실리콘 3D 인쇄에 대한 초보자 안내서

[이미지 제공:ACEO]

실리콘 3D 프린팅은 의료, 로봇 공학 및 자동차 산업을 포함한 대부분의 산업에 적용될 수 있는 참신하지만 매우 다재다능한 기술입니다.

오늘날에는 프로토타입 제작 및 소량 생산에 사용되어 기업이 더 적은 양의 부품을 더 빠르고 경제적으로 생산할 수 있습니다.

이 가이드에서는 실리콘 3D 프린팅에 대한 수요를 주도하는 요인, 시장에서 사용할 수 있는 주요 기술, 그리고 실리콘 3D 프린팅의 이점을 가장 잘 활용하는 응용 분야에 대해 알아볼 것입니다.

실리콘 3D 프린팅의 부상

실리콘은 섬유에서 자동차 부품에 이르기까지 거의 보편적으로 사용되는 소재입니다. 놀라운 응력과 극한의 온도를 견딜 수 있어 항공기 및 우주선 조립의 여러 측면에서 원하는 재료가 됩니다. 생체 적합성 덕분에 실리콘은 의료 분야에서도 널리 사용됩니다.

최근까지 실리콘 부품의 생산은 주로 사출 성형을 통해 이루어졌습니다. 그러나 이 기술은 100,000달러를 훨씬 웃도는 높은 금형 비용으로 인해 매우 비쌀 수 있으므로 소량 생산 비용을 감당할 수 없습니다.

또한 회사에서 첫 번째 부품을 생산한 후 설계를 변경하려면 금형을 반복해야 하므로 비용과 리드 타임이 추가됩니다.

반면에 3D 프린팅은 도구가 필요하지 않고 프로세스 비용이 부피에 의해 좌우되지 않기 때문에 더 유연합니다. 따라서 3D 프린팅과 실리콘을 결합하면 적은 양의 부품이 필요할 때 적합합니다.

이 조합이 제공하는 이점에도 불구하고 실리콘 3D 프린팅은 특히 재료의 특성 때문에 최근에야 개발되었습니다.

실리콘은 점도가 높아 다른 폴리머와 같은 방식으로 재료를 3D 프린팅하기 어려운 경우가 많습니다. 또한 실리콘은 일반적으로 고온에서 굳어지므로 폴리머 3D 프린터가 달성하기 어려운 경우가 많습니다.

그러나 실리콘 3D 프린팅 시장은 실리콘 3D 프린팅 기술의 수요 증가와 혁신으로 인해 점진적으로 확대되기 시작했습니다.

실리콘 3D 프린팅 기술

독일 화학 대기업 Wacker Chemie AG의 한 부서인 ACEO는 순수 실리콘 3D 프린팅 기술을 개발한 최초의 회사였습니다.

2016년 처음 공개된 ACEO의 기술은 잉크젯 기술과 유사한 방식으로 작동하는 '주문형 드롭' 기술을 사용합니다. 이 공정은 단일 부품 층의 형태로 재료의 액적을 증착하는 것으로 시작되며, 그런 다음 UV 광으로 경화됩니다. 그런 다음 실리콘 방울의 다음 층이 적용되고 UV 광선이 이를 이전 방울에 결합합니다. 객체가 완료될 때까지 프로세스가 반복됩니다.

100% 실리콘 부품을 생산하는 최초의 3D 프린팅 기술인 것 외에도 ACEO의 공정은 사출 성형에 필적하는 등방성(모든 방향으로 균일한) 기계적 특성을 가진 부품을 만듭니다.

또한 ACEO의 공정도 다중 재료이므로 다양한 색상과 다양한 경도의 부품을 생산할 수 있습니다.

작년에 ACEO는 최대 4개의 다른 실리콘 재료를 사용하여 부품을 동시에 3D 인쇄할 수 있는 새로운 ACEO Imagine Series K2 3D 프린터를 출시하여 기술을 더욱 향상시켰습니다.

실리콘 3D 프린팅 분야의 첫 번째 참가자 중 하나인 ACEO의 기술은 산업용품, 화학, 의료 및 치과 산업을 포함한 다양한 산업 분야에서 수요가 있습니다.

Henkel의 LOCTITE 3D 프린터

헨켈은 실리콘 3D 프린팅 분야에서 활동하는 또 다른 화학 회사입니다. 이 회사는 2018년에 록타이트 브랜드로 실리콘 3D 프린터와 함께 두 가지 실리콘 재료를 출시했습니다.

3D 프린터는 액체 포토폴리머 수지를 광원 아래에서 경화시키는 DLP(Digital Light Processing) 기술을 기반으로 합니다. 이 시스템은 실리콘 수지 외에도 헨켈과 기타 재료 제조업체가 개발한 다양한 기타 재료를 처리할 수 있습니다. 이는 3D 프린터가 하나의 재료 브랜드에만 국한되지 않기 때문에 기술 사용자에게 훨씬 더 큰 유연성을 제공하는 개방형 재료 플랫폼임을 의미합니다.

Spectroplast의 실리콘 3D 프린팅 서비스

Henkel 및 ACEO와 같은 대기업 외에도 몇 개의 신생 기업이 자체 기술로 실리콘 3D 프린팅 시장에 진출했습니다. 스위스 회사인 Spectroplast가 그러한 회사 중 하나입니다.

스펙트로플라스트(Spectroplast)는 수년간의 DLP 기반 3D 프린터 연구 개발 끝에 지난해 9월 실리콘 3D 프린팅 사업을 시작했다.

Spectroplast의 CTO인 Petar Stefanov는 AMFG와의 인터뷰에서 DLP 방법이 '훨씬 더 높은 해상도를 제공하므로 표면 조도가 향상됩니다'라고 말했습니다.

Spectroplast의 공정은 또한 '기존의 실리콘 3D 프린팅 방법에 비해 [최소 10배][빠르다]"라고 합니다.

회사가 계속 성장함에 따라 차세대 실리콘 소재를 출시하고 사출 성형 표준에 필적하는 수준으로 기술을 개발할 계획입니다.

종자 자금에 대한 138만 유로의 최근 투자로 지원되는 Spectroplast는 이러한 목표를 달성하고 성장하는 실리콘 시장의 몫을 주장할 수 있는 좋은 위치에 있습니다.

독일 RepRap의 LAM 기술

또 다른 흥미로운 실리콘 3D 프린팅 기술은 German RepRap에서 개발했습니다. 이 회사는 압출 기반 3D 프린터를 전문으로 합니다. 그러나 실리콘 3D 프린팅 기술은 완전히 다른 접근 방식을 기반으로 합니다.

LAM(Liquid Additive Manufacturing) 기술은 German RepRap이 프로세스라고 명명한 바와 같이 층별로 증착되는 실리콘을 포함하여 액화 폴리머와 함께 작동합니다. 그런 다음 각 레이어를 가황 처리하고 열에 노출된 이전 레이어와 결합합니다.

가황 공정은 사출 성형 부품과 거의 동일한 특성을 가진 LAM 3D 인쇄 부품을 만드는 것으로 알려져 있습니다.

LAM 프로세스는 양산 준비가 된 최초의 LAM 3D 프린터인 L280과 함께 Formnext 2018에서 처음 공개되었습니다. 이 회사는 산업용 기술을 더욱 발전시키기 위해 노력해 왔으며 작년에 새로운 L320 LAM 3D 프린터를 출시했습니다.

또한 주목할 가치가 있는 것은 지난 달 독일 RepRap이 3D 프린터도 만들고 있는 기계 제조 회사인 Arburg에 인수되었다는 것입니다. 이번 인수가 LAM 기술 로드맵에 어떤 영향을 미칠지 지켜보는 것도 흥미로울 것입니다. 아마도 Arburg가 LAM 기반 실리콘 3D 프린터를 개발하거나 German RepRap이 현재 대규모 기술 그룹의 지원을 받는 자체 브랜드로 LAM 기술을 계속 개발하는 것을 보게 될 것입니다.

어쨌든 3D 인쇄 실리콘에 대한 수요가 증가하고 경쟁이 거의 없기 때문에 LAM 기술 개발이 중단될 가능성은 거의 없습니다.

실리콘 3D 프린팅 애플리케이션

의료

무독성, 생체 적합성 및 자외선 및 화학 물질에 대한 내성과 같은 재료의 특성 덕분에 실리콘 3D 프린팅은 특히 의료 산업의 응용 분야에 적합합니다.

여기에는 보청기, 마스크, 보철물, 보철 라이너, 기관 스텐트 및 심장 판막, 교정용 깔창이 포함됩니다.

기본적으로 실리콘 3D 프린팅을 사용하면 이러한 장치를 비용 효율적으로 맞춤화할 수 있으므로 환자에게 더 잘 맞습니다.

한 예로 Spectroplast가 공유하는 실리콘 3D 프린팅이 유방암 환자를 위한 맞춤형 유방 보형물을 생산하는 데 적용되었습니다.

유방 절제술로 알려진 절차에서 '유방의 일부가 제거되고 대부분의 환자는 브래지어에 착용하는 본질적으로 실리콘 물체인 외부 보형물을 선택해야 합니다. 오늘날 이러한 제품은 몇 가지 표준화된 크기와 훨씬 적은 수의 표준화된 모양으로 제공되며 일반적으로 환자의 해부학적 구조에 완벽하게 맞지 않습니다'라고 Petar Stefanov는 설명합니다.

Spectroplast 실리콘 3D 프린팅 서비스를 사용하여 병원은 이제 원래 대칭을 유지하는 맞춤형 보철물을 환자에게 제공할 수 있습니다.

또 다른 경우에, 록타이트는 인공호흡기 제조업체가 환기 제품 중 하나를 위한 100개의 실리콘 튜브를 생산하도록 도왔습니다. 이 상황에서는 사출 성형이 불가능했습니다. 주로 설계상의 제약 때문이었습니다. 튜브는 매우 작은 중공 코어로 인해 제작이 거의 불가능했습니다. 이것이 회사가 복잡한 기능과 세부 사항을 거의 제한 없이 생성할 수 있는 것으로 알려진 3D 프린팅에 눈을 돌린 이유입니다.

궁극적으로 100개의 투명 실리콘 튜브는 하루 30개의 부품 비율로 부품당 19달러의 비용으로 3D 프린팅되었습니다. 이는 사출 성형에 대해 견적된 부품당 190달러보다 훨씬 저렴합니다. 비용 절감 외에도 하드 툴링의 리드 타임도 4주에서 6주로 단축되어 영업일 기준 며칠로 단축되었습니다.

로봇 공학

산업재 산업에서 실리콘 3D 프린팅은 소프트 로봇 공학의 프로토타입 및 제조에 사용됩니다. 소프트 로봇은 매우 유연한 재료로 구성되어 기존 로봇이 복제할 수 없는 살아있는 유기체와 유사한 새로운 로봇 움직임을 허용합니다. 게다가, 소프트 로봇은 주변 환경에 대한 뛰어난 적응력을 제공하고 인간 주변에서 더 안전합니다.

독일의 신생 기업인 Formhand는 실리콘 3D 프린팅의 도움을 받아 산업 전반에 걸쳐 다목적 애플리케이션을 위한 범용 그리퍼를 개발했습니다. 팀은 ACEO의 실리콘 3D 프린팅 서비스를 사용하여 여러 그리퍼 디자인의 프로토타입을 제작했습니다. 이 기술 덕분에 맞춤형 구성 요소를 저렴한 비용으로 신속하게 만들 수 있었습니다.

기타 애플리케이션

위에서 언급한 응용 분야 외에도 실리콘 3D 인쇄는 전자 부품용 덮개를 생산하는 데 적합하여 극한의 열, 습기, 염분, 부식 및 먼지로부터 보호합니다.

또한 이 기술을 사용하여 화학 및 자동차 응용 분야용 씰을 제조할 수 있습니다. 치과 산업에서 치열 교정의는 실리콘 3D 프린팅을 적용하여 치아 모델을 만든 다음 크라운과 같은 다양한 치과 장치를 만드는 데 사용합니다.

실리콘 3D 프린팅의 미래

분명히, 실리콘 3D 프린팅 애플리케이션의 한계는 무한합니다. 그러나 기술의 초기 단계로 인해 채택률이 낮습니다. 많은 기업들이 여전히 이 기술의 기능을 인식하지 못하거나 새로움 때문에 도입을 주저하고 있습니다.

즉, 이 공간의 지속적인 혁신과 새로운 회사의 유입을 고려할 때 실리콘 3D 프린팅은 다른 실리콘 제조 기술에 대한 실행 가능한 대안이 될 것입니다. 실리콘 3D 프린팅 부품에 대한 수요가 증가하고 있으며 이는 기술의 미래가 흥미롭고 영향력이 클 것임을 시사합니다.