3D 프린터 종류와 방식과 원리

3D 프린터를 나누는 가장 큰 항목은 3D 프린터가 수용할 수 있는 재료이다.

액체 : SLA, DLP, Polyjet

필라멘트 : FDM, MJM

분말 : SLS, 3DP

시트 : LOM

기타 : AOM

 

SLA(Steeo Lithography Apparatus) : 광경화수지조형 3D 프린터 레이저 빔을 통해 액체 형태의 레진을 경화시킨 후 적층하여 조형하는 방식이다.

1. 레이저 조사

2. 다이내믹 미러 X, Y축으로 움직이며 전달 받은 레이저 빔을 수조에 전달

3. 수조 안에 있던 광경화수지가 레이저 빔에 의해 굳어짐

4. 수조 안에 있는 조형판은 한 층씩 수지가 구어질 때마다 정해진 층의 두께만큼 내려감

5. 리코터 블레이드가 인쇄물의 표면을 지나가면 평탄화 작업을 함

 

 

DLP(Digital Light Processing) : 광경화성수지조형으로 SLA 방식과 유사하며 자외선파장(UV-A)을 이용해 레진을 쌓아 조형한다.

1. DLP 프로젝터가 조형 이미지를 조사한다

2. 수조 안에 있던 광경화 수지가 디지털 라이트에 의해 굳어진다

3. 수조 안에 있는 조형판은 한 층씩 재료가 굳어질 때마다 정해진 층의 두께만큼 올라간다

 

 

Polyjet(Photopolymer Jetting Technology) : 잉크젯과 광조형 방식의 혼합하여 프린터의 헤드에 있는 수많은 미세 노즐에서 액상 재료와 UV 자외선을 동시에 분사하여 경화시키며 조형 치수 정밀도가 뛰어나고, 표면처리 우수하다

DLP와 같이 높은 정밀도를 자랑하지만 소재의 제한이 따르며 소재의 내구성이 좋지 않고 빛에 민감하다. 하단보다 상단의 면적이 큰 경우, 서포터가 필수적으로 요구된다. 일반적으로 서포터는 물속에서 분해 가능한 재료를 이용하여 프린팅후에도 쉽게 서포터를 제거할 수 있도록 되어있다.

 

 

FDM(Fused Deposition Modeling) : 가장 대표적인 보급형 3D 프린터이다(본인도 사용중) 융합수지압축 적층 조형 즉 필라멘트라 불리는 플라스틱을 온도를 높여 녹인 후, 적층시켜 조형한다. 본인이 사용중이다.

플라스틱 기반의 재료를 녹여 노즐에서 토출하여 적층하는 방식이다. 구성이 빌교적 단순하고 특허가 만료되었다. 오픈소스 운동으로 통해 기술 장벽이 낮아져 저가화에 성공하였다. 그러므로 다른 3D 프린터보다 가격이 월등히 저렴하고 현재 시중에 출시된 상당수의 저가형 제품이나 조립 제품은 이 방식을 채택하고 있다.

 

가장 단순하고 저렴하지만 그만큼 제약이 많은 방식이다. 그러나 접근성이 좋은 만큼, 노즐의 추가로 여러가지 도색이 가능하고 금속과 목재등 활용성이 높다.

 

 

LOM(Laminated Object Manufacturing) : 개체 접합 조형으로 종이나 필름 등의 재료를 쌓고 절단 후 다음 층을 접착제로 접합하여 조형한다. 내구성은 약하나 색상 구현이 뛰어나다. 종이, 플라스틱, 금속 재질의 시트 형태 재료를 한장 한장 접착한 후 칼 또는 레이저 커터로 형태를 잡아 자르고, 이러한 작업을 반복하여 원하는 형태의 조형을 얻을 수 있다.

금속판을 밑에 깔고 초음파 용접으로 붙인 뒤 모양대로 절단하는 과정을 반복하는데 일단 열로 용접하는 과정을 거치지 않는 만큼 내부 잔류 응력 처리나 내부 공기 조절에 간섭이 많지 않으며 속도가 빠르다

 

 

SLS(Selective Laser Sintering) : 분말 형태의 소재를 배드에 도포한 후 레이저를 비춰 원하는 부분만 굳히는 기술을 말한다. 레이저에 노출된 부분만 굳어 형태가 만들어지는 원리다.

다양한 소재를 활용할 수 있다는 점이 SLS 의 특징이다. 레이저를 통해 녹이고 이를 굳힐 수 만 있다면 괌범위한 종류의 원료를 활용할 수 있다. 플라스틱이나 모래, 알루미늄 등이 대표적이다. 업계에서 원료에 대한연구가 가장 활발하게 이루어지는 분야이기도 하다.

 

분말 형태의 원료를 이용하기 떄문에 완성된 모형은 세라믹이나 기타 방식을 통해 다듬어 완성도를 높이는 과정을 거쳐야 한다. SLS 방식의 프린터는 가격이 비싸 가정이나 소규모 업종에서는 활용하기 어렵다.

 

 

 

3DP(Color Jet 3D Printing) : PBP(power Bed and inkjet head 3D Printing)와 같은 방식이다. 잉크젝 프린터 원리르 이용한 이 기술은 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러잉크와 경화물질을 분말 원료에 분사하여 조형하는 방식이다.

2D 인쇄에 사용되던 CMYK 컬러 잉크를 그대로 사용하기 떄문에 조형하고자 하는 컬러를 거의 그대로 출력이 가능해 최상의 디테일을 얻을 수 있는 장점이 있다.조형 과정이 완료된 후 분말을 제거하고 표면 처리를 해야 하는 번거로움이 있다

 

 

 

3D 프린터의 기술적인 접근은 RP(Rapid Prototypinh) 이라고 불리는 쾌속조형 방법이었다. 1981년 일본 나고야시공업연구소의 히데오코다마 박사에 의해 특허 출원되었지만, 특허 절차 기한인 1년 안에 설명서를 기재하지 못했기에 특허는 무산되었다.

 

1986년 3D 프린터의 첫 번쨰 특허는 SLA(광경화성 수지 적층 조형) 기계를 만든 척 헐(Chuck Hull)에게 주어진다 척 헐은 현재의 3D system 사를 설립하고 2년 후에 1988년 산업용 3D 프리너가 세계 최초로 사용화 되었다.

 

1987년 미국 오스틴 텍사스 대학에서 학생이던 Carl Deckard가 Joe Beaman 교수의 도움을 받아 SLS 방식의 3D 프린터의 특허를 1989년에 취득했다

 

1989년에는 FDM 방식의 특허도 출원되었는데, 해당 방식은 스콜크럼프가 취득하였으며 이후 스콜크럼프는 스트라타시스사를 설립해 판매용 3D 프린터를 개발을 시작하였으며 1991년에 최초로 상용화가 되었다. 스트라타시스는 현재 세계 1위의 3D 프린터 제조업체이며 가장 널리 보급된 FDM의 상표권을 보유하고 있다. 특허 만료를 통해 공개된 정보 이외에 스타라타시스가 보유한 핵심 기술에 법리적인 문제로 인해 FDM방식의 용어 표현과 함께 일부에서는 FFF방식으로 사용한다.