3D 프린팅 또는 적층 제조는 CAD 모델이나 3D 디지털 모델로부터 3차원 물체를 구축하는 기술입니다.
"3D 프린팅"이라는 용어는 컴퓨터 제어 하에 소재(플라스틱, 액체, 분말 입자 등)를 증착, 결합, 고체화해 3차원 물체를 만드는 다양한 공정을 가리킬 수 있으며, 일반적으로 층층이 쌓아 올리는 방식으로 이루어집니다.
1980년대에는 3D 프린팅 기술이 기능적 또는 심미적 프로토타입 제작에만 적합하다고 여겨졌으며, 당시에는 급속 조형(Rapid Prototyping)이 더 적절한 용어였습니다.
2019년 이후 3D 프린팅의 정밀도, 반복성, 소재 다양성이 향상되어 일부 공정은 산업용 생산 기술로 간주되며, 적층 제조(Additive Manufacturing)라는 용어가 3D 프린팅과 혼용되고 있습니다.
3D 프린팅의 주요 장점 중 하나는 손으로 설계하기 불가능한 매우 복잡한 형상이나 기하학(중공 부품, 무게 감소를 위한 내부 트러스 구조 등)을 제작할 수 있다는 점입니다. 2020년 기준 FDM(용융 적층 모델링)이 가장 널리 쓰이는 3D 프린팅 공정으로, 열가소성 필라멘트를 연속적으로 사용합니다.
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최초의 3D 프린팅 제조 장비는 나고야 시립 공업 연구소의 코다마 히데오(Hideo Kodama)가 3D 모델 제작을 위한 두 가지 적층 방식을 발명하면서 개발되었습니다.
1920년대 랄프 베이커(Ralf Baker)의 장식품 제작 연구(특허 US423647A)를 바탕으로, 코다마 히데오의 레이저 경화 수지 급속 조형 초기 연구가 1981년 완료되었습니다. 이 발명은 이후 30년간 확장되어 1984년 스테레오리소그래피가 도입되었습니다.
3D 시스템즈(3D Systems)의 척 헐(Chuck Hull)이 1987년 스테레오리소그래피 공정을 사용한 최초의 3D 프린터를 발명했습니다. 이어 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM) 등이 개발되었습니다.
1990~2000년대에도 고가의 3D 프린팅 시스템이 개발되었으나, 2009년 특허 만료로 비용이 급격히 떨어지면서 더 많은 사용자가 기술을 이용할 수 있게 되었습니다.
3D 프린터는 미세한 노즐을 통해 녹은 플라스틱을 압출하며 컴퓨터 제어 하에 정밀하게 이동시킵니다. 한 층을 프린트하고 마르기를 기다린 뒤 그 위에 다음 층을 쌓습니다. 모델을 프린트하는 플라스틱 소재가 당연히 매우 중요합니다.
3D 프린팅은 적층 제조 제품군에 속하며 기존 잉크젯 프린터와 유사한 방식을 3차원으로 확장한 것입니다. 최첨단 소프트웨어, 분말형 소재, 정밀 도구를 조합해 3차원 물체를 무에서 창조합니다. 3D 프린터가 아이디어를 현실로 만드는 주요 단계는 다음과 같습니다.
모든 3D 프린팅 공정의 첫 단계는 3D 모델링입니다. 정밀도를 극대화하고(3D 프린터가 사용자 의도를 마법처럼 알 수 없으므로) 모든 객체는 3D 모델링 소프트웨어에서 설계되어야 합니다. 일부 설계는 전통적 제조 방식으로는 너무 복잡하고 정교합니다.
이때 CAD 소프트웨어가 빛을 발합니다. 모델링을 통해 프린터는 제품을 가장 미세한 디테일까지 커스터마이징할 수 있습니다. 3D 모델링 소프트웨어의 정밀 설계 능력이 3D 프린팅을 많은 산업에서 진정한 게임 체인저로 만드는 이유입니다.
이 모델링 소프트웨어는 치과 산업처럼 개개인에 정확히 맞는 치아 교정기를 3D 소프트웨어로 설계하는 분야에서 특히 중요합니다. 우주 산업에서도 로켓의 가장 복잡한 부품 설계에 이 소프트웨어를 사용합니다.
모델이 생성되면 "슬라이싱"할 차례입니다. 3D 프린터는 인간처럼 3차원 개념을 이해할 수 없으므로, 엔지니어는 모델을 층으로 쪼개 프린터가 최종 제품을 만들 수 있게 해야 합니다.
슬라이싱 소프트웨어는 모델의 각 층을 스캔해 프린터가 해당 층을 재현하기 위해 어떻게 움직여야 할지 지시합니다. 슬라이서는 모델 내부를 어떻게 "채울지"도 알려줍니다.
이 채움(인필)은 3D 프린트 물체에 내부 격자와 기둥을 만들어 형상을 잡고 강도를 높여줍니다. 모델이 슬라이싱되면 실제 프린팅을 위해 3D 프린터로 전송됩니다.
3D 객체의 모델링과 슬라이싱이 완료되면 드디어 3D 프린터가 나섭니다. 직접 3D 프린팅 공정에서 프린터는 기존 잉크젯 프린터와 유사하게 작동합니다. 노즐이 앞뒤로 움직이며 왁스나 플라스틱류 폴리머를 층층이 분사하고, 그 층이 마르기를 기다린 뒤 다음 층을 쌓습니다. 본질적으로 수백, 수천 개의 2D 프린트를 쌓아 3차원 물체를 만듭니다.
프린터가 객체를 최적으로 재현하기 위해 사용하는 다양한 소재가 있습니다. 주요 예시는 다음과 같습니다:
3D 프린팅 공정은 단순한 박스나 공 같은 건 몇 시간이면 되지만, 실물 크기 집 같은 대형 정밀 프로젝트는 수 주일이 걸릴 수도 있습니다.
3D 프린팅은 거의 모든 상상 가능한 산업에서 사용되며 다양한 기술과 소재를 포괄합니다. 다양한 용도를 가진 여러 산업의 클러스터로 생각하는 것이 중요합니다.
몇 가지 예시:
3D 프린팅에는 여러 종류가 있습니다:
플라스틱용 일반적인 3D 프린팅 공정과 각 공정이 제품 개발자, 엔지니어, 디자이너에게 가장 유용한 경우를 정리합니다.
스테레오리소그래피(SLA)는 최초의 산업용 3D 프린팅 공정입니다. SLA 프린터는 높은 디테일, 매끄러운 표면, 엄격한 공차의 부품을 생산하는 것이 특징입니다. SLA 부품의 고품질 표면은 보기 좋을 뿐 아니라 부품 기능도 지원합니다(예: 조립품 피팅 테스트).
의료 산업에서 널리 사용됩니다. 일반적인 응용: 해부학 모델, 미세유체 장치. 바이퍼(Vipers), 프로젯(ProJets), 아이프로(iPros) 3D 시스템즈 프린터를 SLA 부품에 사용합니다.
선택적 레이저 소결(SLS)은 나일론 기반 분말을 녹여 고체 플라스틱을 만듭니다. SLS 부품은 실제 열가소성 소재로 만들어져 내구성이 좋고 기능 테스트에 적합하며 리빙 힌지나 스냅핏 구현이 가능합니다.
SL 대비 부품이 더 강하지만 표면은 거칠습니다. SLS는 서포트 구조가 필요 없어 빌드 플랫폼 전체를 사용해 한 번 빌드에 여러 부품을 네스팅할 수 있습니다. 이는 다른 3D 프린팅 공정보다 더 많은 수량의 부품 제작에 적합합니다. 많은 SLS 부품이 향후 사출 성형될 설계를 프로토타이핑하는 데 쓰입니다. SLS 프린터로는 3D 시스템즈가 개발한 sPro140 머신을 사용합니다.
폴리젯은 또 다른 플라스틱 3D 프린팅 공정이지만 반전이 있습니다. 색상과 소재 등 여러 물성을 가진 부품을 만들 수 있습니다. 디자이너는 이 기술로 엘라스토머나 오버몰드 부품을 프로토타이핑할 수 있습니다. 단일 강성 플라스틱으로 설계됐다면 SL이나 SLS를 권장하며 더 경제적입니다.
하지만 오버몰드나 실리콘 고무 설계를 프로토타이핑할 때 폴리젯은 개발 초기 단계에 툴링 투자를 피하게 해줍니다. 이는 설계 검증과 반복을 더 빠르게 하고 비용을 절약합니다.
디지털 라이트 프로세싱은 액체 레진을 빛으로 경화한다는 점에서 SLA와 유사합니다. 두 기술의 주요 차이는 DLP가 디지털 라이트 프로젝션 스크린을 사용하는 반면 SLA는 UV 레이저를 사용한다는 점입니다.
이는 DLP 3D 프린터가 빌드 층 전체를 한 번에 매핑할 수 있어 빌드 속도가 더 빠르다는 뜻입니다. DLP 프린팅은 주로 급속 조형에 사용되지만, 높은 처리량 덕분에 소량 플라스틱 부품 생산에도 적합합니다.
SLS와 유사하게 멀티 제트 퓨전도 나일론 분말에서 기능성 부품을 만듭니다. 레이저로 분말을 소결하는 대신, MJF는 잉크젯 어레이로 나일론 분말 베드에 플럭스를 도포합니다. 그 후 가열 요소가 베드를 지나며 각 층을 융합시킵니다.
이는 SLS 대비 더 균일한 기계적 물성과 향상된 표면 품질을 가져옵니다. MJF 공정의 또 다른 이점은 빌드 시간 단축으로 생산 비용 절감입니다.
용융 적층 모델링(FDM)은 플라스틱 부품용 인기 데스크톱 3D 프린팅 기술입니다. FDM 프린터는 플라스틱 필라멘트를 빌드 플랫폼에 층층이 압출합니다. 물리적 모델을 빠르고 저렴하게 만들 수 있는 방법입니다.
기능 테스트에 FDM을 쓸 수 있는 경우도 있지만, 표면이 상대적으로 거칠고 강도 부족으로 기술적 한계가 있습니다.
금속 3D 프린팅은 금속 부품 제작에 새로운 가능성을 엽니다. 프로토랩스(Protolabs)에서 금속 3D 프린팅에 사용하는 공정은 직접 금속 레이저 소결(DMLS)입니다. 다중 부품 금속 어셈블리를 단일 부품으로 줄이거나 내부 채널, 중공 구조로 경량화한 부품 제작에 널리 쓰입니다.
DMLS는 가공이나 주조 같은 전통적 금속 제조 방식과 같은 밀도의 부품을 만들어내 프로토타이핑과 생산 모두에 적합합니다. 유기적 구조를 모방해야 하는 의료 용도에서도 복잡한 형상의 금속 부품 제작에 적합합니다.
전자빔 용융은 전자기 코일로 제어되는 전자빔으로 금속 분말을 녹이는 또 다른 금속 3D 프린팅 기술입니다. 빌드 중 진공 상태에서 프린트 베드가 가열됩니다. 소재가 가열되는 온도는 사용 소재에 따라 결정됩니다.
많은 기술이 같은 기본 단계를 공유하며 아래에서 다루겠지만, 각 3D 프린터는 기능에 따라 더 쉽거나 어려울 수 있습니다.
이 시점에는 프린트할 파트가 준비되고 소재가 선택되어 있어야 합니다. 이 파트는 CAD(컴퓨터 지원 설계)로 직접 설계한 것, 3D 스캔에서 얻은 것, 기존 설계 라이브러리에서 가져온 것일 수 있습니다.
프린팅 시작 전, 설계를 3D 프린터가 이해할 수 있는 '좌표'로 변환하고 프린팅 소재 등 중요한 파라미터를 알려줘야 합니다.
이를 '슬라이싱'이라 부르는데, 3D 설계를 층으로 쪼개기 때문입니다. 이는 보통 슬라이싱 또는 프린트 준비 소프트웨어로 수행합니다.
이 단계를 먼저 해도 됩니다. 또는 전혀 필요 없을 수도 있습니다(예: 같은 종류의 파트를 정기적으로 프린트하는 경우).
프린팅 전 올바른 소재가 로드되었는지 확인하세요. 노즐 크기도 선택할 수 있는데, 작은 노즐은 더 디테일한 프린트를, 큰 노즐은 더 빠른 프린트 시간을 제공합니다.
준비가 되면 파일을 3D 프린터로 보내야 합니다. 주요 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 데이터 저장 장치(USB 드라이브 등)에 파일을 넣고 프린터에 꽂아 프린터 인터페이스로 프린트 작업을 시작하는 것입니다.
다른 방법은 로컬 네트워크나 클라우드를 통해 네트워크 지원 프린터로 원격 전송하는 것입니다. 원격 프린팅은 3D 프린터와 다른 위치에 있을 때 특히 유용합니다.
이제 앉아서 쉬세요! 직장이라면 프린터가 일하는 동안 다른 일을 하세요.
프린팅 시간은 출력물 크기, 디테일 수준, 3D 프린터 종류에 따라 다릅니다. 작은 부품이나 러프 프로토타입은 몇 시간이면 됩니다. 대부분 파트는 밤새 프린터를 돌리면 다음 날 준비됩니다. 매우 크고 정교한 프린트는 이틀 정도 걸릴 수 있습니다.
3D 프린팅은 취미부터 전문가까지 다양한 산업에서 활용됩니다. 헬스케어, 엔지니어링, 패션 등 여러 분야와 섹터에 적용됩니다.
점차 3D 프린팅은 다양한 제조 프로젝트와 공정의 프로토타입과 툴을 만드는 지속 가능하고 비용 친화적인 솔루션으로 인식되고 있습니다. 전통적으로 프로토타입 확보는 시간과 비용이 많이 들어 외부 제조업체에 의존해야 했습니다. 3D 프린팅으로 기업은 객체, 툴, 프로토타입 단위를 빠르게 내부에서 제작할 수 있습니다.
좋은 예가 신발 회사 캠퍼(Camper)입니다. 사내 3D 프린팅으로 거의 1.5개월 걸리던 모델링/설계 공정을 단 며칠로 단축했습니다.
3D 프린팅 또는 적층 제조는 디지털 파일로부터 3차원 고체 물체를 만드는 공정입니다. 3D 프린트 물체 생성은 적층 공정으로 이루어집니다. 적층 공정에서는 물체가 생성될 때까지 소재를 연속적으로 층층이 쌓습니다. 각 층은 물체의 얇은 단면으로 볼 수 있습니다.
3D 프린팅은 밀링 머신 등으로 금속이나 플라스틱을 깎아내/파내 만드는 절삭 가공(Subtractive Manufacturing)의 반대입니다. 3D 프린팅은 전통적 제조 방식보다 적은 소재로 복잡한 형상 제작을 가능하게 합니다.
3D 프린터는 미세한 노즐을 통해 녹은 플라스틱을 압출하며 컴퓨터 제어 하에 정밀하게 이동시킵니다. 한 층을 프린트하고 마르기를 기다린 뒤 그 위에 다음 층을 쌓습니다. 모델을 프린트하는 플라스틱 소재가 당연히 매우 중요합니다.
3D 프린팅에는 여러 종류가 있습니다:
3D 프린팅은 적층 제조로도 알려져 있으며, 컴퓨터로 만든 설계를 사용해 층층이 3차원 물체를 만드는 방법입니다. 3D 프린팅은 소재 층을 쌓아 3D 부품을 만드는 적층 공정입니다.
3D 프린팅 비용은 $3부터 수천 달러까지 다양합니다. 3D 모델 없이는 정확한 비용을 알기 어렵습니다. 소재, 모델 복잡도, 인건비 등이 3D 프린팅 가격에 영향을 줍니다. 3D 프린팅 서비스 비용이 엔트리 레벨 3D 프린터보다 비쌀 수도 있습니다.
아니요, 3D 프린터는 소재와 형상 면에서 무엇이든 프린트할 수는 없습니다. 3D 프린팅하려면 가열 시 타는 게 아니라 연화되는 PLA 같은 열가소성 수지 등 특정 소재 특성이 필요합니다. 거의 모든 형상, 구조, 객체를 올바른 방향과 서포트로 프린트할 수 있습니다.
3D 프린팅이 제조 산업 전체를 당장 장악하진 않겠지만, 애널리스트들은 상당한 성장을 예측하며 2023년까지 시장 규모가 327.8억 달러에 달할 것으로 봅니다. 2023년까지 3D 프린팅 산업 가치가 327억 달러에 이를 것으로 예측됩니다.
디자이너는 3D 프린터로 제품 모델과 프로토타입을 빠르게 만들지만, 점점 최종 제품 제작에도 쓰이고 있습니다. 3D 프린터로 만드는 품목: 신발 디자인, 가구, 주얼리용 왁스 주물, 공구, 삼각대, 선물/노벨티 아이템, 장난감 등.
가정용 유용한 3D 프린팅 아이디어와 프로젝트:
3D 프린터 평균 소비 전력은 약 125와트로, 시간당 비용은 1.58센트(kWh당 12.69센트 기준)입니다.
네, 3D 프린터로 수익을 낼 수 있습니다. 3D 프린트 물품 판매, 디지털 상품 판매, 지역 내 3D 프린팅 서비스 제공 등 다양한 방법이 있습니다.
네, 일부 3D 프린터는 사탕, 페이스트리, 초콜릿, 피자 등 다양한 요리 제작이 가능합니다. 푸드 3D 프린터는 주방에서 더 많은 자유와 창의성을 주며 경우에 따라 음식물 쓰레기 감소에도 기여합니다.
항공우주. 보잉, 에어버스, NASA 모두 3D 프린팅을 활용합니다. 저비용으로 경량 부품을 빠르게 제작할 수 있는 능력은 항공우주 전문가들에게 가치 있습니다.
3D 프린트 불가능한 형상:
한편으로 3D 프린터는 복잡한 가젯을 재현하기엔 아직 거리가 멉니다. 대부분 3D 프린터는 한 번에 한두 가지 소재만 증착할 수 있어 금속, 유리, 플라스틱 등 다양한 소재가 들어간 스마트폰 같은 제품 제조가 쉽지 않습니다.
메이지스(Mages) 등 3D 프린팅 전문가 3인과 기술의 장단점을 논의했습니다.
3D 프린팅 제조가 인기를 얻으면서 "3D 프린팅이 CNC 가공을 대체할까?"라는 질문이 많습니다. 좋은 소식은 대체할 필요가 없다는 점입니다. 3D 프린팅과 CNC 가공 모두 제조업에서 제자리가 있습니다.
3D 프린터 사용에 컴퓨터가 꼭 필요한 건 아닙니다. 거의 모든 3D 프린터에 SD 카드 리더가 있어 파일을 읽고 프린팅을 시작할 수 있습니다. 이미 파일이 든 SD 카드가 있으면 컴퓨터 없이도 프린터 사용 가능합니다.
3D 프린터 VOCs에는 스티렌(발암 물질 알려진), 카프롤락탐(급성 위험 물질) 등 유해 화학물질이 포함됩니다. 3D 프린터는 육안으로 보이지 않는 초미세 입자도 방출합니다.
전통적 3D 프린터는 분말 금속과 플라스틱을 잉크로 사용합니다. 초강력 강철이나 인공 뼈 제작에는 좋지만 생체 적합성이 필요한 피부 이식 등 유연성이 더 필요한 소재에는 적합하지 않습니다.
간단 분류: DIY 3D 프린터 키트 $200부터 시작, 취미용 $500~$1,500. 전문가용 FDM 3D 프린터 $2,500부터, 대형 전문가용 FDM $4,000부터 시작.
저렴한 비용에 사용이 쉽고, 중요하게는 합리적으로 강합니다. 또한 PLA는 열변형 온도가 낮아 히팅 베드 없이 저온 프린팅 가능하지만 인장 강도는 7,250 psi입니다.
금속 3D 프린팅은 부품 제작 방식을 바꾸고 있습니다. 저~중량 생산에서 부품 자체를 더 빠르고 저렴하게, 더 적은 노력으로 전통적 제조 대비 만들 수 있습니다.
핫엔드 205°C, 히팅 베드 60°C인 평균 3D 프린터는 평균 70와트 소비. 10시간 프린트 시 0.7kWh로 약 9센트. 3D 프린터 전력 소비는 주로 프린터 크기와 히팅 베드/노즐 온도에 달려 있습니다.
3D 프린팅 배우기 어렵나요? 3D 프린팅은 아직 초기 단계라 사용자 친화적이지 않습니다. 프린터가 섬세하고 예민해 초보자에게 압도적으로 느껴질 수 있습니다. 직접 설계하려면 복잡한 소프트웨어 학습 시간도 필요합니다.
산업기술
아크 용접이란? 아크 용접은 전기를 사용하여 금속을 녹일 만큼 충분한 열을 발생시키고, 냉각된 용융 금속이 금속의 접합을 생성하도록 하여 금속을 금속에 접합하는 데 사용되는 용접 공정입니다. 금속 막대(전극)와 모재 사이에 아크를 생성하기 위해 용접 전원 장치를 사용하는 용접 유형으로, 접촉점에서 금속을 녹입니다. 아크 용접기는 직류(DC) 또는 교류(AC)를 사용할 수 있으며 소모성 또는 비소모성 전극을 사용할 수 있습니다. 용접 영역은 일반적으로 어떤 유형의 차폐 가스, 증기 또는 슬래그로 보호됩니다. 아크 용접 공정은 수동,
수중 용접이란? 수중 용접은 용접자가 물속에 잠긴 상태에서, 종종 높은 기압 환경에서 수행됩니다. 이는 다양한 난제를 야기하며, CDA Technical Institute(구 상업 다이빙 아카데미)에서 가르치는 전문 기술과 엄격한 훈련이 필요합니다. 열악한 조건과 내재된 위험 때문에 수중 용접(습식 용접이라고도 함) 다이버는 매우 엄격한 기준과 고도로 전문화된 교육을 통해 훈련되어야 합니다. 고압 용접은 높은 압력에서, 통상적으로 수중에서 수행되는 용접 공정입니다. 고압 용접은 물속에서 직접 수행되는 습식 방식이나, 특수하게 제작된
