Tech Trend - 미래 창조의 주역 3D 프린터
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3D 프린터는 디지털 디자인 데이터를 이용하여 특수소재를 적층하는 방식으로 3차원 물체를 인쇄하듯 만들어내는 장치이다.
조형공정상의 가장 큰 특징으로는 재료를 한 층 한 층 순차적으로 적층하여 형상을 조형하여 제작하는 것으로, 이는 소재 자체를 공구에 의해 절삭하여 형상을 제작하는 가공이 가지는 조형 능력 면에서의 제작 형상에 한계를 뛰어넘는 것으로서 모델링된 어떤 3D 형상도 제작이 가능한 기술이다.
3D 프린팅에 사용되는 소프트웨어
3차원 데이터를 모델링하여 출력하고자 하는 대상 객체의 정밀한 데이터를 제작(또는 3D 스캐너를 이용하여 데이터 획득)하는 기술과, 서포트 구현 기술, 생산성 및 정밀 제조를 위한 적정 Layer 배분을 위한 슬라이서 기술 등이 있다.
3D모델링 프로그램으로는 MAYA, 3D MAX, Rhinoceros 등의 프로그램이 있다.
먼저, 3D 디자인을 구상하여 설계하고, 두 번째로 지지대(서포터)를 설치한다.
마지막으로 제작된 3D 데이터를 슬라이싱 작업하여 프린터로 보내기 위한 파일로 변환한다.
3D 프린터 방식
3D 프린팅 방식은 사용되는 재료에 따라 아래와 같이 분류할 수 있다.
분말재료를 이용한 방식, 고체 상태의 재료를 이용한 방식, 얇은 판/시트 재료를 이용한 방식, 액형 기반의 재료를 이용한 방식 등이다.
먼저 분말재료를 이용한 방식에는 SLS, DMT, 3DP가 있다.
SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결 조형) 방식은 분말재료에 레이저를 선택적으로 주사하여 서로 용융점이 다른 분말을 바인더 없이 용융착시키는 소결 방식이다.
강한 레이저를 조사하여 금속계의 분말재료를 소결하는 것이 가능하며, 장비가격이 가장 높으나 조형속도는 가장 느리다.
DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling, 레이저 금속 성형 기술) 방식은 고출력 레이저빔을 이용하여 금속분말을 녹여 붙이는 방식으로 일반 산업용 합금분말을 사용한다.
제품과 금형의 재생 / 보수 / 리모델링 및 고가의 특수합금제품을 제작하는 데 적합하며, 2종 이상의 다른 합금을 사용하여 내부구조물을 갖는 금속제품 제작이 가능하다.
3DP(3 Dimensional Printing, 파우더 분사) 방식은 얇은 파우더 층에 액상 바인더를 프린팅 헤드를 통해 번갈아 분사하여 한 층 한 층(Layer by Layer) 적층해 가며 모델을 조형하는 Inkjet Printing 기술을 사용한다.
두 번째로, 고체 상태의 재료를 이용한 FDM(Fused Deposition Modeling, 용융수지 압출 조형) 방식이 있다.
대부분의 3D 프린터들이 채택하는 방식이며, 저렴한 교육용 제품도 있다. 필라멘트나 와이어(Wire)상태의 고체 수지 재료를 용융 압출 헤드에서 녹여 모델을 적층 조형하는 기술이며, 2개의 노즐을 통해 분사도 가능하다.
플라스틱 계열 중 재료강도가 가장 높으며, 고온을 사용하여 고체 필라멘트를 용융시킨다.
세 번째로 소개할 방식은 LOM(Laminated Object Manufacturing, 개체 접합 조형, 얇은 판/시트 재료를 이용) 방식이다.
재료의 공급 형태가 종이(Paper), PVC 시트 또는 금속 라미네이트와 같은 경우로 이러한 시트들은 두루마리나 잘린 시트 형태로 RP시스템에 공급된다.
대표적인 방식은 종이를 레이저로 절단한 후 열이 나는 롤러로 압착하는 방식, PVC 시트를 칼날로 자르면서 접착하는 방식, 종이를 칼날로 자르면서 열로 압착하는 조형 방식 등이 있다.
이 방식은 화학반응이 필요하지 않아 친환경적이며, 후처리공정이 필요 없다. 단점으로는 재료 소모가 많다는 점이다.
마지막으로 액형기반의 재료를 이용한 방식은 SLA, PolyJet, DLP로 분류된다.
SLA(Stereo Lithography Apparatus, 광경화 수지 조형) 방식은 액체 상태의 재료를 레이저나 강한 자외선을 이용 한 층 한 층 경하시켜 결과물을 제작하고, 재료는 레이저나 빛에 반응하면 곧바로 경화되기에 주로 광경화성 수지를 사용한다.
미국 3D Systems사에서 처음 개발, 사용화된 관계로 대표적인 이름이 SLA 또는 SL방식으로 줄여 칭하기도 한다.
대체로 고가의 대형장비 위주이며, 넓은 조형 플랫폼을 갖추고 있고 Laser를 사용하여 매우 정확하고 출력물의 표면이 매끈하나, 조형 속도는 비교적 느린 편이다.
PolyJet(Photopolymer Jetting Technology, 잉크젯+광조형 혼합기술) 방식은 잉크젯기술과 광경화성 수지 기술이 결합된 고해상도의 3차원 플랫폼으로, 800개의 노즐을 통해 분사되는 액상의 광경화성 수지를 자외선으로 동시 경화시켜 가며 모델을 만드는 방식이다.
매우 조용하여 사무환경에 사용이 적합하며 매끄러운 표면의 출력이 가능하다.
DLP(Digital Light Processing, 마스크 투영 이미지 경화) 방식은 미국 TI(텍사스 인스트루먼트)에서 최초로 개발한 기술이며, 이 방식은 광경화성 수지에 조형하려는 형태의 이미지를 조사하여 수지를 경화시킴으로써 한 층씩 적층하는 방식의 3D 프린터이다.
수조(V.A.T)라고 하는 밑면이 편평하고 투명한 재질의 통 속에 액체 상태의 수지를 넣고 밑에서 빔프로젝트를 사용하여 빛을 쏘아 출력한다.
우선 3D CAD로 제작된 슬라이싱 데이터를 레이어 별 각각의 그림데이터(Bitmap)로 전환하여 소프트웨어 상에서 디지털 마스크를 생성한다.
그 후 DLP Projection 장치에서 고해상도의 프로젝션광으로 광경화성 수지에 마스크 투영하여 모델을 조형하는 원리이다.
유일한 면단위 조형방식으로 작업속도가 빠르고 균일하며, 정밀도가 우수한 것으로 평가되고 있다. 별도의 주재료가 소모되지 않는다.
3D 프린팅의 응용 사례
3D 프린팅의 응용분야는 향후 소재 개발에 따라 무궁무진해질 것으로 기대된다.
기업들은 자사 제품의 개발주기를 단축하고 보안성을 높이기 위해 3D 프린터를 도입하고 있다. 핵심 제품을 개발, 출시하는 데 3D 프린터를 적극 활용하고 있으며, 3D 프린터를 활용할 수 있는 분야는 귀금속, 치과의료, 기자재, 심지어 보청기의 실물모형 제작까지 그 응용범위가 무궁무진하다고 하겠다.
(1) 자동차 분야
자동차처럼 유선형의 대칭형상을 주로 제작할 때 신속 조형기술은 매우 정확하고 정밀하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
특히 기존 클레이 모형 제작보다 작업시간이 매우 빨라 생산적인 작업이 가능하며, 대시보드, 바디패널 등 시제품 제작 영역에 적용되고 있다.
(2) 의료 분야
정교하게 만들 뿐만 아니라 인체에 무해한 재료를 활용하여 치과 관련이나 보청기 등 의료 분야에서 각광 받고 있고 개개인 맞춤형 의료 기기나 의료 기구를 손쉽게 제작할 수 있기 때문에 가장 활용도가 높은 분야이다.
인공치아, 인공관절 등 보형물을 제작하여 인체에 적용하고 있으며, 바이오프린팅을 통한 인공장기 및 인체조직을 제작하는 단계에 이르렀고 인공혈관을 만드는 데 성공한 사례도 있다.
(3) 주얼리(Jewellery) 디자인 분야
수작업이 거의 불가능한 복잡한 형상도 RP라면 어렵지 않게 가능하기에 정교함을 요구하는 주얼리 분야는 매우 실질적인 활용분야이다.
특히 재료 자체가 완전 연소되기에 직접 주조가 가능하고, 이것은 바로 제품 생산이 가능하다는 것으로 생산시스템의 역할을 하게 된다.
체형 맞춤 속옷이나 무료 다운로드 가능한 신발의 디자인을 제공하여 소비자가 직접 3D 프린터를 통하여 제작이 가능하다.
(4) 애니메이션 캐릭터/완구 분야
하나의 피규어를 수작업으로 제작하기 위해서는 숙련자의 조각솜씨와 감각이 절대적이지만, 3차원 모델링된 캐릭터는 RP 장비를 이용하여 출력하면 매우 빠르고 정확하게 출력이 가능하다.
(5) 건축 분야
주로 스케일 모델을 제작하는 건축 모형은 섬세한 부분이 많고, 반복적인 패널의 형상이나 구조들이 수작업으로 하기는 비효율적이지만 RP는 이러한 우려를 해결해 준다.
현재 BIM과 연계하여 다양한 시뮬레이션과 비선형건축 형상 제작에 최적의 효과를 누릴 수 있다.
(6) 가전 / 전자 분야
소비자 가전제품의 프로토타입 제작에 적합하며, 개발자가 모델링한 데이터를 바로 출력해 볼 수 있어 개발 기간 단축 및 개발비 절감에 유리하다.
3D 프린팅 기술로 인해 기업 교육현장에서 아이디어 공유 및 보다 많은 창조적 아이디어 계발이 이루어지게 되었다.
기업의 경쟁력 개선과 아이디어 기반의 창업 확대, 프로젝트 비용 시간 절약은 물론, 다양한 산업분야에 새로운 일자리를 창출하게 될 것으로 기대를 모으고 있다.
(7) 우주 분야
기존의 생산 기술이 닿지 못했던 영역에서 제조업의 신가치창출 및 글로벌 제조가 가능해지고 있으며 우주기지 개발에 적용하여 3D 프린터 로봇이 달 표면 암석을 흡입, 분쇄하여 이를 재료로 달기지 구축에 활용가능하다.
3D 프린팅 산업의 미래
진화된 교육환경을 제공하여 시제품 및 실험교재를 학생 또는 수업의 특성에 맞게 제작이 가능하고, 교육 보조재 비용감소로 교육기회의 평등에 기여할 것으로 예상된다.
수요자 중심의 교육체계 구축, 학교 중심의 교육에서 벗어나 가정과 개방된 곳에서 3D 프린팅을 통해 교육 콘텐츠를 얻을 수 있는 패러다임이다.
디자인 분야는 디자인을 판매하는 형태로 의류산업이 변화하고, 소비자가 직접 선호하는 디자인을 지정하면 업체가 3D 프린팅으로 제작하여 판매가 가능하다.
모바일 스마트폰 시장은 스마트기기를 통한 손쉬운 3D 스캐닝이 가능해지고 즉시 3D 프린팅이 가능한 환경 보급으로 연관된 새로운 시장이 형성될 것으로 예상된다.
또한 환자중심의 제약 산업 등장, 환자의 신경조직/세포에 맞춘 의약품의 제조 처방전이 온라인으로 전송되고 가정에서 3D 프린터로 조제되는 시스템이 등장할 것으로 예상된다.
3D 프린팅의 기술 및 시장 동향
3D 프린터로 제작된 생산물들의 가치가 증대되고 있으며 소수의 산업/연구기관에서 전문적으로 사용되었던 응용분야가 교육, 여가, 제조업 생산에 이르기까지 다양화되는 추세에 있다.
또한 2차 서비스 시장도 확대일로에 있으며 CAD 디자인을 비롯해 제작환경을 위한 부가서비스 시장은 다양한 사업자의 등장으로 활성화가 예상된다.
3D 프린터 제조시장은 다수 기업의 진출 및 개인용 3D 프린터 보급 확산으로 프린터 제조시장 성장률이 지속적으로 상승할 것으로 예상한다.
3D 프린터 핵심기술(FDM, SLS)의 확산으로 3D 프린터 제작 및 보급 급증이 예상되며, 프린터 제조관련 원천 특허권 만료에 따른 3D 프린터 시장 성장이 예상된다.
더불어 소재기술의 개발 및 진화로 인한 다양한 산업 분야에 적용이 가능할 것으로 보인다. 또 플라스틱에 이어 주물성분의 강도를 뛰어넘는 다양한 금속재료(알루미늄 합금, 티타늄 합금, 니켈 성분 초합금 등)의 등장으로 새로운 프린팅 방식 개발에 의해 제품 퀄리티가 향상되고 제작시간이 단축 될 것이다.
그래서 현재의 방식보다 빠른 레이저 용형 기술 및 사후 프로세스 생략 가능 기술개발이 이루어지게 될 것이다.
현재 3D 프린팅에 대한 관심이 대중매체를 통하여 지속적으로 증가되고 있으며, 개인 창작욕구가 활발해지고, 의료 및 바이오프린팅산업으로의 적용범위가 확대되고 있다.