신속한 프로토타이핑:3D 인쇄의 진화

신속한 프로토타입 제작 처음부터 적층 제조의 주요 이점 중 하나였습니다. 초기 기술을 사용하면 프로토타입이 며칠, 몇 주 또는 몇 개월이 걸릴 수 있지만 적층 제조를 사용하면 프로토타입을 사실상 하룻밤 사이에 생산할 수 있으므로 제품 설계 및 개발 단계를 크게 단축할 수 있습니다.

개념 생성 능력 또는 내구성 , 짧은 시간 안에 기능적 프로토타입을 만들 수 있으므로 3D 프린팅은 아이디어 구상에서 생산까지 훨씬 더 빠르게 진행되는 이상적인 솔루션입니다. 오늘은 래피드 프로토타이핑과 AM의 진화와 제품 개발 단계에서의 가치에 대해 살펴보겠습니다.

래피드 프로토타이핑이란 무엇입니까?

Rapid prototyping은 CAD 데이터를 사용하여 모델 및 프로토타입을 신속하게 제작하는 것을 말합니다. 이러한 모델은 제품 개발 단계에서 시각적 및/또는 기능적으로 테스트되고 검증됩니다.

최종 제품을 생산하기 전에 성능을 평가하고 테스트할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공하기 때문에 신속한 프로토타이핑에는 여러 가지 이점이 있습니다. 사출 성형과 같은 다른 방법을 프로토타이핑에 사용할 수 있지만 높은 툴링 비용과 빠른 설계 변경 불가능으로 인해 항상 올바른 옵션이 아닐 수 있습니다.

더 혁신적인 디자인 솔루션과 더 빠른 출시 속도에 대한 탐구는 프로토타입의 신속한 생성에 특히 적합한 더 효율적인 프로세스의 개발로 이어졌습니다. 이것이 3D 프린팅이 처음 등장한 방법입니다.

새로운 차원의 프로토타입 제작

3D 프린팅의 출현으로 제품 디자이너와 엔지니어는 프로토타이핑을 한 단계 더 발전시킬 수 있습니다. 이 기술은 도구가 필요하지 않으며(값비싼 도구가 필요 없음) 소량 생산에 적합하며 훨씬 더 짧은 시간에 부품을 생산할 수 있습니다. 즉, 프로토타입을 훨씬 빠르고 비용 효율적으로 생산할 수 있으며 모든 3D 인쇄 부품이 디지털 CAD 파일에서 생성되기 때문에 설계도 훨씬 더 쉽게 업데이트하고 조정할 수 있습니다.

빠른 프로토타이핑은 엔지니어가 생산에 들어가기 전에 최종 설계를 결정하는 데 도움이 되므로 값비싼 실수의 가능성을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 독일의 계측 및 검사 기술 제조업체인 Wöhler의 제품 디자이너는 최근 최종 제품에 가까운 미학으로 목재 수분 측정기 장치의 기능 프로토타입을 3D로 인쇄했습니다. 장치의 프로토타입은 단단하고 유연한 구성 요소로 구성되어 있으며 다른 재료로 만들어야 했습니다. 이를 위해 회사는 SLA(Stereolithography) 엔지니어링 등급 수지를 사용하여 손상 없이 기능 테스트를 견딜 수 있는 내구성 있는 프로토타입을 만들었습니다.

기능적 프로토타입은 제품 개발 단계에서 특히 중요하며 최종 부품의 기계적 특성을 테스트할 수 있는 기회를 제공합니다.

신속한 프로토타이핑:3D 인쇄 기술

3D 프린팅 기술의 출현으로 프로토타이핑의 개념이 새로운 차원으로 올라갔습니다. AM 기술의 발전 덕분에 이제 다양한 플라스틱 및 금속으로 기능성 프로토타입을 몇 시간 만에 생산할 수 있습니다.

광조형물

1980년대 SLA(Stereolithography)의 등장은 래피드 프로토타이핑 시대의 시작을 알렸습니다. 이 기술은 자외선 레이저를 사용하여 광중합체 수지의 초박막 층을 경화 및 고형화하며 정확성 또는 매끄러운 표면 마감이 필요한 프로토타입에 선택됩니다. 최초의 SLA 프린터는 표면이 거친 모델을 생산하는 크고 신뢰할 수 없는 기계였습니다. 그러나 30년 후, SLA는 높은 치수 정확도와 매끄러운 표면 마감으로 부품을 생산하기 위한 잘 정립되고 비용 효율적인 도구로 발전했습니다. 현재 시장에는 데스크탑 프린터에서 더 큰 산업용 기계에 이르기까지 다양한 SLA 기계 제품이 있습니다. SLA는 또한 다양한 수지 재료를 제공하여 다양한 재료를 제공합니다.

SLA는 사용 가능한 가장 빠른 3D 프린팅 기술 중 하나로 여겨지지만 최근 통 중합 기술의 발전(SLA는 속함) 잠재적으로 더 빠른 프로세스의 개발로 이어졌습니다. 한 가지 예는 Carbon의 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 기술입니다. 2015년에 도입된 CLIP은 사출 성형 부품과 매우 유사한 기계적 특성, 해상도 및 표면 마감을 가진 기능적 프로토타입 및 최종 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

선택적 레이저 소결

선택적 레이저 소결(SLS)은 1980년대 후반에 등장한 또 다른 초기 3D 프린팅 기술입니다. 이 프로세스에는 강력한 레이저를 사용하여 플라스틱 분말 재료를 융합하는 작업이 포함됩니다. 프로토타입의 재료 특성이 중요한 항공우주 및 의학과 같은 산업에서 가장 자주 사용됩니다.

시간이 지남에 따라 SLS는 높은 정확도, 속도, 내구성 및 필요한 지지 구조의 부족을 조합하여 제공하는 성숙한 제조 기술로 발전했습니다. 이것이 일반적으로 더 복잡하고 기능적인 프로토타입에 선택되는 이유입니다. 이 기술은 처음에는 작은 물체만 생산할 수 있었지만 오늘날 SLS 시스템은 다양한 크기의 프로토타입을 생산할 수 있으며 일부 대형 기계는 길이가 1미터 이상인 부품을 인쇄합니다. 나일론 및 세라믹에서 다양한 금속에 이르기까지 다양한 재료를 SLS와 함께 사용할 수도 있으므로 상업용 애플리케이션을 위한 훌륭한 프로토타이핑 옵션이 됩니다.

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SLS 시스템은 역사적으로 기업이 구입하는 데 더 비쌌습니다(수십만 달러). 그러나 2014년에 이 기술에 대한 특허가 만료되어 Formlabs Fuse 1 탁상용 3D 프린터와 같은 보다 저렴한 대안이 등장했습니다.

융합 증착 모델링

1990년대 Stratasys에서 시장에 등장한 이후 FDM(Fused Deposition Modeling)은 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 기술이 되었습니다. 이것은 부분적으로 2009년에 여러 FDM 특허의 만료로 설명됩니다. 그 이후로 FDM 데스크탑 3D 프린터가 상당히 저렴한 가격대로 등장하여 이 기술을 애호가와 기업 모두에게 훌륭한 진입점으로 만들었습니다.

FDM을 사용하면 열가소성 필라멘트가 한 번에 한 층씩 인쇄 플랫폼 위로 압출됩니다. FDM에 적합한 재료의 범위도 크게 증가했습니다. 오늘날 제조업체는 탄성 TPU에서 내구성 및 강화 ABS, PEEK와 같은 고성능 재료에 이르기까지 다양한 특성을 가진 열가소성 수지 중에서 선택할 수 있어 기능성 프로토타입을 보다 유연하게 생산할 수 있습니다.

풀 컬러 및 다중 재료 프로토타이핑

바인더 및 재료 분사

2000년대 초 컬러 및 다중 재료 3D 프린팅의 등장으로 최종 부품의 정확한 복제품인 프로토타입을 만들 수 있는 흥미로운 기회가 생겼습니다. Binder 및 Material Jetting은 최종 부품의 모양과 느낌을 표현할 수 있는 모델을 만드는 데 점점 더 많이 사용되는 두 가지 핵심 기술입니다. 이러한 프로세스의 다양한 색상 가능성은 페인팅과 같은 후처리 단계를 간소화하는 데도 도움이 됩니다. 두 기술의 주요 차이점은 Binder Jetting은 결합제를 사용하여 플라스틱 분말을 함께 융합하는 반면 Material Jetting은 광경화성 수지 방울을 증착하여 작동한다는 것입니다.

Material Jetting을 사용하면 다양한 색상의 프로토타입을 3D로 인쇄할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 재료 속성(예:유연함과 강성 동시에)을 결합한 부품도 인쇄할 수 있습니다. 이것은 최종 부품의 적합성과 기능을 수행하는 모델을 생성할 수 있는 많은 기회를 열어줍니다. 예를 들어 Stratasys의 J750 3D 프린터는 회사의 최신 Material Jetting 시스템입니다. J750은 Stratasys의 독점적인 PolyJet 기술을 사용하며 동시에 6가지 재료를 사용하여 다색 및 복합 재료 3D 프린팅을 제공합니다.

고품질 컬러 3D 프린팅은 특히 바인더 젯팅과 유사하게 작동하는 HP의 MJF(Multi Jet Fusion) 기술의 등장으로 빠른 속도로 성장하고 있습니다. MJF는 3D 인쇄 부품에 더 많은 정확성, 색상 선명도 및 표면 품질을 추가하여 하루 만에 기능적인 나일론 프로토타입을 생산한다고 합니다. Multi Jet 기술을 사용하여 사출 금형을 만들어 최종 부품과 거의 동일한 테스트용 부품을 생산할 수도 있습니다.

금속 프로토타이핑

항공우주 및 자동차 분야와 같은 특정 응용 분야에서는 부품의 성능을 검증하기 위해 일회성 기능 금속 프로토타입이 필요합니다. 다행히 3D 프린팅은 플라스틱뿐만 아니라 금속으로도 프로토타이핑을 경제적으로 만들었습니다. 재료 낭비 감소, 도구가 필요 없는 생산 및 더 큰 설계 자유도의 조합은 금속 3D 프린팅을 프로토타이핑을 위한 매력적인 옵션으로 만들었습니다.

또한 금속 3D 프린팅의 발전은 기능성 금속 프로토타입 생산에 영향을 미쳤습니다. 예를 들어 Markforged의 Metal X 시스템은 기존 금속 3D 프린터에 비해 훨씬 적은 시간과 비용으로 MIM(금속 사출 성형)을 사용하여 금속 부품을 인쇄할 수 있습니다.

주의 사항:CNC 가공이나 주조와 같은 기존 기술을 사용하는 것이 더 많은 양이 필요할 때 선호될 수 있지만 복잡한 내부 기능이 있는 소량의 프로토타입 배치에는 3D 프린팅이 더 실용적인 선택인 경우가 많습니다.

신속한 프로토타이핑은 어디에 사용됩니까?

의료, 자동차, 항공우주, 소비재 등 거의 모든 산업 분야에서 이미 프로토타입을 생산하기 위해 3D 프린팅을 사용하여 혜택을 받고 있습니다.

래피드 프로토타이핑이 적층 기술의 주요 응용 프로그램으로 남아 있는 자동차 부문을 예로 들어 보겠습니다. 자동차 제조업체 포드 프로토타입 제작에 3D 프린팅을 사용하여 리드 타임을 몇 개월 절약할 수 있었습니다. Ford 엔지니어는 3D 프린팅을 사용하여 각각 고유한 기능을 가진 여러 개의 프로토타입 사본을 동시에 생산할 수 있습니다. 이를 통해 병렬 테스트를 수행하여 부품 개발을 가속화하고 개선할 수 있습니다. 최근 Ford는 더 큰 자동차 부품의 신속한 프로토타이핑에 착수했습니다. 회사는 Stratasys의 Infinite Build 3D 프린터를 사용하여 연료 효율성 향상을 목표로 새롭고 가벼운 부품을 개발할 계획입니다.

3D 인쇄를 통한 신속한 프로토타이핑은 전자 제품, 특히 인쇄 회로 기판을 개발하는 데에도 점점 더 많이 사용됩니다. (PCB). 파이텍 산업용 임베디드 시장을 위한 첨단 솔루션 공급업체인 는 기능성 회로 기판을 개발하기 위해 Nano Dimension의 DragonFly 2020 3D 프린터를 사용했습니다.

이 기계는 전도성 잉크를 증착하고 기존 방법으로 PCB를 주문하고 만드는 것보다 10~15배 빠른 12~18시간 내에 PCB를 3D 인쇄할 수 있는 다중 재료 3D 인쇄 기술을 사용합니다. 이를 통해 회사는 개발 단계 초기에 기능 프로토타입을 받을 수 있어 개발 주기를 크게 단축하고 궁극적으로 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

RP 및 3D 프린팅 – 여전히 진화 중

신속한 프로토타이핑을 위한 3D 프린팅은 1980년대 이후로 많은 발전을 이룩했으며 강력한 제조 솔루션으로 발전했습니다. 이 기술을 처음 접하는 회사의 경우 3D 프린팅은 안정적이고 기능적인 프로토타입을 생산하고 제품 설계 및 개발 단계를 가속화하기 위한 이상적인 솔루션을 제공합니다. 핵심 질문은 기업이 디지털 제조 기술의 이점을 더 많이 활용할 수 있도록 기존 프레임워크 및 프로세스에 기술을 통합하는 방법입니다.

물론, 쾌속 프로토타이핑을 위한 3D 프린팅의 진화를 살펴보았지만 시장은 또한 최종 부품을 위한 3D 프린팅으로의 움직임을 보고 있습니다. 앞으로 3D 프린팅은 최종 생산을 향해 계속 발전하여 개발 및 생산의 모든 단계에서 유연한 제조 솔루션이 될 것입니다.