3D 프린팅 이해: 원리, 종류, 주요 응용

3D 프린팅의 개념과 역사

3D 프린팅 개념은 1974년 데이비드 E.H. 존스(David E.H. Jones)가 제시했습니다. 하지만 모델 제작을 위한 방법과 재료는 1980년대 초반까지 개발되지 않았습니다.

'3D 프린팅'이라는 용어는 다양한 공정과 기술을 포함하며, 여러 재료로 부품과 제품을 생산하는 광범위한 기능을 제공합니다. 최근 몇 년간 이 공정들은 크게 발전해 많은 응용 분야에서 중요한 역할을 수행하고 있습니다.

이 개요 기사에서는 3D 프린팅의 다양한 유형과 공정, 작동 원리, 현재 시장에서의 용도와 이점을 설명합니다. 아주 기본적인 질문부터 시작해 보겠습니다.

3D 프린팅이란?

3D 프린팅은 적층 제조(additive manufacturing)라고도 하며, 3차원 디지털 모델이나 CAD 모델로부터 물리적 객체를 만드는 과정입니다. 재료가 결합되거나 고체화되어 실제 객체를 구축하는 다양한 컴퓨터 제어 기술을 포함합니다.

일반적으로 재료(예: 분말 입자나 액체 분자가 융합되는 것)는 밀리미터 단위로 층층이 추가됩니다. 그래서 3D 프린팅을 적층 제조 공정이라고도 부릅니다.

3D 프린터가 3차원 물체를 층별로 출력하는 과정을 보여주는 이미지 | 3D Logics

1990년대에는 3D 프린팅 기술을 쾌속 조형(rapid prototyping)이라고 불렀습니다. 심미적 또는 기능적 시제품 제작에만 적합했습니다. 그 이후 우리는 먼 길을 왔습니다.

오늘날의 3D 프린팅 기술은 수작업으로는 불가능한 복잡한 구조와 형상을 만들 수 있을 만큼 발전했습니다.

3D 프린팅의 정밀도, 재료 범위, 반복성은 친환경 건물, 항공기 부품, 의료 기구, 심지어 인간 세포 층을 이용한 인공 장기까지 거의 모든 것을 제작할 수 있을 정도에 이르렀습니다.

참고: 과학자들, '바이오 잉크'로 인공 인간 각막 3D 프린팅 성공

정확히 어떻게 작동하나요?

모든 3D 프린팅 기술은 같은 원리에 기반합니다: 3D 프린터는 디지털 모델(입력)을 받아 재료를 층층이 추가해 물리적 3차원 객체로 만듭니다.

이는 사출 성형, CNC 가공처럼 절삭 공구를 사용해 고체 블록에서 원하는 구조물을 깎아내는 전통적 제조 공정과 완전히 다릅니다. 3D 프린팅은 절삭 공구가 필요 없으며, 객체가 빌드 플랫폼에 직접 제조됩니다.

과정은 디지털 3D 모델(객체의 청사진)로 시작합니다. 프린터 전용 소프트웨어가 3D 모델을 얇은 2차원 층으로 자릅니다. 그런 다음 프린터가 실행할 기계어 지시 세트로 변환합니다.

프린터 유형과 객체 크기에 따라 출력은 몇 시간이 걸립니다. 출력된 객체는 최적의 표면 마감을 위해 후처리(샌딩, 래커, 페인트 등)가 필요하며 추가 시간과 수작업이 듭니다.

서로 다른 유형의 3D 프린터는 서로 다른 기술을 사용해 서로 다른 재료를 서로 다른 방식으로 가공합니다. 아마도 3D 프린팅의 가장 기본적인 한계는 재료와 응용 면에서 '만능 솔루션'이 없다는 점입니다.

3D 프린팅 유형/공정

ISO/ASTM 52900 표준에 따르면 모든 3D 프린팅 공정은 7개 그룹으로 분류됩니다. 각 그룹은 비용, 속도, 재료 특성, 기하학적 한계 등에서 장단점이 있습니다.

1. 광중합조형(Vat Photopolymerization)

SLA 일러스트: 자외선 레이저(a)가 액체 광중합 수지(b)로 채워진 탱크의 투명한 바닥(c)을 선택적으로 비춥니다. 리프팅 플랫폼(e)이 경화된 수지(d)를 서서히 끌어올립니다.

광중합조형 기반 3D 프린터는 광중합 수지로 채워진 용기를 가지며, 자외선 광원으로 경화시켜 객체를 만듭니다. 가장 흔한 세 가지 형태는 다음과 같습니다.

1a) 스테레오리소그래피(SLA): 1984년 발명된 SLA는 자외선 레이저로 화학적 단량체와 올리고머를 가교결합시켜 폴리머를 형성, 3차원 고체의 몸체를 만듭니다. 공정이 빠르고 거의 모든 구조를 만들 수 있지만 비쌀 수 있습니다.

1b) 디지털 광처리(DLP): 레이저 대신 아크 램프 같은 일반 광원을 사용합니다. 객체의 각 층이 액체 수지 탱크에 투영되고, 리프팅 플랫폼이 위아래로 움직이며 층별로 경화됩니다.

1c) 연속 액체 계면 생산(CLIP): 스테레오리소그래피와 유사하지만 연속적이며 최대 100배 빠릅니다. CLIP은 다른 기술로는 만들 수 없는 고무 같고 유연한 매끄러운 측면의 객체를 생산할 수 있습니다.

2. 재료 압출(Material Extrusion)

재료 압출 일러스트: 노즐(1)이 빌드 플랫폼(3) 위에 재료(2)를 증착합니다.

이 공정에서 고체 열가소성 필라멘트가 가열된 노즐을 통해 밀려나와 녹은 재료가 정해진 경로를 따라 빌드 플랫폼에 증착됩니다. 이 재료는 결국 식어 고체화되어 3차원 객체를 형성합니다. 이 공정에서 가장 흔히 쓰이는 기술은 다음과 같습니다.

2a) 용융 증착 모델링(FDM): 나일론, 열가소성 폴리우레탄, 폴리락트산 같은 열가소성 필라멘트를 연속적으로 사용합니다.

2b) 로보캐스팅(Robocasting): 작은 노즐에서 페이스트 같은 재료를 압출하면서 노즐을 빌드 플랫폼 위로 이동시킵니다. 재료의 건조나 고화에 의존해 형태를 유지하는 FDM과 다릅니다.

3. 시트 적층(Sheet Lamination)

일부 프린터는 비용 절감을 위해 종이와 플라스틱을 빌드 재료로 사용합니다. 이 기술에서는 접착된 플라스틱, 종이, 금속 라미네이트 여러 층을 차례로 결합하고 레이저 커터나 칼로 잘라 형태를 만듭니다.

층 해상도는 재료 원료에 의해 정의됩니다. 일반적으로 복사용지 1~몇 장 두께 범위입니다. 큰 부품을 만들 수 있지만 최종 제품의 치수 정확도는 스테레오리소그래피보다 훨씬 낮습니다.

4. 지향성 에너지 증착(Directed Energy Deposition)

지향성 에너지 증착 기술은 하이테크 금속 산업과 쾌속 제조 응용에 흔히 쓰입니다. 프린팅 장치는 멀티축 로봇 팔에 고정된 노즐을 포함합니다. 노즐이 빌드 플랫폼에 금속 분말을 증착하면 레이저, 플라즈마, 전자빔으로 녹여 고체 객체를 만듭니다.

이 3D 프린팅 유형은 알루미늄, 스테인리스강, 티타늄을 포함한 다양한 금속, 기능성 그레이디언트 재료, 복합재를 지원합니다. 완전히 새로운 금속 부품을 만들 수 있을 뿐 아니라 기존 부품에 재료를 추가할 수 있어 하이브리드 제조 응용이 가능합니다.

5. 재료 분사(Material Jetting)

재료 분사 공정으로 출력된 부품들

재료 분사는 잉크젯 프린터와 유사하게 작동합니다. 이 공정에서 감광성 재료가 작은 직경 노즐을 통해 방울 형태로 분사된 후 자외선으로 경화되어 층별로 부품을 만듭니다.

이 기술에 쓰이는 재료는 열경화성 포토폴리머(아크릴)입니다. 다중 재료 프린팅과 고무 같은 재료, 투명 재료를 포함한 광범위한 재료도 가능합니다.

재료 분사 3D 프린팅은 높은 치수 정확도와 매끄러운 표면 마감의 부품을 만들 수 있어 시각적 시제품과 상용 툴 제조 모두에 매력적인 옵션입니다.

6. 바인더 분사(Binder Jetting)

바인더 분사로 샌드스톤에 풀컬러 출력된 예시 | 이미지 출처: 3D Hubs

바인더 분사는 분말 베이스 재료와 액체 바인더 두 가지 재료를 사용합니다. 분말이 빌드 챔버에 고르게 층층이 분포되고, 바인더가 제트 노즐을 통해 분사되어 분말 입자를 '접착'해 원하는 객체를 만듭니다.

왁스나 열경화성 폴리머를 결합 분말과 섞어 강도를 높이는 경우가 많습니다. 3D 프린팅 완료 후 남은 분말은 수거해 다른 구조물 프린팅에 재사용합니다.

잉크젯 같은 공정과 매우 유사해 '인젝트 3D 프린팅'이라고도 불립니다. 주로 엘라스토머 부품, 오버행, 컬러풀한 시제품 출력에 쓰입니다.

7. 분말 베드 융합(Powder Bed Fusion)

SLS 시스템 | DTM – 2500CI

분말 베드 융합은 열원(열 프린트 헤드나 레이저 등)을 사용해 분말 형태의 재료를 응고시켜 물리적 객체를 만드는 적층 제조의 한 부분입니다. 가장 흔한 다섯 가지 형태는 다음과 같습니다.

7a) 선택적 레이저 소결(SLS): 레이저를 열원으로 사용해 폴리아미드나 나일론 같은 분말 재료를 소결합니다. 여기서 소결이란 재료를 액화점까지 녹이지 않고 압력이나 열을 가해 고체 덩어리로 압축·형성하는 과정을 말합니다.

7b) 선택적 레이저 용융(SLM): SLS와 달리 이 기술은 금속 분말을 완전히 녹여 융합하도록 설계되었습니다. 기존 제조 금속과 유사한 기계적 특성을 가진 완전 밀도 재료를 층별로 만들 수 있습니다. 산업과 연구 모두에서 구현되는 빠르게 발전하는 공정 중 하나입니다.

7c) 전자빔 용융(EBM): 이 공정에서 원료(와이어 또는 금속 분말)는 진공 속에 놓이고 전자빔으로 융합됩니다. EBM은 전도성 재료에만 사용할 수 있지만 높은 에너지 밀도 덕분에 우수한 빌드 속도를 가집니다.

7d) 선택적 열 소결(SHS): 열 프린트 헤드로 분말 열가소체 층에 열을 가합니다. 층이 끝나면 분말 베드가 내려가고 새 재료 층이 추가되어 다음 단면이 소결됩니다. 저렴한 시제품과 기능 테스트용 부품 제조에 가장 적합합니다.

7e) 직접 금속 레이저 소결(DMLS): SLS와 유사하지만 금속 분말을 사용합니다. 남은 분말은 객체의 지지 구조가 되어 다음 3D 프린팅에 재사용할 수 있습니다. DMLS 부품은 주로 티타늄, 스테인리스강, 알루미늄, 여러 특수 합금 같은 분말 재료로 만듭니다. 맞춤형 의료 부품, 오일·가스 부품, 견고한 기능성 시제품에 이상적인 공정입니다.

응용 분야

최근 10년간 3D 프린팅은 크게 발전했습니다. 복잡한 설계를 저렴한 비용으로 빠르게 제조할 수 있어 상업 제조, 의료, 건축, 맞춤 디자인 등 다양한 산업에서 필수 도구가 되었습니다.

많은 적층 제조 기술로 식품 생산이 가능합니다. 최신 3D 프린터에는 선탑재된 레시피가 있으며, 사용자가 컴퓨터나 스마트폰으로 원격으로 음식을 만들 수도 있습니다. 3D 프린팅 식품은 질감, 색상, 모양, 맛, 영양면에서 맞춤화할 수 있습니다.

이 기술은 제약 제형에서도 효과적임이 입증되었습니다. 3D 프린팅으로 제조된 첫 제형은 2015년에 나왔고, 같은 해 FDA가 첫 3D 프린팅 정제를 승인했습니다.

2014년 ISS에 보내진 무중력 3D 프린터

2014년 스페이스X가 최초의 무중력 3D 프린터를 국제우주정거장에 보냈습니다. 이제 우주비행사들이 소켓 렌치 같은 유용한 도구를 프린팅하는 데 사용합니다.

사실 행성이나 소행성에서 계획된 많은 조립 프로젝트는 인근 지역에서 구할 수 있는 재료를 이용해 어떤 식으로든 부트스트랩될 것입니다. 3D 프린팅은 이 부트스트랩의 주요 단계 중 하나입니다.

요즘 기술 기업들은 적층 제조를 클라우드 컴퓨팅과 결합해 분산되고 지리적으로 독립적인 분산 생산을 가능하게 합니다. 일부 기업은 웹사이트를 통해 개인 및 상업 고객에게 온라인 3D 프린팅 서비스를 제공합니다.

참고: 3D 프린팅용 무료 STL 파일 다운로드 최고의 웹사이트 40곳

3D 프린팅의 미래

3D 프린팅의 큰 꿈은 "모든 집에 공장을"입니다. 이상하게 들릴 수 있지만, 무한히 맞춤화 가능한 것들을 즉석에서 만들어내는 기계를 소유하는 것이 매력적임은 부인할 수 없습니다.

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

GrandViewResearch에 따르면 전 세계 3D 프린팅 시장은 2019년 115.8억 달러 규모였으며, 2027년까지 330억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다(연평균 14% 성장).

시장 성장을 견인할 요인으로는 적극적인 R&D와 자동차, 항공우주, 방위, 의료 등 다양한 산업 분야에서 시제품 응용 수요 증가가 꼽힙니다.