적층 제조 7대 핵심 기술 완벽 해설

적층 제조(AM), 일명 3D 프린팅은 CAD 생성 3D 모델로 단일 재료 층 추가하며 층 융합해 부품 제작. AM 1987년 등장 후 꾸준히 성장, 최근 몇 년 비약적 발전. 기업들 새 AM 기술 발명/도입 시 핵심 기술 유사해도 고유 마케팅 용어 만들어 시장 혼란 초래. 이 글에서 핵심 기술들과 장단점 식별.

ISO/ASTM 표준 기준 AM은 층 생성 기술 7개 범주로 구분, 목록 첫 4가지 금속 적합.

1. 바인더 제팅
2. 지향성 에너지 증착(DED)
3. 분말 베드 융합(PBF)
4. 시트 라미네이션
5. 재료 압출
6. 재료 분사
7. 광중합조 조형(Vat Photo Polymerization)

1. 바인더 제팅(Binder Jetting)

재료 융합 공정 중 열 사용 안 해 AM 중 독특. 결합액/바인더 선택적 증착으로 분말 재료 결합해 3D 부품 형성. 분말 유형, 사용 시스템, 고객 용도 요건 따라 바인더 종류 결정. 공정: 롤러로 빌드 플랫폼에 분말 재료 펼치고 프린트 헤드가 지정된 분말 위에 바인더 증착. 빌드 플랫폼 낮아져 다음 층 공간 확보, 공정 반복해 아이템 완성. 미결합 분말 제거.

바인더 제팅 장점

• 다양한 색상 부품 제작 가능
• 금속, 폴리머, 세라믹 등 다양한 재료 사용
• 빠른 AM 공정
• 부품 뒤틀림/수축 없음
• 미사용 분말 재사용으로 폐기물 감소
• 투-머티리얼 방식으로 다른 바인더-분말 조합 가능

바인더 제팅 단점

• 후공정 필요로 전체 공정 시간 대폭 증가
• 낮은 부품 강도, 구조용 부품엔 부적합할 수 있음
• 재료 분사 대비 낮은 정밀도

2. 지향성 에너지 증착(DED)

DED는 분말/와이어 기반 재료를 레이저/전자빔/플라즈마 아크 등 집중 열에너지원으로 녹여 증착해 3D 객체 생성. 금속/세라믹/폴리머 부품 제작 가능하나 주로 금속 부품과 이동 가능 기판 베드로 복잡 형상 제작하는 하이브리드 제조에 주로 사용. DED는 레이저 금속 증착(LMD), 3D 레이저 클래딩, 직접 광 제조 등으로도 불림(에너지원/최종 용도 차이). 공정 작동 방식상 기존 부품 필요 부위 재료 추가로 수리/재생용으로 주로 사용.

DED 장점

• 강하고 치밀한 부품
• 빠른 빌드 속도
• 재료 낭비 감소
• 금속/세라믹/폴리머 재료 선택 폭 넓음
• 재료 교체 용이
• 맞춤 합금 부품 제작 가능
• 근사 형상(near net shape) 부품 제작
• 대형 부품 제작 가능

DED 단점

• 시스템 자본 비용 높음
• 낮은 해상도로 표면 조도 나빠 2차 가공 필요
• 빌드 중 지지 구조 사용 불가

3. 분말 베드 융합(PBF)

PBF는 레이저 융합, 전자빔 융합, 에이전트+에너지 융합, 열 융합 4개 에너지원 범주. 에너지원이 플라스틱/금속 분말 입자 녹여 패턴대로 고체화/융합해 객체 생성. PBF 공정은 빌드 챔버, 파우더 챔버, 코팅 롤러 사용. 객체 생성 위해 코팅 롤러 이동해 빌드 챔버에 분말 재료 펼치고 얇은 분말 층 증착. 일부 PBF 공정 코팅 롤러 후 스크래퍼/블레이드/레벨링 롤러로 상단 층 두께 균일화. 다음 에너지원이 증착된 금속 분말 베이스 상단 층 녹임. 층 스캔/융합 완료되면 빌드 플랫폼 단계적 하강, 동시 파우더 챔버 동일량 상승, 공정 반복해 객체 완성.

PBF 장점

• 기계 비용 저렴
• 빌드용 지지 구조 불필요 또는 최소
• 다양한 재료 선택
• 다중 재료 사용 가능
• 분말 재활용 가능

PBF 단점

• 느리고 긴 프린트 시간
• 추가 후공정 시간
• 약한 구조적 특성
• 표면 텍스처 품질 변동
• 빌드 플레이트 지지대 필요(뒤틀림 방지)
• 프린트 속도가 분말 재활용 가능 여부 결정
• 열 변형, 주로 폴리머 부품
• 부품 생성에 많은 에너지 소모

4. 시트 라미네이션(Sheet Lamination)

얇은 재료 시트 적층/접합(본딩, 초음파 용접, 브레이징)으로 3D 객체 제작. 최종 형상 위해 레이저 커팅 또는 CNC 가공 사용. 모든 AM 기술 중 추가적 해상도/디테일 최소지만 저비용, 빠른 제조 시간으로 기성 저비용 재료 이용한 신속 시제품 제작에 적합.

시트 라미네이션 7가지 유형으로 세분화:

• 적층 객체 제조(LOM)
• 선택적 라미네이션 복합 객체 제조(SLCOM)
• 플라스틱 시트 라미네이션(PSL)
• 컴퓨터 지원 라미네이션 공학 재료 제조(CAM-LEM)
• 선택적 증착 라미네이션(SDL)
• 복합체 기반 적층 제조(CBAM)
• 초음파 적층 제조(UAM)

시트 라미네이션 유형별 약간 차이지만 전반적 원리 동일. 공정: 롤러서 얇은 재료 시트 공급하거나 빌드 플랫폼에 배치. 다음 층은 공정 따라 이전 시트와 결합되거나 안 되거나. 층 쌓기 반복해 전체 높이 달성. 프린트 블록과 불필요한 외곽 가장자리 제거로 객체 완성.

시트 라미네이션 장점

• 상대적 저비용
• 넓은 작업 영역
• 풀컬러 프린트
• 하이브리드 제조 시스템 통합 가능
• 재료 취급 용이
• 다중 재료 적층 가능
• 지지 구조 불필요
• 일부 시트 라미네이션에서 재료 상태 변화 없음
• 유형 따라 후공정 필요하지만 빠른 프린트 시간

시트 라미네이션 단점

• 시트 두께 변경 없인 층 높이 변경 불가
• 마감 재료 따라 달라 후공정 필요 가능
• 사용 가능 재료 옵션 제한적
• 라미네이션 단계 후 여분 재료 제거 어렵고 시간 소요
• 타 AM 방식 대비 폐기물 더 발생 가능
• 일부 유형서 중공 부품 제작 어려움
• 접합 강도 라미네이션 기법 의존

5. 재료 압출(Material Extrusion)

일반 소비자 수요 가용성과 품질 면에서 가장 대중적 AM 공정. 열가소성/복합 재료 연속 필라멘트 사용해 3D 부품 제작. 재료 플라스틱 필라멘트 형태서 압출 노즐 통과, 가열 후 빌드 플랫폼에 층층이 증착.

재료 압출 장점

• 넓은 프린트 재료 선택
• 이해하기 쉬운 프린팅 기법
• 사용자 친화적 재료 교체
• 초기/운영 비용 저렴
• 소형/박형 부품 빠른 프린트 시간
• 프린팅 공차 ±0.1mm(±0.005")
• 감독 불필요
• 장비 소형
• 저온 공정

재료 압출 단점

• 눈에 보이는 층 라인
• 압출 헤드 연속 이동 또는 재료 돌출
• 지지 구조 필요할 수 있음
• Z축 방향 약한 부품 강도
• 고해상도/넓은 영역 시 프린트 시간 증가
• 뒤틀림/온도 변동 이슈 취약
• 유독 프린트 재료 가능

6. 재료 분사(Material Jetting)

빌드 플랫폼에 왁스 유사 재료 방울 선택적 증착. 재료 냉각/고화로 층층이 재료 적층. 빌드 후 지지 구조 기계적 제거 또는 녹여 제거.

재료 분사 장점

• 뛰어난 정밀도와 표면 마감 달성
• 주조 패턴용 부품에 적합

재료 분사 단점

• 사용 가능 왁스 유사 재료 수 제한적
• 왁스 유사 재료로 부품 취약
• 빌드 공정 느림

7. 광중합조 조형(Vat Photo Polymerization)

자외선(UV) 레이저로 탱크 내 광중합체 액체 수지 층층이 경화해 경질 플라스틱 부품 생성. 대표적 3가지 기술: 스테레오리소그래피, 디지털 광처리(DLP), 연속 디지털 광처리(CDLP).

광중합조 조형 장점

• 높은 정밀도와 양호한 마감
• 상대적 빠른 공정
• 넓은 빌드 영역

광중합조 조형 단점

• 상대적 고비용
• 수지서 분리/후공정 시간 김
• 광경화성 수지 재료만 사용 가능
• 프린트 후에도 UV 광 영향 받을 수 있음
• 구조용 사용 위해 지지 구조와 후경화 필요할 수 있음

결론

적층 제조 기계가 기계 공장에 더 저렴해지면서 설계 유연성과 재료 물성으로 광범위한 실용적 용도와 적용 사례 창출. 항공우주, 자동차, 의료 산업 모두 적층 제조 혜택 누림. 신속 시제품, 소량 생산, 부품 수리 능력이 이 제조 유형 성장 이유.