3D 프린팅(3D Printing)

I.       제조업의 새로운 패러다임 3D 프린팅의 개요

가. 3D 프린팅(3D Printing)의 정의

-       첨삭가공(additive manufacturing) 생산 방식으로 디지털화된 3차원 설계도에 근거하여 재료(플라스틱, 금속가루 등)를 층층이 쌓아 입체형 제품을 제조하는 프린트 기술

-       디지털 3차원 설계도를 기반으로 입체 단면을 1만개 이상의 조각으로 분석 후, 파우더,액체,실 등의 재료를 이용하여 얇은 layer를 층층히 쌓아 올려  입체형 제품을 제조하는 프린트 기술.

나. 3D 프린터의 등장 배경

-       2009년 영국의 아드리안 보어에 의해 시작된 렙랩 프로젝트에서 3D 프린터 기술을 공개하여 다양한 프린터를 개발할 수 있도록 지원.

-       렙랩(replicating rapid prototype)은 첨삭가공 기법인 용착 조형 공정(Fused deposition modeling,FTM)을 사용하며 이를 FFF(Fused Filament Fabriction)이라 부름.(FDM 용어의 상표문제 미연방지)

-       개방형 디자인으로서 이 프로젝트의 모든 디자인은 GNU GPL로 배포됨.

다. 3D 프린팅 장점

장점	내용	비고
생산성	주물 없이 설계도면만으로 생산이 가능하여 생산성이 향상됨.	CAD등의 Software이용
다양성	모양과 형태에 제한 없이 어떤 제품이든지 생산 가능	인체모형, 구두, 부품
개인화	개별 사용자의 요구 또는 특성에 맞는 맞춤형 제품 생산 가능	유아용 ~ 성인용

 

라. 3D 프린팅 특징

장점	내용
다품종 소량생산	하나의 물건만 찍어내도 적은 비용
모양	어떤 모양이든 자유롭게 만들어 낼 수 있음
프로토타입	프로토타입을 반복해서 만들어내는데 적합

 

 

II.       3D 프린터의 구성요소

구성요소	상세 설명	특징
빌드박스 (Build Box)	모형 제작에 쓰이는 Regin, 파우더 등의 재료가 담기는 부분	합성수지,석고,나일론 등
프린터 헤드	재료를 녹이고 설계도면에 근거하여 분사하고 Layer를 쌓아 올림.	접착액 분사, 자외선 분사 방식
3D 스캐너	입체 모형을 다각도에서 읽어 들이는 기능	접촉식, 비 접촉식
Elevator	프린터 헤드가 입체 모양에 맞게 빛을 쏘이거나 재료를 분사 시 이동 수단	상하좌우 이동
Build platform	제품을 쌓아 올리게 되는 바닥 지지 부분.

 

III.      3D 프린팅 주요 기술 방식

분류	기술	조형방식 및 특징
액체기반	SLA (Stereolithography), Jetted Photopolymer, Ink Jet Printing	- 저전력, 고밀도의 UV 레이저를 이용 - 빛을 받으면 고체로 변하는 폴리머 액체에 물체의 모양대로 레이저를 쏘아 얇은 막(Layer)을 생성함 - 막이 만들어지면 표면을 매끄럽게 만들기 위해 칼날이 표면을 다듬게 됨 - 받침대는 막이 하나씩 완성될 때마다 모형을 아래로 조금씩 내리며 수평을 유지함 - 층을 모두 쌓아올려 형체가 완성되면 완전한 고체로 굳히는 과정을 거침 - 가장 널리 쓰이는 기술임 - 정확하고 세부적인 모형을 제작가능 - 액체 형태의 포토폴리머 (Photopolymer) 플라스틱을 원료로 사용함 - 중간 정도의 조형 속도
분말기반	SLS(Selective Laser Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sintering), 3DP(Three Dimensional Printing)	- SLA 방식과 거의 유사한 과정을 거치는데, 파우더 형태의 폴리머나 메탈 원료에 레이저를 쏴서 고형화시킴으로써 막(Layer)을 생성함 - 막이 형성되면 그 위에 파우더를 얇게 뿌리고 다시 레이저를 쏴서 새로운 막을 형성 - 플라스틱 폴리머 원료는 막을 층층이 쌓아올리면 그대로 모형이 완성 - 메탈 원료는 메탈 파우더 위에 플라스틱이 얇게 도포되어 있어 레이저를 쏴서 막이 형성되고 모형이 완성된 후에는 900도 이상의 용광로에 모형을 넣어 플라스틱 막을 분해시키고 금속을 침윤시켜 결합시킴 - 나일론, 유리섬유, SOMOS, 트루폼과 같은 다양한 원료와 함께 금속성 원료를 사용할 수 있다는 장점이 있음 - 조형 속도 빠름
고체기반	FDM(Fused Deposition Modeling)	- 와이어(wire) 또는 필라멘트 형태의 재료 사용 - 필라멘트 등의 열가소성 재료를 열을 가해 녹인 후 노즐을 거쳐 압출되는 재료를 적층하여 조형
	LOM(Laminated Object Manufacturing)	- 고체 필라멘트(실) 형태의 플라스틱이나 왁스 원료가 노즐을 통해 분사되어 얇은 막을 형성 - 노즐은 플라스틱을 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산하며, 노즐을 통과한 원료는 신속하게 경화되어 아래 막 부분에 층층이 쌓이게 됨 - ABS, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 왁스 등 여러 형태의 원료를 사용 가능 - 조형 속도 느림
	Polyjet	- 왁스(wax) 성질을 가진 패럿(작고 둥근 알 또는 공 모양의 알갱이)을 재료로 사용 - 재료를 헤드에서 녹여 노즐을 통해 분사

 

VI.       3D 프린팅 비교

가. 전통적 제조 방식과 3D 프린팅 제조 방식 비교

비교	3D 프린팅 방식	전통적 제조 방식
개념	3D 설계 기반 입체적 구조의 Object 제작	원본과 동일한 복사본 제작
방식	적층형 방식, Layer by Layer	금속, 모래 거푸집, 형틀 방식
재료	액체수지, 금속 파우더가루, 고형 필라멘트	플라스틱 액체, 금속액체
생산	다품종 소량생산	소품종 대략생산
비용	재료, 크기에 따른 비용 차이 발생	틀 제작에 일정비용 소요, 최소 제작 금액 고가
활용	산업 전 영역, (제조,의류,음식)	고체형 부품제조 및 목업 제조
특징	1인 공장/기업 같은 창업 형태 가능	산업계 표준, 숙달 인력 풍부

나. 3D/2D 프린트 비교

비교	3D 프린팅 방식	전통적 제조 방식
입력	3D CAD 도면정보	Bit-Map, Vector, Graphic Image
출력	입체적 Object	2D 평면 프린팅
결과물	플라스틱, 금속 형상	흑백, 컬러 프린팅 용지
재료	액체, 고체, 파우더	종이 용지, OHP
활용	음식, 의류, 의학, 제조 등 전 영역	문서작업, 이미지 출력

 

V.      3D 프린팅 시장 성장 촉진 및 장애 요인

성장 촉진 요인	성장 장애 요인
- 기술 발전: 3D 프린팅 성능 및 품질 향상 → 기술에 대한 인지도 및 관심도 향상	- 사용 편의성: 기존 프린터 대비 사용의 어려움. CAD 활용 역량 부족
- 가격 하락: HW, SW 및 공급 비용 하락 → 최종 제품 가격 하락 → 도입 촉진	- 인쇄 소요 시간: 기존 프린터는 인쇄 결과물을 즉시 손에 넣었으나 3D 제품의 인쇄에는 수 시간 혹은 수 일 소요
- 사용 소재의 개발 및 다양화: 초기 합성수지로 제한적이었지만 최근 나일론, 금속 분말, 콘크리트 등 사용 소재의 다양화로 활용 산업분야의 범위도 확대	- 특정 제품 인쇄에 필요한 소재 부족 및 높은 소재 가격(high-end 제품용의 경우 kg당 100~300 달러, low-end personal 제품용의 경우 kg당 15~35 달러)
- 기본적인 CAD 소양을 갖춘 인력 확대 및 일반인이 사용하기 쉬운 3D 모델링 SW(Google의 'SketchUp', Autodesk의 '123D' 등)의 등장	- 법적 문제(총기류 같은 불법무기 제조), 디자인 재생산에 대한 저작권 문제 등