SLA와 SLS가 신속 프로토타이핑을 혁신하는 방법

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게시일: 2018년 7월 13일, | 작성자: 윌(Will), 웨이켄 프로젝트 매니저

기술 발전에 따라 3D 프린팅은 단순한 개념에서 현실로 진화했습니다. 산업 포화로 제조업체의 주된 목표는 제품을 제조하는 것뿐만 아니라 더 짧은 시간에 더 많은 제품을 생산하기 위해 혁신적인 방법을 사용하는 것이 되었습니다. 그래서 요즘 제조업체들은 다양한 신속 프로토타이핑 기술을 사용합니다. 이러한 혁신적인 방법은 시간과 비용을 절약할 뿐만 아니라 비용 효율적입니다. 요즘 사용되는 그러한 신속 프로토타이핑 기술 중 하나는 3D 프린팅(SLA 프로토타이핑 & SLS 프로토타이핑)입니다. 3D 프린팅은 시간과 비용 절약 외에도 제품의 3D CAD 모델로부터 최고의 기능성 프로토타입을 생산합니다.

3D 프린팅의 역사

3D 프린팅 개념은 1981년 나고야 시립 산업 연구소가 3차원 모델을 제작하기 위해 광경화 열경화성 폴리머를 활용했을 때로 거슬러 올라갑니다. 이때 마스크 패턴을 사용하여 UV 노출 영역을 제어했습니다. 하지만 당시에는 소재와 3D 모델링 소프트웨어 제약으로 사용이 적었습니다. 2000년 초 중국이 상업용 신속 프로토타이핑 장비를 수입했으며, 주요 용도는 산업용 3D 프린팅이었습니다. 2013년 NASA 직원 사만다 스네이브스(Samantha Snabes)와 매튜 피들러(Matthew Fiedler)가 최초의 저렴한 3D 프린터 프로토타입인 기가봇(Gigabot)을 소개하면서 산업계에서 유행어가 되었습니다.

3D 프린팅: 신속 프로토타이핑의 선도적 트렌드

비용 절감부터 혁신을 통한 효율성 증대까지, 많은 사람들이 3D 프린팅이 제조의 미래에 미칠 영향에 대해 기대합니다. 하지만 진실은, 이미 산업뿐만 아니라 일반 고객에게도 상당한 영향을 미쳤다는 것입니다.

가정용 3D 프린터는 R&D 제품으로 사용되며 산업에서 3D 모델을 설계하는 데 쓰입니다. 하지만 이것이 산업 고객만을 위한 제품이라고 말하는 것은 잘못입니다. 시간이 지남에 따라 3D 프린팅에 사용되는 소재가 더 저렴하고 쉽게 구할 수 있게 되면서 일반 고객 사이에서도 널리 인기를 얻고 있습니다. 게다가 3D 프린터는 CNC 밀링, 선반, 정밀 연삭 같은 기존 절삭 공구실 방식에 비해 훨씬 적은 공간을 차지합니다.

요즘 모델링 소프트웨어의 가용성도 이 기술 발전을 돕고 있습니다. 일반적으로 모델은 STL 포맷으로 저장되는데, 이는 CAD 모델의 삼각분할 기반으로 데이터를 저장하는 신속 프로토타이핑용 CAD 파일 포맷입니다. 하지만 이 포맷은 많은 격자 구조로 파일을 저장하여 오류를 발생시켰습니다. 하지만 최신 소프트웨어는 적층 제조 파일 포맷(AMF)으로 파일을 저장하여 더 적은 오류를 생성합니다. 게다가 이 소프트웨어들은 사용자 친화적 인터페이스를 가지고 있어 일반 및 산업 사용자 모두가 제품의 3D 모델을 쉽게 모델링할 수 있습니다.

최근 연구에 따르면 2020년까지 전 세계적으로 670만 대의 3D 프린터가 출하될 것으로 예상되며, 이는 2016년보다 14배 더 많은 수치입니다. 새로운 기술이 3D 프린터의 용도를 개선함에 따라 이 기술은 제조 산업을 더 높은 영광의 차원으로 계속 이끌 것입니다.

그림 1: 2015-2020년 글로벌 3D 프린터 출하 대수

3D 프린팅 기술

3D 프린팅 기술에는 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 기술이 있습니다: SLA 신속 프로토타이핑 & SLS 신속 프로토타이핑.

1. SLA 신속 프로토타이핑

SLA 신속 프로토타이핑은 광중합(Photopolymerization) 기술을 사용하여 다양한 프로토타입, 모델, 패턴을 레이어별로 생성하는 3D 프린팅 기술 유형으로, 스테레오리소그래피(Stereolithography)라고도 합니다. 광중합은 빛의 작용 하에 분자가 결합하여 폴리머를 형성하는 공정입니다. 기본적으로 레진(프로토타입 제작에 사용되는 소재)은 빛과 자외선을 사용하여 고체화됩니다. 이렇게 하여 SLA 신속 프로토타이핑을 사용하여 원하는 프로토타입이 레이어별로 생성됩니다.

UV 방사선은 광중합체 탱크에 사전 프로그래밍된 형상을 구축하는 데 사용됩니다. 광중합체는 UV 방사선에 민감하므로 레진이 고체화되어 원하는 프로토타입의 단일 레이어를 형성합니다. 이런 식으로 레진 레이어들이 고체화되어 원하는 프로토타입이 형성될 때까지 계속됩니다.

SLA 프로토타입 제품은 모든 3D 신속 프로토타이핑 기술 중 가장 높은 해상도와 표면 마감을 가지며, 그 다용성은 사용되는 레진에 있습니다. 기술 발전으로 소재 엔지니어들은 표준 엔지니어링 열가소성 소재와 특성이 일치하는 SLA 프로토타이핑용 다양한 레진을 개발했습니다.

그림 2: SLA 신속 프로토타이핑 공정을 보여주는 그림

용도

SLA 신속 프로토타이핑은 시작 이래 다양한 산업에서 제품 개발에 널리 사용되어 왔습니다.

· 의료 모델링

SLA 신속 프로토타입 제품은 기술 도입 이래 의학에서 사용되었습니다. 컴퓨터 스캔에서 얻은 데이터를 기반으로 환자 신체 여러 부위의 해부학적 3D 모델을 만드는 데 사용됩니다. 이 모델들은 진단과 치료 보조에 사용됩니다. 외과의는 수술 시 이 모델들을 보조로 사용하며, 의수/의족 제작자는 맞춤형 임플란트 제조에 사용합니다.

그림 3: SLA 신속 프로토타이핑으로 제작된 모델

· 프로토타이핑

SLA 신속 프로토타이핑은 비교적 저렴한 비용으로 균일/불규칙 형상 소재의 프로토타입을 만드는 데도 사용됩니다. SLA 신속 프로토타이핑 방식으로 만든 프로토타입은 가공 가능하며 다양한 금속 주조 작업의 패턴을 형성할 수 있습니다.

2. SLS 신속 프로토타이핑

선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering)은 흔히 SLS 신속 프로토타이핑이라고 하며, 파우더 소재의 고체화제로 레이저를 사용하는 기술입니다. 주로 사용되는 파우더 소재는 나일론입니다. 나일론은 인상적인 기계적 특성을 가진 엔지니어링 열가소성 수지로 가볍고 안정적입니다. 이 유형의 3D 프린터는 자동으로 파우더 소재에 레이저를 조준하여 필요한 구조를 만들기 위해 고체화시킵니다. SLS 신속 프로토타이핑은 선택적 레이저 용융(SLM)과 다릅니다. SLM에서는 소재가 녹는 반면 SLS 신속 프로토타이핑에서는 소결되기 때문입니다.

그림 4: SLS 신속 프로토타이핑 공정을 보여주는 그림

SLS 신속 프로토타이핑은 SLA 신속 프로토타이핑과 마찬가지로 컴퓨터 지원 설계를 사용하여 소결 파우더의 도움을 받아 필요한 프로토타입을 개발합니다. 고출력 레이저(주로 이산화탄소 레이저)를 사용하여 파우더 형태의 작은 입자들을 융합하여 필요한 프로토타입 형상을 만듭니다. 레이저는 CAD 모델에 의해 생성된 단면들을 스캔하고 필요한 프로토타입 형상으로 소결 소재들을 선택적으로 융합합니다. 단면이 스캔된 후 파우더 베드가 낮아지고 새로운 소재 층이 위에 적용되어 원하는 제품이 형성될 때까지 반복됩니다.

SLS 신속 프로토타이핑에 사용되는 나일론 소재는 높은 기계적 강도뿐만 아니라 충격, 빛, 물에 강한 프로토타입 제작에 유용합니다. 저비용 생산과 높은 생산성은 이 기술을 산업계에서 신속 프로토타이핑용으로 꽤 인기 있게 만듭니다.

용도

SLS 신속 프로토타이핑은 시작 이래 다양한 산업에서 제품 개발에 널리 사용되어 왔습니다.

· 항공우주 산업

SLS 신속 프로토타이핑은 적은 수량으로 고품질 파트가 필요한 산업에서 꽤 인기 있습니다. 그런 산업 중 하나가 항공기 프로토타입이 필요한 항공우주 산업입니다. 항공기와 기타 항공우주 차량은 적은 수량으로 제작되어 수십 년간 서비스되므로 SLS 신속 프로토타이핑은 항공기 산업을 위한 고품질 파트 생산에 사용됩니다.

그림 5: 에어버스(Airbus)가 SLS 신속 프로토타이핑으로 제작한 컴파트먼트 패널

· 복잡한 지오메트리 프로토타이핑

SLS 신속 프로토타이핑은 CAD 모델을 사용하여 복잡한 형상의 지오메트리를 생산하는 산업에서 널리 사용됩니다. SLS 신속 프로토타이핑이 다양한 소재로 프로토타입을 생산하여 레이저 작용 하에 융합되게 할 수 있기 때문입니다. 서포트 구조가 필요 없는 것도 고품질 파트를 생산하는 산업에서 널리 인기 있는 이유입니다.

그림 6: SLS 신속 프로토타이핑으로 설계된 프로펠러

SLA와 SLS 비교

1. 사용 원자재

SLS - 사용 원자재는 나일론 파우더, 폴리카보네이트 카본 파우더, 염화비닐 파우더 등 고성능 파우더로 다양함.

SLA - 사용 원자재는 열가소성 소재와 품질이 비교할 수 없는 액체 폴리머.

2. 소재 수축

SLS - 소재 수축 범위 2-4%.

SLA - 소재 수축 0.4% 미만으로 더 디테일한 파트 생산 가능.

3. 빌드 크기

SLS - 최대 1500 x 750 x 500mm 크기 프로토타입 생산 가능.

SLA - 최대 145 x 145 x 175mm 크기 프로토타입 생산 가능.

4. 표면 마감

SLS - 소재 마감이 거칠고 다소 느슨함.

SLA - 소재 마감이 상대적으로 매끄러움.

5. 강도

SLS - 사용 원자재로 인해 생산된 파트 강도가 높음.

SLA - 생산된 소재 강도는 상대적으로 낮음.

6. 가공 작업

SLS - 생산된 프로토타입은 밀링, 선반, 드릴링 등 가공하기 쉬움.

SLA - 프로토타입 강도가 낮아 가공이 어렵고 각별한 주의 필요.

7. 내마모성

SLS - 내마모성은 열가소성 소재와 유사함.

SLA - 환경 조건에 대한 내성이 낮음. 에폭시 레진 사용으로 상당히 개선 가능.

그림 7: SLS 신속 프로토타이핑으로 제작된 모델

이점: SLA와 SLS를 사용한 3D 프린팅

더 짧은 기간 내에 제품을 대량 생산하기 위해 3D 프린팅은 필수적인 도구입니다. 이 기술을 고용함으로써 누릴 수 있는 많은 이점이 있습니다.

1. 비용 효율성

비용 효율성은 3D 프린팅의 주요 이점 중 하나입니다. 이 공정으로 생산된 프로토타입의 강도와 마감은 수정이 필요하지 않아 비용을 절약합니다. 게다가 제품을 대량 생산할 수 있어 많은 비용을 절약합니다.

2. 속도

이 기술은 산업인들이 기존 산업 공정에 비해 훨씬 적은 시간을 소비하며 더 많은 제품을 더 빠른 속도로 생산할 수 있게 합니다. 사용자는 CAD 모델만 필요하며 프린터는 그 모델을 사용하여 훨씬 적은 시간에 제품을 개발합니다. 게다가 설계된 프로토타입은 고품질과 강도를 가져 이 기술을 전 세계 산업과 일반인 모두에게 인기 있게 만듭니다.

3. 보관 공간 감소

3D 프린터는 지금까지 산업에서 고용해 온 기존 대량 생산 기계에 비해 훨씬 적은 공간을 소비합니다. 게다가 그 기계들의 도구는 무겁고 비싼 반면 콤팩트한 3D 프린터는 훨씬 적은 공간을 소비합니다.

4. 리스크 완화

3D 프린팅은 CAD 모델에서 비싼 프로토타입 생산 전에 설계를 검증할 수 있게 합니다. 그래서 CAD 모델이 그에 따라 수정됩니다. 게다가 테스트 금형 생산은 이미 생산된 금형을 변경하는 것보다 훨씬 저렴합니다.

5. 피드백

프로토타입으로 제품을 실제로 생산하기 전에 시장 잠재력을 테스트할 수 있습니다. 실제로 제품을 생산하기 전 구매자들의 반응은 제품의 미래 전망을 예측하고 대량 생산할 제품 수를 결정하는 데 도움이 됩니다.

6. 개인화

표준 가공 작업이 대량 생산에 사용되면 모든 파트는 동일한 설계나 결함(있는 경우)으로 기계나 금형에서 나옵니다. 하지만 3D 프린팅의 경우 고객이나 시장 수요에 따라 제품의 맞춤화, 개인화를 위한 여지가 항상 있습니다.

결론

SLA 프로토타이핑과 SLS 프로토타이핑 모두 기술 세계에서 위대한 혁명 중 하나로 간주됩니다. 기능성 프로토타입 생산은 이제 프로토타입의 특성 요구사항에 따라 이 두 기술을 고용하여 쉽게 생산할 수 있게 되었습니다. SLA는 표면 마감에 더 좋지만 SLS는 고강도 제품 생산에 더 좋습니다. 둘 다 최고 수준의 신속 프로토타이핑 기술이며 더 적은 오류로 제품 대량 생산에 사용될 수 있습니다.