3D 프린팅의 정의
4차산업혁명에서 이야기하는 3D 프린팅 기술은 기존에 사용하고 있는 종이프린터의 개념 그대로 가져와서 높이, 방향성을 더하여 3차원의 물체를 제작하는 프린트 기술입니다. 같은 의미로는 Additive Manufacturing, Rapid Prototyping 등의 용어가 있습니다. 30년 부터 꾸준히 연구해온 기술이기도 하지만 동시에 앞으로 무궁무진한 가능성을 제공해줄 수 있는 미래기술이기도 합니다.
3D 프린팅의 요소
3D 프린팅의 요소와 절차를 살펴보면 아래와 같이 나뉠 수 있습니다.
- 프린팅을 하기전 모델을 설계하는 3D 모델링
- 실제 프린팅을 담당하는 3D 프린터
- 프린트하면서 재료를 재단하는 슬라이싱 소프트웨어
- 프린트 재료가 되는 3D 프린팅 소재
- 재료를 쌓아가는 적층 기술
- 쌓은 재료를 고체화 시키는 고체화 기술
- 후처리 방법
3D 프린팅 기술 중 핵심은 무엇보다도 층을 하나씩 쌓아가면서 프린팅을 하기 때문에 독자적인 적층기술과 프린트 재료인 액상 및 파우더 재료를 얼마나 견고하게 고체화 시킬 수 있느냐에 달려 있습니다.
3D 프린터 종류와 원리
1) 바인더 젯팅(Binder Jetting)
풀이나 본드를 활용하여 3차원 물체를 제작하는 방식으로 원소재인 파우더를 균일하게 쌓고, 3차원 형상에 필요한 부분에만 잉크를 인쇄하듯이 바인더를 뿌린 후 굳어지게 되면 바인더가 뿌려지지 않은 곳은 분말상태를 유지한 상태로 뿌려진 부분만 고체 형태로 남아있게 되는 방식의 3D 프린팅 기술입니다.
2) 머티리얼 젯팅(Material Jetting)
일반적으로 사용되어지는 잉크젯 프린터와 가장 유사한 형태로 무수히 많은 미세한 노즐을 통해 액체상태의 경화성 소재를 플랫폼 위에 분사한 후 자외선을 이용하여 고체화 시키는 방식의 기술입니다.
3) 머티리얼 익스투르전(Material Extrusion)
주변에서 가장 흔하게 접할 수 있는 3D 프린팅 기술로 얇은 와이어 형태의 플라스틱 원소재를 가열된 노즐을 통해 녹여서 적층제조 하는 방식입니다.
세부적으로는 부품 소재와 제작 과정에서 필요한 지지대 재료를 분할하여 사용하는 FDM와 파트와 지지대를 같은 소재로 사용하여 제작완료 후 지지대를 물리적으로 제거하는 FFF 기술로 나뉘게 됩니다.
4) 다이렉트 에너지 디포지션(Direct Energy Deposition)
금속파우더나 와이어 형태의 재료에 레이저나 전자빔을 직접 조사하여 증착 또는 녹여서 물체를 형성하는 방식으로 티타늄과 같은 특수소재의 3D 프린팅에 많이 사용되고 있습니다.
5) 파우더 베드 퓨전(Powder Bed Fusion)
재료는 파우더 형태를 사용하고 분말을 공급해주는 파우더 플랫폼(Powder platform)과 제품이 제작되는 빌딩 플랫폼(Powder platform)부분, 파우더를 이송 시켜주는 코터(Coater)로 구분되어 있는 3D 프린터로 프린팅하는 기술 입니다.
6) 포토폴리머리제이션(Photopolymerisation)
수조에 액상수지를 채워 넣은 상태에서 제작이 진행되는 기술로 수조의 상면부터 제품을 제작하는 SLA 방식과 하면부터 제작하는 DLP 방식으로 나뉘어져 있습니다.
7) 시트 래미네이션(Sheet Lamination)
얇은 필름이나 종이를 칼이나 레이저를 이용해 잘라내어 높이 방향으로 접착 후 쌓아가면서 형상을 제작하는 방식입니다.
3D 프린터의 활용
제조업에서는 자동화 설비로 유연한 생산설비 변경과 인건비 절감등을 통해 자동차의 자체경량화, 항공기 부품 생산, 스마트폰의 외장 부품 등 다양한 분야에서 활성화가 되고있는 실정입니다.
스마트 팩토리에서 사물인터넷을 적용하여 원격으로 필요한 부품을 최적의 프린팅 장비를 활용해서 제작될 수 있는 시스템으로 자동화 하고 단순한 제조 뿐만 아니라 라인에 부품이 기능을 못하는 상황이 발생하면 부품을 제작해 자가 고장 복구를 할 수 있는 기술까지 갖출 것으로 예상됩니다. 더불어 3D 프린팅 기술이 발달함에 따라 3D 프린팅 장비를 이용하면 개개인의 성향에 맞춰서 최적화된 제품을 소비자에게 제공할 수 있기 때문에 소비자는 단기간에 본인이 원하는 제품을 손에 넣을 수 있는 스마트한 공장이 현실화 될 수 있습니다.