적층제조: 3D 프린터의 종류와 특징

3D 프린터는 조형방식과 사용하는 재료에 따라 종류가 다양하다.

아래에 3D 프린터의 조형 방법과 각각의 장단점을 소개한다.

3D 프린터의 제조 방식

□열 용해 적층 방식(FDM:Fused Deposition Modeling, FFF:Fused Filament Fabrication)

□광조형 방식(SLA:Stereo Lithograpy Aparatus)

□분말 소결 방식(SLS:Selective Laser Sintering)

□잉크젯 방식

□분말적층 방식(PBF:Power Bed Fusion)

열 용해 적층 방식

FDM(Fused Deposition Modeling) 조형은 열 용해 적층 방식으로, 통상적으로 사용되는 열에 녹는 수지를 한 층씩 적층하여 만들어 가는 조형 방법이다.

용해된 수지는 빠르게 경화되기 때문에 위험성이 낮아 취급하기 쉽다.

1980년대 후반 Stratasys사가 특허를 등록했고 2009년 특허 기간이 만료돼 FDM 조형 방식을 활용한 3D 프린터가 시장에 다량으로 쏟아져 가격이 폭락했다.

소재는 일반적으로 ABS 또는 PLA을 사용하므로 취급하기 쉽고 안전성이 높아 수천만 원대의 업무용 3D 프린터뿐만 아니라 개인용 3D 프린터에도 많이 사용되고 있다.

고 기술 3D 프린터의 경우는 폴리카보네이트 같은 소재를 사용한다. 가공이나 사람의 개입 없이 조형품을 그대로 사용할 수 있을 정도여서 공업용 제품으로도 사용될 수 있다. 

한편 개인용 3D 프린터는 다른 방법에 비해 표면 마감이 거칠고 적층한 흔적의 줄무늬가 나타나는 경향이 있다. 또한 재료가 섬유질이라 벗겨지는 경우가 있어 표면 완성도가 높지 않을 수 있다.

그러나 취급이 쉽고 특히 개인용 3D 프린터의 저가격화로 가장 많이 사용되는 3D 프린터 방식이다.

전문가들이 이 방식의 가장 일반적으로 사용하는 용도는 공업품의 프로트타입을 제작하는 일에 활용되고 있다.

소재로 ABS는 강도와 점도 특성 때문에 아주 세밀한 조형을 목적으로 하기 보다는 어느 정도의 기계적 강도가 요구되는 경우에 대응할 수 있다.

특히, 개인용 3D 프린터로도 사용하여 최종 제품을 만들 수 있다.

치수의 정밀도가 요구되는 부품/제품에는 적합하지 않지만, 개인이 취미용으로 사용하여 독자적으로 활용할 수 있는 조형 방식이다.

열 용해 적층 방식 특징 

•가장 일반적인 조형 방식

•저가격대 개인용 3D 프린터로 가장 많이 보급

•위험성이 적고 취급하기 쉬움

•적층한 줄무늬 띠가 나타나는 경향이 있음

열 용해 적층 방식의 주된 재료

•ABS 수지

•PLA 수지

열 용해 적층 방식 주요 3D 프린터 

•UP 시리즈

•Replicator 시리즈

•Mojo

광조형 방식

광조형 방식은 1987년 3D Systems사에서 세계 최초로 실용화시킨 3D프린터 방식이다.

제조업계에서는 3D프린터 보다 광조형 또는 RP라는 용어가 일찍부터 사용되고 있었다.

광조형 방식에 사용되는 레진은 광경화성 수지이다.

이 방식은 광경화성 폴리머 풀에 레이저 광선을 투사하여 이 빛이 닿은 부분만 경화시킨다.

한 층이 완료되면 조형대 테이블을 내려 다음 층을 조형한다. 

이와는 반대로 조형대를 폴리머 풀 속으로 내리지 않고 위로 올려 조형하는 광조형 머신도 있다. 형태가 완성될 때까지 이 작업을 반복한다.

이 방식은 표면을 매끄럽고 섬세하게 조형할 수 있어 보석의 목컵 출력에 사용할 수 있고 약간의 수고를 더하면 고투명도 출력도 가능하다.

또한 작고 가벼운 조형물일 경우 비교적 저렴한 비용으로 제작할 수 있다.

그러나 수지의 단가가 높아 대량생산에 적합하지 않으며 부피가 큰 제품이나 무거운 제품을 만드는데 비용 효율적이지 않은 단점이 있다.

또한 개인용 3D 프린터가 현재 시판되고 있지만, 원재료 액체 폴리머는 유독성이 있어 주의가 필요하다.

광조형 방식의 특징

•가장 오래된 조형 방식

•광경화성 폴리머 풀에 레이저 빔을 투사하여 조형

•섬세한 조형 가능

•표면이 매끄럽고 고섬세 출력 가능

•원재료로 사용되는 액상 폴리머 유독성 있음

광조형 방식의 주요 재료

•에폭시 수지

•아크릴 수지

광조형 방식 3D 프린터

•G프린터

•Form2

•MiiCraft

•ACCULAS

분말 소결 적층 제조

열 용해 분말 적층 방식(FDM) 3D 프린터의 경우 재료가 고체이지만 분말 형태인 경우도 있다.

재료가 분말 형태로 제공되는 경우 출력 방법에 두 유형이 있다.

하나는 레이저 광선으로 재료 분말을 소결시키는 분말 소결 방식이다.

분말 소결 방식은 소결대 위의 분말에 레이저 광선을 투사하여 소결하는데 광조형 방식과 유사하다. 

분말이 경화되면 소결대를 내린다. 슬라이스한 많큼 이 작업을 반복하며 조형한다.

이 방식의 재료로 나일론 수지 분말이 가장 일반적으로 사용되나 기종에 따라 구리, 청동, 티타늄, 니켈 등의 금속 재료를 사용할 수 있다.

나일론 수지 파우더는 스마트폰 커버 같은 유연한 부품을 만들 때 적합하므로 구부려 끼워도 큰 문제 없이 사용할 수 있다.

표면 완성도는 광조형만큼 섬세하지 못하고 표면에 분말 같은 것이 남을 수 있다.

또한 경화 후 조형물이 쳐지지 않으므로 지지대가 필요하지 않다.

주요 메이커의 3D 프린터 출력 서비스에 이 방식이 주로 사용되고 있으며 출력 비용도 저렴하다.

분말 소결 적층 조형의 특징

•나일론 수지나 금속 계통의 다양한 재료를 사용

•유연성과 내구성이 뛰어난 조형물 제작

•경화 후에 조형물이 쳐지지 않아 지지부 필요하지 않음

•표면에 가루 같은 잔유물이 남는다. 매끄러운 감촉의 질감을 필요로하는 제품에는 적합하지 않음

분말 소결 적층 방식의 주요 재료

•나일론 수지

•세라믹

•에스트라마

•폴리프로필렌

•메탈

분말 소결 방식의 주요 3D 프린터 

•ProX500

•라파엘 550

•RICOH AM S5500p

잉크젯 방식

잉크젯 방식을 생각하면 사무실과 가정에서 일반적으로 사용하는 종이 인쇄 프린터를 언뜻 떠올리게 된다. 

종이 잉크젯 프린터의 경우 인쇄용지 위에 프린터 헤드에서 액상의 잉크를 미세한 입자로 형태로 분사하여 문자를 인쇄한다.

3D 프린터의 경우 잉크 대신 액상의 수지를 분사한다.

액상의 자외선 경화 수지를 분사하여 여기에 자외선 특정 파장의 빛을 비추어 경화시켜 적층해 올리는 방식이다.

이러한 유형의 3D 프린터는 일반적으로 열 용해 적층 방식(FDM)보다 층 두께가 얇아 보다 섬세한 조형물을 만들 수 있다. 

또한 표면 마감도 FDM 방식보다 매끄럽게 완성된다.

따라서 출력물을 미세한 부분까지 섬세하게 완성하고 싶은 부품에 적합하다.

또 다른 특징으로 고속으로 조형할 수 있는 점이다.

제조사에 따라 비교적 고급 기종의 경우 다양한 소재를 선택할 수 있지만, 가장 인기 있는 재료는 아크릴 수지이다. 

아크릴 수지는 ABS에 비하면 점도가 낮아 응력이 가해지면 쉽게 파손된다. 

기계적 강도가 필요한 부품이나 스마트폰 커버처럼 어느 정도 비트림 특성이 필요한 경우 응력이 집중되면 간단히 파손되기 쉽다.

그러나 대안으로 고급 모델의 경우 ABS, PP, 고무 등 다양한 특성의 살리기 위해, 여러 소재를 혼합하여 사용하고 있다.

이 방식은 광경화성 수지를 사용하기 때문에 조형 완료 후 직사광선에 계속 노출되면 경화현상이 일어나 변형될 우려가 있어 장기간 보관해야 하는 제품에는 적합하지 않다.

잉크젯 방식의 특징

•고정밀도 조형

•아크릴 수지 이외에 ABS, PP, 고무 등의 소재를 혼합하여 사용 가능

•고속 조형 가능

•조형체의 표면 매끄럽게 마무리

잉크젯 방식의 주재료 

•아크릴

•ABS

•PP 

•고무

잉크젯 3D 프린터

•Projet 시리즈

•Objet 시리즈

•Stratasys J750

분말 적층 방식

앞서 설명한 분말 소결 방식처럼 분말을 재료로 사용하는 조형 방식이다.

분말 적층 방식에서는 하얀 석고 가루, 전분 등 저렴한 분말을 수지와 결합하여 응고시켜 조형한다. 

따라서 분말 경화식 적층 방식이라고도 부른다.

재료비가 저렴하고 조형 속도가 비교적 빠른 것이 특징이지만 이 방식의 가장 큰 특징은 컬러로 출력할 수 있는 점이다. 

따라서 3D CG에 의한 캐릭터의 질감을 CG로 지시하는 대로 출력할 수 있어 출력 후 채색 작업이 필요없다.

컬러로 출력할 수 있는 장점이 있지만 부서지기 쉬운 단점도 있다.

재료를 접착제로 경화하기 때문에 깨지기 쉬워 약간의 충격에도 쉽게 파손될 수 있다.

용도는 3D CG로 조형하는 피규어 샘플, 건축물 모형, 토목 분야의 조감모형 등 특히 컬러로 출력하여 입체적, 시각적인 면을 확인할 목적으로 만드는 물체의 조형물 제작에 사용하는 방식이다.

분말 적층 방식의 특징

•재료비 절감 

•착색 기능 장치가 많다. 풀 컬러 출력도 가능

•섬세한 조형물 제작 

•조형물 강도가 매우 낮음

•지지부 불필요

분말 적층 방식의 주재료

•석고 분말

•플라스틱 분말

•전분 

•세라믹 분말

분말 적층 방식의 3D 프린터 

•ZPrinter 시리즈

•Projet 시리즈​