 인쇄된 면에 계단처럼 층이 있을 수밖에 없습니다.
또한, 열에 의해 재료가 식어 변형 및 수축이 발생할 수 있으므로 정밀한 모형 제작에는 한계가 있으며 재료를 녹여 도포하여 다시 굳히는 과정이 필요하므로 출력 속도가 느리다는 단점이 있습니다.
주원료로서 열가소성 수지인 PLA, ABS, 스티렌 등을 필라멘트(섬유) 형태로 가공하여 사용합니다.
‘FDM’이라는 용어를 많이 쓰는데, 이는 스트래타시스에 상표권 등록이 되어 있기 때문에 다른 상용화 장비 회사들은 같은 기술을 사용한 3D 프린터라 하더라도 ‘FDM’이라는 용어를 사용하지 않고 ‘FFF(Fused Filament Fabification)’ 등 다른 용어를 사용합니다.
< FDM 작업사진, 출처: 3D Natives Web – News >
● 광경화방식(PP, Photo Polymerization) – 대표기술 ‘SLA’ ‘광경화방식(PP, Photo Polymerization)’은 액상 폴리머를 광에너지를 이용해 선택적으로 경화시켜 3차원 형상을 제조하는 것으로 미국의 3D 시스템즈(3D Systems)를 설립한 찰스 헐 박사가 개발한 ‘광조형장치(SLA, Stereo Lithography Apparatus)’가 대표적인 기술입니다.
< SLA 방식 >
이는 액체 상태의 광경화성 수지가 들어간 수조 내에 저전력 고밀도 UV 레이저를 비춰 형상을 만들고자 하는 부분을 한 층씩 굳히는 방식입니다.
< SLA 방식 3D 프린터, 출처: FormLabs Blog >
● 분말 용융 소결 방식(PBF, Powder Bed Fusion)-대표 기술”SLS””분말 용융 소결 방식(PBF, Powder Bed Fusion)”은 분말 재료의 챔버 내에서 레이저를 이용하고 선택적으로 용융 및 소결시키고 3차원 형상을 제조했지만 지금은 3D시스템에 합병된 미국의 DTM사에서 개발한 “선택적 레이저 소결 장치(SLS, Selective Laser Sintering)”이 대표적인 기술입니다.
SLS는 금속, 플라스틱, 세라믹, 유리, 고분자 복합 소재 등을 가루 모양의 예쁜 분말 상태로 얇게 뿌린 뒤 형상을 만드는 지점에 SLA에서 사용하는 레이저보다 강한 CO2레이저를 사용하고 분말을 녹여서 다시 다지고 층을 만들어 레이저 소결 후 롤러를 통해서 분말 재료를 다시 얇은 올리는 레이저 소결 하는 것을 반복하면서 3차원 형상을 제작하는 장치입니다.
< SLS 방식 >플라스틱부터 세라믹, 알루미늄, 코발트 등 금속까지 레이저로 소결할 수 있는 재료라면 무엇이든 활용할 수 있어 결과물의 다양성을 도모할 수 있고 제품의 강도가 높으며 FDM 등 다른 방식에 비해 출력 속도가 상대적으로 빠르고 복잡하며 정밀한 모형을 만들 수 있어 우주항공, 의료, 자동차 부품 제작 등 다양하게 사용되고 있습니다.
그러나 프린터 내부에 롤러 장치 및 고가의 레이저 소스가 필요하고 장비가 고가이며 표면이 거칠어 탄성이 떨어진다는 단점도 있습니다.
PBF 방식은 금속 장비 중 판매 비율이 90% 이상을 차지하는데, 이는 부품의 복잡한 형상 구현이 가능해 경량화하는 데 유리한 방식이기 때문입니다.
<SLS 후 작업장면, 출처 : 3D Systems web>이상에서 언급한 세 가지 방식이 현재 산업계에서 가장 대표적인 3D 프린터 방식인데 ME, PP, PBF 등의 방식 자체의 이름과 함께 각 사의 대표적인 기술명, 즉 ‘FDM’ ‘SLA’ ‘SLS’ 등의 용어도 3D 프린터 관련 자료를 볼 때 많이 등장합니다.
조형 방식이나 재료의 재질에 차이가 있지만 재료 형태로 구분해 보면 FDM은 섬유(필라멘트), SLA는 액체, SLS는 분말 파우더를 주로 사용합니다.
이상에서 언급한 세 가지 방식이 현재 산업계에서 가장 대표적인 3D 프린터 방식인데 ME, PP, PBF 등의 방식 자체의 이름과 함께 각 사의 대표적인 기술명, 즉 ‘FDM’ ‘SLA’ ‘SLS’ 등의 용어도 3D 프린터 관련 자료를 볼 때 많이 등장합니다.
조형 방식이나 재료의 재질에 차이가 있지만 재료 형태로 구분해 보면 FDM은 섬유(필라멘트), SLA는 액체, SLS는 분말 파우더를 주로 사용합니다.
이상에서 언급한 세 가지 방식이 현재 산업계에서 가장 대표적인 3D 프린터 방식인데 ME, PP, PBF 등의 방식 자체의 이름과 함께 각 사의 대표적인 기술명, 즉 ‘FDM’ ‘SLA’ ‘SLS’ 등의 용어도 3D 프린터 관련 자료를 볼 때 많이 등장합니다.
조형 방식이나 재료의 재질에 차이가 있지만 재료 형태로 구분해 보면 FDM은 섬유(필라멘트), SLA는 액체, SLS는 분말 파우더를 주로 사용합니다.