1.  3D 프린팅 소개 

 

3D 프린팅은 1980년대 “Stereolithography”이라는기술로 거슬러 올라 Chuck Hull이라는 미국의 발명가가 특허를 획득했고, 3D 프린팅의 기본 원리를 제시했습니다.
3D 프린팅은 지속적인 기술 혁신과 함께 발전하고 있으며, 계속해서 새로운 기술과 응용 분야의 등장 되고 있습니다. 

 

3D 프린팅은 컴퓨터에서 디지털 3D 모델을 사용하여 실제 객체를 만드는 고급 제조 기술입니다. 이 기술은 "적층 제조" 또는 "가산 제조"라고도 불립니다.
3D 프린팅은 기존의 제조 과정과는 다르게 물체를 층층이 쌓아올려서 만들어냅니다.

모래언덕이 어떻게 형성되는지 상상해 보면 모래는 바람이나 물에 의해 침전되고 처음에는 보이지 않을 수도 있지만 모래 퇴적물이 점점 두꺼워지면 모래언덕이 모양을 만듭니다

 

2. 기존 생산 공정과의 차이

  ◎ 전통적인 제조 방법:

• 주조, 성형, 가공 등의 공정을 통해 원하는 형태의 물체를 만듭니다.
• 이러한 공정에서는 보통 재료의 대부분을 사용하고, 불필요한 부분은 잘라내거나 깎아내는 등의 가공이 필요하며,
• 디자인 변경이나 복잡한 형태의 물체 제작이 어려울 수 있습니다.
• 일반적으로 대량 생산에 적합한 방식입니다.

 

  ◎ 3D 프린팅:

• 3D 프린팅은 적층 제조 공정을 사용하여 물체를 층층이 쌓아 올리면서 만들어지며,
• 이러한 방식으로 인해 복잡한 형태의 물체나 내부 공간을 가진 물체도 상대적으로 쉽게 제작할 수 있습니다.
• 3D 프린터는 컴퓨터로부터 받은 3D 모델을 사용하여 소재를 녹이거나 경화시켜 층층이 쌓아 올리는 방식으로 물체를 만듭니다.
• 디자인 변경이 비교적 쉽고, 맞춤형 제품을 생산하기에 매우 적합합니다.
• 또한 생산 과정에서 재료의 낭비를 최소화할 수 있습니다.

 

3. 3D프린팅을 사용하는 경우 

• 현재 3D프린팅의 경우 3D프린터, 기법, 재료의 발전으로 인해 굉장히 많은 응용 분야에 사용될 수 있습니다.
• 3D 프린팅은 비즈니스, 엔지니어, 디자이너, 취미 활동가, 그리고 스타트업 등 다양한 그룹에서 활용될 수 있는 다재다능한 솔루션입니다. 
• 이를 통해 빠른 프로토타입 제작, 소규모부터 대량 생산까지의 생산 과정 최적화, 그리고 맞춤형 기능 부품 또는 조립 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
• 다만 3D 프린팅 작업을 이해하기 위해선 프린터가 무엇을 할 수 있는지 이해하고 프린터의 기능을 파악하는 것이 중요합니다. 
• 3D 프린팅을 하기 위해서는 CAD 설계를 하고 이를 STL 파일로 변환한 다음, STL 파일을 slicer 소프트웨어로 가져와야 합니다. 
• slicer 는 STL 파일을 분석하여 프린터가 읽을 수 있는 G-code로 변환 하며, 이 단계에서는 프린터 설정(지지대 추가나 레이어 높이 설정 등)을 조정할 수 있습니다.
• G-code 파일이 준비되면, 프린터에 전송하여 모델 인쇄를 시작합니다. 
• SLA 프린터를 예를들면 SLA 프린터는 UV-레이저 광을 사용하여 액체 수지를 층별로 경화시킵니다.
• 인쇄하기 전에 자재 Pool, scraper, 레이저 라이트 등을 확인해야 합니다.

 

 

 

4.3D프린팅 단계 

3D프린터 장비 및 재료에 따라 자세한 절차는 다르지만 현재 대부분의 3D프린팅은 아래와 같은 단계를 가지고 있습니다. 

  4-1 디자인 프로세스:

3D 프린팅을 위한 설계 프로세스는 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 사용하여 모델을 생성하는 과정으로 시작합니다.
이후 완성된 3D 모델은 슬라이스로 "분할"되어 프린터가 층별로 인쇄할 수 있도록 안내됩니다.

  4-2 파일 형식:

설계된 모델은 STL 파일 형식으로 내보내어집니다. 이 형식은 삼각형 표면을 사용하여 물체의 표면을 근사화합니다.
다른 파일 형식으로는 PLY가 있으며, 이는 스캔으로 생성된 3D 파일을 의미하며, 결과물은 VRML 또는 WRL 파일로 출력될 수 있습니다.

  4-3 슬라이싱

프린터는 파일에서 단면을 읽고 액체, 분말 또는 시트 재료를 사용하여 층별로 인쇄합니다.
프린터에 의해 생성된 섹션의 두께와 해상도는 DPI(인치당 픽셀) 또는 마이크론으로 측정됩니다.
일부 프린터는 매우 얇은 층을 인쇄할 수 있어 더 높은 해상도의 결과물을 얻을 수 있습니다.

  4-4 제조 비교

3D 프린팅은 전통적인 사출 성형과 같은 제조 기술과 비교하여 상대적으로 적은 비용으로 빠르고 유연하게 생산할 수 있습니다.
데스크톱 크기의 3D 프린터는 디자이너나 개발 팀이 필요로 하는 대부분의 모델을 제작할 수 있습니다.

  4-5 인쇄 완료:

3D 프린터의 해상도는 대부분의 응용 프로그램에 충분하며, 더 높은 해상도의 결과물을 얻기 위해 후처리 작업이 가능합니다.
일부 기술은 여러 재료를 동시에 인쇄하고, 인쇄 과정에서 지원을 사용할 수 있습니다.

 

 

5.3D프린팅 장점

 

빠른 제작 및 프로토타이핑: 3D 프린팅 기술은 빠른 제작 속도를 제공하며, 제품의 프로토타입을 신속하게 제작하여 개발 주기를 단축하고 시장 진입을 가속화할 수 있습니다.

맞춤형 제작: 개별 요구에 맞게 제품을 맞춤형으로 제작할 수 있습니다. 이는 의료 분야에서 환자 맞춤형 의안, 산업 분야에서 특정 부품 제작 등에 큰 장점을 제공합니다.

복잡한 기하학적 구조 구현: 3D 프린팅은 복잡한 기하학적 형태나 내부 구조를 가진 제품을 제작하는 데 유용합니다. 전통적인 제조 방법으로는 어려운 형태도 3D 프린팅을 통해 상대적으로 쉽게 구현할 수 있습니다.

원가 절감 및 재료 절약: 대량 생산에 비해 소량 생산 시에도 경제적입니다. 필요한 재료만 사용하므로 재료 낭비가 적습니다.

지리적 제한 해소: 3D 프린팅 기술은 제조 시설의 위치에 구애받지 않습니다. 전 세계 어디서든 제품을 제작할 수 있습니다.

디자인 자유도 증대: 전통적인 제조 방법에서는 어려운 복잡한 형태의 디자인을 실현할 수 있습니다. 디자이너들은 보다 창의적이고 혁신적인 제품을 만들 수 있습니다.

환경 친화적: 3D 프린팅은 전통적인 제조 방법보다 재료 소비를 줄이고 생산 과정에서 발생하는 폐기물을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

최종 제품 생산: 최근 발전된 3D 프린팅 기술은 최종 제품 생산에도 활용되고 있습니다. 특히 항공 우주, 자동차 산업 등에서 금속 3D 프린팅 기술이 적용되어 있습니다.

이러한 다양한 이유로 3D 프린팅은 제조 산업뿐만 아니라 의료, 건설, 패션 등 여러 분야에서 혁신적인 솔루션으로 활용되고 있습니다.

 

6. 3D 프린팅의 단점은 다음과 같습니다:

 

  ◎ 제한된 재료

• 사용 가능한 원료가 제한적임.
• 모든 금속 및 플라스틱이 프린팅 가능한 온도 범위 내에 있지 않음.
• 많은 재료가 재활용되지 못하며, 식품 안전성이 확보되지 않음.

  ◎ 제한된 빌드 크기

• 작은 인쇄실로 인해 인쇄 가능한 부품의 크기에 제한이 있음.
• 더 큰 부품은 별도로 인쇄하고 후에 결합해야 하며, 이로 인해 비용과 시간이 증가할 수 있음.

 

  ◎ 후처리

• 후처리가 필요한 부품이 존재함.
• 지지 재료를 제거하고 표면을 매끄럽게 하기 위해 청소가 필요함.
• 후처리 방법에는 워터젯, 샌딩, 화학적 처리 등이 포함됨.

  ◎ 대용량

• 초기 투자는 낮지만, 대량 생산 시 단위당 비용이 감소하지 않음.
• 사출 성형과 비교하여 비용 효율성이 떨어질 수 있음.

  ◎ 부품 구조

• 부품이 층별로 생산되어 응력이나 방향에 따라 박리될 수 있음.
• 일부 기술은 부품이 더 부서지기 쉬운 경향이 있음.

 

  ◎ 설계 부정확성

• 프린터의 제한으로 인해 부품이 원래 설계와 다를 수 있음.
• 후처리로 조정할 수 있지만, 시간과 비용이 증가할 수 있음.
• 아직 여러가지 단점이 있지만, 3D프린팅이 지속적으로 발전하고 있는 만큼 빠르게 단점들이 없어 지고 있습니다. 

 

6.3D프린팅 재료 종류 

3D 프린팅은 다양한 재료를 사용하여 다양한 종류의 제품을 제작할 수 있습니다. 주요 3D 프린팅 재료의 종류는 다음과 같습니다:

 

  ◎ 열가소성 폴리머(Thermoplastic)

• ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene): 내구성이 뛰어나고 강도가 높아, 일반적으로 부품 제작에 사용됩니다.
• PLA(Polylactic Acid): 생분해성이며 친환경적입니다. 커다란 부품이나 프로토타입 제작에 사용됩니다.
• PETG(Polyethylene Terephthalate Glycol): 내구성이 좋고 투명도가 높아 고강도 부품에 적합합니다.
• Nylon: 내마모성이 우수하며 강성이 높습니다. 특히 기계 부품에 사용됩니다.
   

  ◎ 열경화성 폴리머(Thermoset)

• 용해된 수지를 사용하여 층별로 경화시키는 방식으로 제작됩니다.
• Epoxy Resin: 강도와 내화학성이 뛰어나므로 고강도 및 고온 부품에 사용됩니다.
• Urethane Resin: 탄성이 높고 내구성이 좋아 고무류 제품에 적합합니다.

  ◎ 금속(Metal)

• 알루미늄, 스테인리스 스틸, 티타늄 등의 금속 재료로 제작됩니다.
• 다양한 금속 3D 프린팅 기술이 있으며, 선택된 기술에 따라 다양한 금속 재료가 사용됩니다.

  ◎ 세라믹(Ceramic)

• 세라믹 재료로 제작된 부품은 고온 및 화학적인 환경에서도 안정성을 유지합니다.
• 주로 전기, 전자, 의료 분야에서 사용됩니다.

  ◎ 바이오프린팅(Bio-printing)

• 생체 재료(세포, 생체 지지체)를 사용하여 인체 조직이나 장기를 인쇄하는데 사용됩니다.
• 주로 의학 및 생명과학 분야에서 응용됩니다.

이 외에도 각종 고무류, 섬유, 고무, 실리콘 등 다양한 재료가 3D 프린팅에 사용됩니다. 이러한 재료는 각각의 특성에 따라 다양한 산업 분야 및 응용 분야에 적합한 제품을 제작하는 데 활용됩니다.

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