3D 프린팅 최종 가이드:장점, 단점 및 핵심 기술

3D 프린팅이란 무엇인가요?

3D 프린팅은 다양한 플라스틱과 금속으로 부품을 생산하는 데 사용되는 적층 제조 기술입니다. 플라스틱을 한 번에 한 층씩 압출하는 FDM(Fused Deposition Modeling)부터 레이저를 사용하여 금속 분말을 한 번에 한 층씩 융합하여 최종 부품으로 만드는 DMLS(Direct Metal Laser Sintering)까지 다양한 기술이 있습니다. 자세한 내용은 3D 프린팅 가이드를 참조하세요.

3D 프린팅의 장점은 무엇인가요?

3D 프린팅 전문가는 다음과 같습니다.

1. 주문형 인쇄

3D 프린팅을 시작하려면 매우 제한된 설정이 필요합니다. 설정 프로세스와 3D 프린팅 기계는 프린팅되는 부품 유형에 관계없이 동일합니다. 필요한 것은 일반적으로 OEM 또는 타사 소프트웨어를 사용하여 처리되는 부품의 3D 모델을 변환하는 것입니다. 변환이 완료되면 파일은 USB-A 커넥터, 무선 또는 SD 카드를 통해 프린터에 로드됩니다. 그런 다음 재료는 일반적으로 액체 포토폴리머, 필라멘트 또는 분말 형태로 프린터에 추가됩니다. 그 후에는 사람의 개입 없이 인쇄 프로세스가 계속됩니다. 부품이 완성되면 지지 구조 제거와 같은 일부 후처리가 필요할 수 있습니다. 주문형 클라우드 서비스에는 3D 모델만 필요하며 3D 프린터에 투자할 필요 없이 항목을 3D 프린팅하여 배송합니다. 

2. 합리적인 가격

3D 프린팅 공정은 사출 성형과 같은 다른 제조 기술에 비해 가격이 합리적입니다. 특히 생산량이 중간 이하이고 부품 복잡성이 높은 경우에 그렇습니다. 3D 프린터 가격이 200달러부터인데, 중고 3D 프린터가 더 저렴하기 때문입니다. 예를 들어 ABS의 경우 재료 비용도 kg당 15달러 정도입니다. 그러나 3D 프린팅 재료는 일반적으로 비교 가능한 기본 원자재 비용보다 더 비쌉니다. 이는 특정 인쇄 공정을 위한 원자재(예:FDM용 필라멘트 스풀 및 SLS용 미세 분말)를 준비해야 하기 때문입니다. 이러한 추가 원자재 비용에도 불구하고 3D 프린팅은 완전히 조밀하지 않기 때문에 더 적은 재료를 사용합니다. 

3. 친환경

3D 프린팅은 금속, 열가소성 수지 등 재활용 가능한 소재를 사용하기 때문에 친환경적이라고 할 수 있습니다. 중앙 집중식 중공업 공장에서 부품을 배송하는 대신 부품을 필요한 곳에 정확히 프린팅할 수도 있습니다. 이는 운송과 관련된 상당한 에너지 비용을 제거합니다. 3D 프린팅의 적층적 특성으로 인해 낭비도 줄어듭니다.

4. 빠른 프로토타이핑

3D 프린팅의 저렴한 비용과 주문형 인쇄 기능은 프로토타입 개발에 이상적으로 적합합니다. 3D 프린팅 부품은 하루 이내에 생산될 수 있습니다. 이를 통해 사출 성형과 같은 다른 일반적인 기술에서 일반적으로 발생하는 초기 툴링 비용 없이 새로운 개념을 빠르게 반복할 수 있습니다. 

5. 접근성

3D 프린팅은 지난 10년 동안 널리 채택되었습니다. 이는 Stratasys가 보유한 일부 주요 특허가 2009년에 만료되면서부터 추적할 수 있습니다. 이후 3D 프린팅의 오픈 소스 특성으로 인해 저가형 소비자 3D 프린팅 기계가 개발될 수 있었습니다. 사용자 기반이 증가함에 따라 모범 사례, 결함 찾기 및 3D 프린팅에 대한 일반적인 최적화 기술에 대한 액세스하기 쉬운 온라인 지식이 대량으로 생성될 수 있었습니다. 이로 인해 다른 기술 분야에서는 매우 드물게 전례 없는 접근성이 가능해졌습니다.

6. 첨단 의료

의료 산업에서 3D 프린팅을 채택함으로써 맞춤형, 환자 맞춤형 임플란트, 보철물 및 장기 바이오 프린팅 개발을 통해 맞춤형 의료가 크게 증가했습니다. 의료 산업에 사용하기 위한 생체 적합성 소재도 많이 개발되었습니다.

7. 디자인 유연성

3D 프린팅은 다른 기술에 비해 설계 제약이 적습니다. 예를 들어, 다중 구성 요소 어셈블리에 의존하지 않고도 CNC 가공 및 사출 성형을 사용하면 복잡한 내부 보이드를 생성할 수 없습니다. 이로 인해 비용과 복잡성이 추가됩니다. 3D 프린팅을 사용하면 복잡한 부품도 단순한 부품만큼 쉽게 프린팅할 수 있습니다. 3D 프린팅에는 여전히 다양한 DFM(제조용 설계) 지침이 있지만 이는 다른 제조 기술만큼 제한적이지는 않습니다. 

8. 폐기물 감소

3D 프린팅은 폐기물을 거의 발생시키지 않습니다. 이 폐기물은 일반적으로 SLS 인쇄 부품의 경우 인쇄 후 제거되는 지지 구조 형태입니다. 이러한 지지 구조는 최대한 가벼워지도록 최적화되었습니다. 절삭 가공 기술은 상당한 폐기물을 생성하는 대량의 재료를 제거해야 합니다. 3D 프린팅과 같은 적층 기술은 필요한 곳에만 재료를 선택적으로 추가하도록 설계되었습니다. 그러면 지지 구조물에서 발생하는 최소한의 폐기물이 상쇄됩니다. 

9. 강력하고 가벼운 부품

3D 프린팅은 필요한 곳에 정확하게 재료를 추가합니다. 예를 들어, 내부 볼륨은 응력 집중이 높은 곳에서는 밀도가 높고 응력 집중이 낮은 곳에서는 밀도가 낮은 메쉬 구조를 갖도록 만들 수 있습니다. 토폴로지 최적화 및 생성 설계와 같은 기술은 특정 로드 케이스에 최적화된 형상의 부품을 생산하고 구조적 이점이 없는 곳에서는 재료를 제거합니다. 이러한 기술은 종종 매우 복잡하고 유기적인 형상의 부품을 생산하므로 다른 기술로는 제조가 불가능합니다. 

10. 신속한 설계 및 제조

3D 프린팅을 위한 디자인 방법을 이해하려면 DFM 요구 사항을 숙지해야 합니다. 다른 제조 기술보다 덜 엄격합니다. 이를 통해 엔지니어는 다른 제조 기술에 존재하는 광범위한 제한 사항을 고려할 필요가 없으므로 부품을 더 쉽게 설계할 수 있습니다. 제조 측면에서 3D 프린팅은 특히 복잡한 부품의 경우 더 빠른 경우가 많습니다. 복잡한 부품은 CNC 기계에서 여러 설정이 필요할 수 있고 여러 기계에서 제조해야 할 수도 있는 반면, 3D 프린팅은 한 번의 설정으로 전체 부품을 완성할 수 있습니다. 

3D 프린팅의 단점은 무엇인가요?

3D 프린팅의 단점은 다음과 같습니다:

1. 후처리

대부분의 3D 프린팅 부품에는 일종의 후처리가 필요합니다. 일반적으로 후처리에는 지지체 제거, UV광 경화, 용광로에서의 소결, 연마, 베어링 하우징과 같은 내구성이 높은 기능에 대한 기계 가공 등이 포함될 수 있습니다.  

2. 저작권 문제

3D 프린팅된 물체를 제조할 수 있는 용이성과 저렴한 비용으로 인해 원본 작성자의 동의 없이 디자인을 복제하기가 쉽습니다. 인터넷에는 지적 재산권의 원래 소유자를 밝히거나 보상하지 않거나 이를 인식하지 않고도 쉽게 다운로드하고 복사할 수 있는 수백만 개의 무료 디자인이 있습니다. 3D 스캐닝의 접근성도 더욱 높아졌습니다. 이는 실제 물체를 스캔한 후 복제할 수 있음을 의미합니다. 

3. 대량

3D 프린팅은 항상 중소 규모 생산 공정이었습니다. 이는 주로 3D 프린팅된 물체가 제조되는 레이어별 방법 때문입니다. 한 번에 더 얇은 층을 배치해야 하는 고품질 부품이 필요한 경우 이 문제는 더욱 증폭됩니다. HP 멀티젯과 같은 일부 인쇄 기술은 전체 볼륨을 활용하여 여러 부품을 인쇄할 수 있습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 사이클 시간은 다른 성숙한 제조 기술보다 훨씬 느립니다. 

4. 자료가 제한되어 있습니다

3D 프린팅은 지속적으로 새로운 소재를 추가하고 있습니다. 그러나 이는 보다 성숙한 제조 기술과 비교할 때 여전히 제한적입니다. 많은 대중적인 플라스틱과 금속으로 부품을 프린팅하는 것이 가능하지만, 개발된 수천 가지의 합금과 화합물을 활용하는 것은 불가능합니다. 이는 단순히 이러한 합금과 화합물이 3D 프린팅과 호환되는 형태로 변환되지 않았기 때문입니다. 

5. 부품 구조

FDM 및 SLS와 같은 일부 3D 프린팅 기술은 이방성 특성을 갖는 부품을 생산합니다. 이는 하중이 가해지는 방향에 따라 부품의 성능이 달라진다는 의미입니다. 일반적으로 부품은 3D 프린터 프린트 베드에서 위쪽을 가리키는 축으로 정의되는 Z축에서 가장 약합니다. 

6. 빌드 크기 제한

3D 프린터에는 다양한 빌드 크기가 있습니다. 그러나 생산에 일반적으로 사용되는 프린터는 레이저 절단, 수평 밀, 금속 주조와 같은 대규모 제조 기술보다 제작량이 적습니다. 따라서 3D 프린팅은 일반적으로 복잡한 부품의 소규모 제조에 사용됩니다. 일부 특수 3D 프린터는 제작량이 매우 크기 때문에 이 규칙에는 예외가 있다는 점에 유의해야 합니다.

7. 제조업의 인력 감축

3D 프린팅은 고도로 자동화된 기술입니다. 인간이 수행하는 유일한 상호 작용은 부품 설정, 제거, 후처리이며 일반적으로 한 사람이 모두 처리할 수 있습니다. 실제로 한 사람이 여러 대의 기계를 쉽게 조작할 수 있습니다. 3D 프린터는 일반적으로 여러 기계, 더 나아가 여러 기계 작업자가 필요한 부품을 생산할 수도 있습니다. 이는 3D 프린팅이 적용 가능한 경우 일부 작업이 중복될 수 있음을 의미합니다. 그러나 이는 3D 프린팅에만 국한된 상황이 아니고 제조 부문 전반에 걸쳐 일어나고 있다. 

8. 디자인의 부정확성

3D 프린팅된 물체는 정확성과 치수 안정성이 알려져 있지 않습니다. 인쇄하는 동안 부품이 휘어질 수 있습니다. 가장 정확한 3D 프린터라도 최고 수준의 CNC 기계로 달성할 수 있는 정확도를 따라잡을 수는 없습니다. CNC 기계는 DMLS 3D 프린팅 기계의 0.4mm에 비해 0.025mm의 정확도로 반복적으로 부품을 생산할 수 있습니다. 

3D 프린팅의 장단점에 대해 자주 묻는 질문

3D 프린터를 구입하기 전에 알아야 할 사항은 무엇인가요?

3D 프린터를 구입할 때 의도된 응용 프로그램을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어 시각적 프로토타입을 제작하는 것이 목표라면 FDM 프린터가 더 적합할 수 있습니다. 그러나 응력이 높은 응용 분야를 위한 항공우주 등급 부품을 생산해야 한다면 DMLS와 같은 기술이 더 좋습니다. 자세한 내용은 3D 프린터 구입 시 고려해야 할 10가지 사항에 대한 가이드를 참조하세요.

현재 3D 프린팅에는 어떤 응용 분야가 있습니까?

3D 프린팅의 응용 분야는 다양합니다. 이는 모든 주요 산업에 침투했으며 자동차, 항공우주, 의료, 생명공학, 심지어 식품 산업에도 적용됩니다. 어떤 경우에는 3D 프린팅이 고관절을 생산하는 데 사용되기도 하고, 다른 경우에는 CNC 가공용 지그와 같은 기존 제조 기술에 가치를 추가하는 보조 역할을 채택하기도 합니다. 자세한 내용은 3D 프린팅의 응용에 관한 기사를 참조하세요.

미래에는 3D 프린팅이 어떤 용도로 활용될까요?

3D 프린팅 기술은 계속해서 발전할 것입니다. 현재 존재하는 많은 단점은 향후 10년 내에 사라질 수도 있습니다. 3D 프린팅은 다양한 응용 분야에서 더욱 주류 제조 기술로 자리매김하고 있습니다. 가장 흥미로운 발전 중 하나는 거부반응 없는 이식을 위한 환자별 장기 생산입니다. 또 다른 방법은 유체 채널, 다중 재료, 다양한 기타 보조 구성요소가 부품에 인쇄된 부품을 한 번에 생산하는 것입니다. 차세대 Boston Dynamics Atlas 로봇의 다리가 그 예입니다.

3D 프린팅이 유리한가요?

그렇습니다. 3D 프린팅은 유리하며 많은 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 부품을 직접 제조하는 데 사용할 수 없는 경우 3D 프린팅은 기계 및 조립 작업자의 효율성을 높이는 데 활용됩니다.

요약

이 기사에서는 3D 프린팅의 장단점을 제시하고, 그것이 무엇인지 설명하고, 각각이 제조 분야에서 3D 프린팅에서 어떤 역할을 하는지 논의했습니다. 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보려면 Xometry 담당자에게 문의하세요.

Xometry는 모든 프로토타이핑 및 생산 요구 사항에 맞는 3D 프린팅 및 기타 부가 가치 서비스를 포함하여 광범위한 제조 기능을 제공합니다. 자세한 내용을 알아보거나 무료 견적을 요청하려면 당사 웹사이트를 방문하세요.

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딘 맥클레먼츠

Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.

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