3D 프린팅이란 무엇입니까? 작동 원리 | 종류 | 애플리케이션

3D 프린팅의 개념은 David E.H. 그러나 1980년대 초반까지는 모형을 제작하는 방법과 재료가 개발되지 않았습니다.

'3D 프린팅'이라는 용어는 다양한 재료의 부품 및 제품 생산을 위한 광범위한 기능을 제공하는 수많은 프로세스와 기술을 포괄합니다. 최근 몇 년 동안 이러한 프로세스는 크게 발전했으며 이제 많은 응용 프로그램에서 중요한 역할을 수행할 수 있습니다.

이 개요 기사는 3D 프린팅의 다양한 유형과 프로세스, 작동 방식, 현재 시장에서의 용도 및 이점을 설명하는 것을 목표로 합니다. 아주 기본적인 질문부터 시작하겠습니다.

3D 프린팅이란 무엇입니까?

적층 제조라고도 하는 3D 프린팅은 3차원 디지털 모델 또는 CAD 모델에서 물리적 개체를 만드는 프로세스입니다. 재료가 결합되거나 응고되어 실제 물체를 만드는 다양한 컴퓨터 제어 기술이 포함됩니다.

일반적으로 재료(예:함께 융합되는 분말 입자 또는 액체 분자)는 밀리미터 단위로 층별로 추가됩니다. 이것이 3D 프린팅을 적층 제조 공정이라고도 부르는 이유입니다.

이 이미지는 3D 프린터가 3차원 개체를 레이어별로 인쇄하는 방법을 보여줍니다 | 3D 논리

1990년대에는 3D 프린팅 기술을 래피드 프로토타이핑(rapid prototyping)이라고 불렀습니다. 그들은 미적 또는 기능적 프로토타입 제작에만 적합했습니다. 그 이후로 우리는 먼 길을 왔습니다.

오늘날의 3D 프린팅 기술은 수동으로 제작할 수 없는 복잡한 구조와 형상을 생성할 수 있을 정도로 발전했습니다.

3D 프린팅의 정밀도, 재료 범위 및 반복성은 단순한 프로토타입에서 친환경 건물, 항공기 부품, 의료 기기 및 여러 층을 사용한 인공 장기와 같은 복잡한 최종 제품에 이르기까지 거의 모든 것을 구성할 수 있을 정도로 향상되었습니다. 인간 세포.

읽기:과학자들은 '바이오 잉크'를 사용하여 인공 인간 각막을 3D 인쇄합니다.

정확히 어떻게 작동합니까?

모든 3D 프린팅 기술은 동일한 원리를 기반으로 합니다. 3D 프린터는 (입력으로) 디지털 모델을 사용하고 레이어별로 재료를 추가하여 물리적 3차원 개체로 변환합니다.

다양한 절삭 공구를 사용하여 솔리드 블록에서 원하는 구조를 구성하는 사출 성형 및 CNC 기계 가공과 같은 기존 제조 공정과 다릅니다. 그러나 3D 프린팅에는 절단 도구가 필요하지 않습니다. 물체는 구축된 플랫폼에서 직접 제조됩니다.

프로세스는 디지털 3D 모델(물체의 청사진)로 시작됩니다. 소프트웨어(프린터에만 해당)는 3D 모델을 얇은 2차원 레이어로 슬라이스합니다. 그런 다음 프린터가 실행할 기계어 명령어 세트로 변환합니다.

프린터 유형 및 개체 크기에 따라 인쇄를 완료하는 데 몇 시간이 걸립니다. 인쇄된 개체는 최적의 표면 마감을 달성하기 위해 샌딩, 래커, 페인트 또는 기타 유형의 기존 마감 처리와 같은 후처리가 필요한 경우가 많으며 여기에는 추가 시간과 수작업이 필요합니다.

서로 다른 유형의 3D 프린터는 서로 다른 재료를 서로 다른 방식으로 처리하는 서로 다른 기술을 사용합니다. 재료와 응용 분야에서 3D 프린팅의 가장 기본적인 한계는 만능 솔루션이 없다는 것입니다.

3D 프린팅의 종류/공정

ISO/ASTM 52900 표준에 따라 모든 3D 프린팅 프로세스는 7개 그룹으로 분류할 수 있습니다. 각각에는 비용, 속도, 재료 속성 및 기하학적 제한과 같은 측면과 관련된 장단점이 있습니다.

1. Vat 광중합

SLA 그림:레이저(a)가 액체 광중합 수지로 채워진(b) 탱크의 투명한 바닥(c)을 선택적으로 비춥니다. 리프팅 플랫폼(e)은 응고된 수지(d)를 점진적으로 끌어 올립니다.

Vat 광중합을 기반으로 하는 3D 프린터는 용기에 광중합 수지를 채우고 이를 자외선 광원으로 경화시켜 물체를 만듭니다. Vat 중합의 가장 일반적인 세 ​​가지 형태는

1a) 광조형(SLA): 1984년에 발명된 SLA는 자외선 레이저를 사용하여 화학적 단량체와 올리고머를 가교시켜 3차원 고체의 몸체를 구성하는 중합체를 형성합니다. 프로세스가 빠르고 거의 모든 구조를 구성할 수 있지만 비용이 많이 들 수 있습니다.

1b) 디지털 광 처리(DLP): 레이저 대신 아크 램프와 같은 기존 광원을 사용합니다. 물체의 각 층은 액체 수지 통에 투영된 다음 리프팅 플랫폼이 위아래로 움직일 때 층별로 응고됩니다.

1c) 연속 액체 계면 생산(CLIP): 광조형술과 유사하지만 연속적이고 최대 100배 더 빠릅니다. CLIP은 다른 기술로는 만들 수 없는 매끄러운 면을 가진 고무 같고 유연한 개체를 생성할 수 있습니다.

2. 재료 압출

재료 압출 그림:노즐(1)이 빌드 플랫폼(3)에 재료(2)를 증착하고 있습니다.

이 프로세스에서 고체 열가소성 재료의 필라멘트가 가열된 노즐을 통해 밀려 재료를 녹이고 미리 결정된 경로를 따라 빌드 플랫폼에 증착됩니다. 이 물질은 결국 냉각되고 응고되어 3차원 물체를 형성합니다. 이 과정에서 가장 일반적으로 사용되는 기술은

2a) 융합 증착 모델링(FDM): 나일론, 열가소성 폴리우레탄, 폴리락트산 등의 열가소성 소재의 연속 필라멘트를 사용합니다.

2b) 로보캐스팅: 노즐이 빌드 플랫폼을 가로질러 이동하는 동안 작은 노즐에서 페이스트와 같은 재료를 압출하는 작업이 포함됩니다. 이 공정은 압출 후 모양을 유지하기 위해 재료의 건조 또는 응고에 의존하지 않는다는 점에서 FDM과 다릅니다.

3. 시트 적층

일부 프린터는 인쇄 비용을 낮추기 위해 종이와 플라스틱을 제작 재료로 사용합니다. 이 기술에서는 접착 플라스틱, 종이 또는 금속 라미네이트의 여러 층을 연속적으로 결합하고 레이저 커터나 칼을 사용하여 모양을 자릅니다.

층 분해능은 재료 공급원료에 의해 정의될 수 있습니다. 일반적으로 복사 용지 한 장에서 몇 장 사이입니다. 이 프로세스는 큰 부품을 만드는 데 사용할 수 있지만 최종 제품의 치수 정확도는 광 조형의 치수 정확도보다 훨씬 낮습니다.

4. 직접 에너지 증착

지향성 에너지 증착 기술은 첨단 금속 산업 및 신속한 제조 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 인쇄 장치에는 다축 로봇 팔에 고정된 노즐이 있습니다. 노즐은 빌드 플랫폼에 금속 분말을 도포한 다음 레이저, 플라즈마 또는 전자 빔에 의해 녹여서 고체 물체를 형성합니다.

이 유형의 3D 프린팅은 알루미늄, 스테인리스 스틸 및 티타늄을 비롯한 다양한 금속, 기능 등급 재료 및 복합 재료를 지원합니다. 완전히 새로운 금속 부품을 구성할 수 있을 뿐만 아니라 기존 부품에 재료를 부착할 수 있어 하이브리드 제조 애플리케이션이 가능합니다.

5. 재료 분사

재료 분사 공정으로 인쇄된 부품

재료 분사는 잉크젯 종이 프린터와 유사한 방식으로 작동합니다. 이 과정에서 작은 직경의 노즐을 통해 감광성 ​​물질을 액적에 도포한 다음 자외선에 의해 경화시켜 부품을 한 층씩 구축합니다.

이 기술에 사용된 재료는 열경화성 포토폴리머(아크릴)입니다. 다중 재료 인쇄 및 다양한 재료(고무와 유사한 재료 및 투명 재료 포함)도 사용할 수 있습니다.

재료 분사 3D 프린팅은 매끄러운 표면 마감으로 높은 치수 정확도의 부품을 구성할 수 있기 때문에 시각적 프로토타입과 상용 도구 모두를 제조하는 데 매력적인 옵션입니다.

6. 바인더 분사

바인더 젯팅으로 사암에 인쇄된 풀 컬러 인쇄 | 이미지 제공:3D Hubs

바인더 분사는 분말 기본 재료와 액체 바인더의 두 가지 재료를 사용합니다. 분말은 빌드 챔버의 균일한 층에 분포되고 바인더는 분말 입자를 '접착'하여 원하는 물체를 만드는 제트 노즐을 통해 적용됩니다.

왁스 또는 열경화성 폴리머는 강도를 높이기 위해 종종 접착 분말과 혼합됩니다. 3D 프린팅이 완료된 후 남은 가루를 모아 다른 구조물을 프린팅하는 데 사용합니다.

이 기술은 잉크젯과 유사한 프로세스와 매우 유사하기 때문에 인젝트 3D 프린팅이라고도 합니다. 주로 엘라스토머 부품, 돌출부 및 다채로운 프로토타입을 인쇄하는 데 사용됩니다.

7. 파우더 베드 퓨전

SLS 시스템 | DTM – 2500CI

분말 베드 융합은 열원(예:열전사 프린트 헤드 또는 레이저)을 사용하여 분말 형태의 재료를 통합하여 물리적 개체를 만드는 적층 제조의 하위 집합입니다. 이 기술의 가장 일반적인 5가지 형태는

7a) 선택적 레이저 소결(SLS): 레이저를 전원으로 사용하여 폴리아미드 또는 나일론과 같은 분말 재료를 소결합니다. 여기서 소결이라는 용어는 액화점까지 녹이지 않고 압력이나 열을 가하여 재료의 고체 덩어리를 압축하고 형성하는 과정을 말합니다.

7b) 선택적 레이저 용융(SLM): 이 기술은 SLS와 달리 금속 분말을 완전히 녹이고 융합하도록 설계되었습니다. 기존 제조 금속과 유사한 기계적 특성을 가진 완전히 조밀한 재료(층별로)를 생성할 수 있습니다. 이는 산업계와 연구 분야 모두에서 빠르게 발전하고 있는 프로세스 중 하나입니다.

7c) 전자빔 용융(EBM): 이 과정에서 원료(와이어 또는 금속 분말)를 진공 속에 넣고 전자빔을 이용해 융합시킨다. EBM은 전도성 재료에만 사용할 수 있지만 에너지 밀도가 높기 때문에 빌드 속도가 월등합니다.

7d) 선택적 열 소결(SHS): 열 프린트 헤드를 사용하여 열가소성 분말 층에 열을 가합니다. 층이 완성되자마자 파우더 베드가 아래로 이동하고 새로운 재료 층이 추가된 다음 모델의 다음 단면을 형성하기 위해 소결됩니다. 이 기술은 기능 테스트를 위한 저렴한 프로토타입 및 부품을 제조하는 데 가장 적합합니다.

7e) 직접 금속 레이저 소결(DMLS): SLS와 비슷하지만 대신 금속력을 사용합니다. 남은 전력은 물체의 지지 구조가 되어 다음 3D 인쇄에 재사용할 수 있습니다. DMLS 부품은 대부분 티타늄, 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 여러 틈새 합금과 같은 분말 재료로 만들어집니다. 맞춤형 의료 부품, 오일 및 가스 부품, 견고한 기능 프로토타입에 이상적인 프로세스입니다.

응용 프로그램

최근 10년 동안 3D 프린팅은 크게 발전했습니다. 복잡한 디자인을 더 저렴한 비용으로 빠르게 제작할 수 있기 때문에 상업용 제조 및 의료에서 ​​건축 및 맞춤형 디자인에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 필수적인 도구가 되었습니다.

많은 적층 제조 기술을 사용하여 식품을 제조할 수 있습니다. 최신 3D 프린터에는 레시피가 미리 로드되어 있으며 사용자가 컴퓨터와 스마트폰에서 원격으로 음식을 만들 수도 있습니다. 3D 인쇄된 음식은 질감, 색상, 모양, 맛 및 영양면에서 사용자 정의할 수 있습니다.

이 기술은 제약 제제에서도 효과적인 것으로 입증되었습니다. 2015년에 3D 프린팅으로 제조한 첫 번째 제형이 생산되었습니다. 같은 해 FDA는 첫 번째 3D 프린팅 태블릿을 승인했습니다.

2014년 ISS로 보내진 Zero-G 3D 프린터

2014년 SpaceX는 국제 우주 정거장에 최초의 무중력 3D 프린터를 납품했습니다. 이제 우주 비행사가 소켓 렌치와 같은 유용한 도구를 인쇄하는 데 사용합니다.

사실, 행성이나 소행성에서 계획된 많은 조립 프로젝트는 인근 지역에서 구할 수 있는 재료를 사용하여 어떻게든 부트스트랩될 것입니다. 3D 프린팅은 이 부트스트래핑의 주요 단계 중 하나입니다.

오늘날 기술 회사는 분산 제조와 지리적으로 독립적인 분산 생산을 가능하게 하기 위해 클라우드 컴퓨팅과 적층 제조를 통합하고 있습니다. 일부 회사는 개인 및 상업 고객 모두에게 온라인 3D 프린팅 서비스(웹사이트를 통해)를 제공합니다.

읽기:3D 인쇄용 무료 STL 파일을 다운로드할 수 있는 40가지 최고의 웹사이트

3D 프린팅의 미래

3D 프린팅의 큰 꿈은 "모든 사람의 집에 있는 공장"입니다. 이상하게 들릴 수도 있지만, 무한히 사용자 정의할 수 있는 것을 즉시 생산할 수 있는 기계를 소유하는 것이 매력적이라는 점은 부인할 수 없습니다.

컴퓨터와 스마트폰이 수십억 명의 사람들에게 힘을 실어준 것처럼 3D 프린터도 제조 분야에서 동일한 역할을 할 수 있습니다.

GrandViewResearch에 따르면 전 세계 3D 프린팅 시장은 2019년 115억 8,000만 달러에서 2027년(연간 14% 성장률)까지 330억 달러 이상에 이를 것으로 예상됩니다.

시장 성장을 주도할 것으로 예상되는 요인에는 공격적인 R&D와 다양한 산업 분야, 특히 자동차, 항공 우주, 방위 및 의료 분야의 프로토타입 애플리케이션에 대한 수요 증가가 포함됩니다.