적층 제조 소개

Nessan Cleary는 3D 프린팅에 대한 간략한 소개와 현재 사용 가능한 다양한 유형의 3D 프린터에 대해 자세히 설명합니다.

'3D 프린팅'이라는 용어는 프린팅 방식이 많지 않기 때문에 약간 오해의 소지가 있습니다. 적어도 그래픽 프린팅 업계의 누구라도 이해할 수 있는 방식은 아닙니다. 즉, 많은 와이드 포맷 전문가들은 CAD 파일을 사용하여 포장재, 진열대 포인트 및 기타 3차원 물체를 만드는 데 익숙하므로 3D 프린팅이 그리 어려운 일은 아닙니다.

기본 개념은 객체에 대한 디자인을 취하고 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 이를 레이어로 슬라이싱하는 것입니다. 그런 다음 3D 프린터는 개체를 생성하고 한 번에 한 레이어를 내려놓고 개체가 완성될 때까지 이전 레이어 위에 각 레이어를 추가합니다. 각 개체의 크기에 따라 상당히 느린 프로세스가 될 수 있지만, 많은 3D 프린터는 프린터의 빌드 챔버 내에서 여러 개체를 나란히 인쇄하도록 설정할 수 있습니다.

오늘날 3D 프린팅은 프로토타입, 지그, 몰드 및 최종 부품을 생산하는 데 널리 사용되며 점점 더 수용 가능한 제조 프로세스로 자리잡고 있습니다. 이러한 이유로 3D 프린팅은 적층 가공이라고도 알려져 있습니다. 다양한 3D 프린팅 기술이 있습니다. 여기에 모두 나열하기에는 너무 많습니다. 따라서 이 이야기에서는 몇 가지 주요 유형과 사용할 수 있는 재료를 살펴보겠습니다. 통과해야 할 TLA(세 글자 약어)가 상당히 많다는 점에 유의하세요!

캡션: MakerBot은 Method FFF 3D 프린터를 위한 여러 가지 특수 재료를 출시했습니다.

아마도 가장 일반적인 방법은 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM)이라고도 알려진 FFF(Fused Filament Fabrication, FFF)일 것입니다. 열가소성 필라멘트 스풀을 원료로 사용합니다. 필라멘트는 가열된 압출기를 통해 공급되며, 필라멘트는 이를 녹여 층을 형성합니다. 재료가 냉각되어 물체를 형성함에 따라 층이 서로 결합됩니다. 데스크탑 크기의 FFF/FDM 프린터가 많이 있으며, 상대적으로 저렴한 가격에도 불구하고 대부분 상당한 성능을 발휘합니다. 해상도는 압출기의 노즐이 얼마나 미세한지에 따라 달라지며 고해상도와 빠른 인쇄 속도 사이의 절충안이 필요합니다.

ABS와 같은 단단한 플라스틱부터 TPU와 같은 유연한 옵션에 이르기까지 다양한 재료를 선택할 수 있을 뿐만 아니라 강도를 높이기 위해 나일론이나 탄소 섬유를 엮은 좀 더 이국적인 재료도 있습니다.

캡션: Formlab은 데스크톱 Form 3 및 Form 3L 광조형 3D 프린터를 개발했습니다.

다음 단계는 광중합체 수지 기반 재료를 사용하는 SLA(Stereolithography)입니다. 이 과정은 통에 광중합체 액체를 채우는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 자외선 광선이 이 액체 표면의 첫 번째 층 패턴을 추적하여 빛이 닿은 곳에서 액체를 응고시키는 화학 반응을 일으킵니다. 빌드 플랫폼이 낮아지고 더 많은 레진이 추가되며 두 번째 레이어가 첫 번째 레이어 위에 추적됩니다. 어떤 경우에는 바닥이 투명한 통을 사용하고 빛이 밑면에서 빛을 받아 탱크 바닥에서 위쪽으로 오브제를 만드는 경우도 있습니다.

이러한 프린터는 대부분 데스크톱 기계이며 일반적으로 FFF/FDM 프린터보다 비싸지만, 프로토타입 제작이나 성형용 캐스트 생산, 치과 및 의료용 생체 적합성 수지와 같은 용도에 사용되는 보다 특수한 범위의 재료가 있습니다. 일반적으로 미세한 디테일로 매끄러운 마감을 제공하지만 강도가 부족합니다.

디지털 광 처리(DLP)는 SLA 인쇄의 변형이지만 레이저 대신 디지털 광 프로젝터를 사용하여 전체 레이어의 이미지를 비춥니다. 이는 레이저로 해당 레이어를 추적하는 것보다 훨씬 빠릅니다.

3D 프린팅의 가장 오래된 형태 중 하나는 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS)입니다. 플라스틱부터 금속, 세라믹, 유리까지 분말 형태로 시작하는 모든 종류의 재료에 적합합니다. 분말은 빌드 챔버에 퍼지고 레이저는 분말에 패턴을 씁니다. 레이저는 가열된 입자만 융합하여 첫 번째 레이어를 형성합니다. 그런 다음 챔버의 베드가 낮아지고 더 많은 파우더가 퍼지며, 개체가 완성될 때까지 각 레이어가 마지막 레이어까지 융합되는 과정이 반복됩니다.

이 프로세스를 통해 내부 핀이 많이 필요한 터빈 라디에이터와 같이 믿을 수 없을 정도로 복잡한 물체를 만들 수 있습니다. 그러나 SLS 기계는 좋은 온도 제어가 필요하고 물론 고출력 레이저가 필요하기 때문에 비용이 많이 드는 경향이 있으므로 주로 상업용으로 제한됩니다.

SLS와 유사한 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM)은 직접 금속 레이저 용융(Direct Metal Laser Melting)이라고도 알려져 있습니다. 다양한 등급의 알루미늄 및 강철 합금을 포함하여 다양한 금속 합금을 선택할 수 있습니다. 이 방법은 또한 고출력 레이저를 사용하여 금속 물체를 생산하지만 분말 입자를 단순히 소결하는 것이 아니라 금속 분말을 완전히 녹여 부품의 밀도가 높아집니다. 빌드 챔버는 일반적으로 화재나 폭발 가능성을 제한하기 위해 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워져 있지만 주의 깊은 취급이 필요하며 상업용으로만 적합합니다.

전자빔 용해 또는 EBM도 비슷한 방식으로 작동합니다. 이 경우 레이저는 전자빔을 생성하고 금속 분말을 함께 녹이기 때문에 불활성 가스가 아닌 진공이 필요합니다. 최대 1000°C의 고온이 필요하지만 매우 강하고 밀도가 높은 물체를 생산할 수 있으며 특히 티타늄 합금에 적합합니다.

캡션: 여기에는 별도의 처리 스테이션이 있는 바인더 제트를 사용하는 HP Jet Fusion 5200 3D 프린터가 나와 있습니다.

바인더 제팅(Binder Jetting)은 잉크젯 프린트헤드를 사용하여 접착제를 분사하여 말 그대로 분말을 서로 붙입니다. 가루로 된 재료를 베드 위에 펴고, 접착제를 분사하여 가루를 묶어주는 방식으로 가루에 첫 번째 층의 문양을 새깁니다. 베드가 아래로 떨어지고 더 많은 파우더가 퍼져나가며, 물체가 완성될 때까지 이 과정이 층층이 반복됩니다. 일반적으로 개체를 소성하여 남은 바인더를 녹이고 모든 레이어가 단일 개체로 완전히 융합되도록 하는 별도의 마무리 단계가 있습니다.

이 공정은 플라스틱, 금속 및 세라믹 재료에 사용하도록 조정할 수 있습니다. 잉크젯 프린트헤드 사용의 가장 큰 장점은 생산성 향상을 위해 더 많은 헤드를 추가하는 등 프로세스 규모를 확대하는 것이 상대적으로 저렴하다는 것입니다.

잉크젯 프린트헤드는 재료 자체를 정확한 위치에 증착하여 각 레이어를 형성할 수 있는 또 다른 방법인 Material Jetting에도 사용할 수 있습니다. 이는 플라스틱, 금속 및 세라믹에도 좋습니다. 그러나 재료 분사는 그래픽 프린터와 동일한 문제, 즉 더 큰 입자가 프린트 헤드를 막힐 위험과 인쇄가 완료된 후 재료를 분사하는 데 사용되는 액체 캐리어를 제거해야 하는 문제에 직면합니다.

결론적으로, 어떤 유형의 3D 프린터에 투자할지 선택하는 것은 주로 프린터 비용, 사용하려는 재료, 마감된 물체에 필요한 품질 및 강도 사이의 균형을 찾는 데 달려 있습니다.

몇 달 후에 이 주제로 다시 돌아와서 3D 프린터를 사용할 수 있는 몇 가지 응용 프로그램을 살펴볼 예정이므로 계속 지켜봐 주시기 바랍니다.

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