첨단 3D 프린팅 기술 2부: 적층 제조 기술 탐구

2부: 3D 프린팅 기술

3D 프린팅(적층 제조, AM)에는 다양한 프린팅 기술이 있습니다. 각 방법 간에는 상당한 차이가 있지만, 모든 3D 프린팅 기술은 동일한 기본 원리로 작동합니다. 즉, 적층 제조 기술은 공작물을 층별로 쌓거나 프로그래밍된 경로를 따라 증착하여 제작합니다.

층을 만드는 방식에 따라 3D 프린팅 기술은 주로 7가지 범주로 나뉩니다.

1. 금속 압출(Metal Extrusion)

노즐이나 기타 오리피스가 소재를 선택적으로 분사합니다. 한 층이 완료되면 빌드 플랫폼이 내려가거나 압출 헤드가 올라가고, 다음 층이 압출되어 이전 층에 부착됩니다. 주로 다루는 소재:

• 열가소성 수지
• 공융 금속
• 세라믹
• 복합재
• 모델링 클레이
• 금속 함유 클레이
• 콘크리트
• 식품
• 살아있는 세포

이 기술에는 융합 증착 모델링(FDM) 또는 융합 필라멘트 제조(FFF) 두 하위 범주가 있습니다. 주요 공급업체: Stratasys, Arbur, Aleph Objects, Beijing Tiertime, MakerBot Industries, Ultimaker. 금속 압출 기술은 AM 기계 설치 기반 중 가장 큰 비중을 차지하며, Stratasys가 개척했습니다.

2. 재료 분사(Material Jetting)

하나 이상의 잉크젯 프린팅 헤드가 분말 베드를 가로질러 이동하며 빌드 소재의 작은 방울을 증착합니다. 여러 프린트 헤드를 사용할 수 있어 각각 다른 소재를 프린트할 수 있습니다. '다이렉트 라이트' 기술도 채택 가능하며, 나노입자 크기의 프린트 소재를 원자화하여 불활성 캐리어 가스와 결합해 에어로졸로 만들고 표면에 분사합니다.

다루는 소재:

• 광중합체
• 왁스 유사 소재
• 금속/비금속
• 도체
• 유전체

주요 공급업체: 3D Systems, Stratasys, Solidscape, Keyence. 이 기술은 정밀 주조 패턴 제작에 사용 가능합니다.

3. 바인더 분사(Binder Jetting)

바인더 분사는 잉크젯 프린트 헤드 노즐을 통해 액체 결합제를 정교하게 증착하여 분말 소재를 결합합니다. 재료 분사와 달리 노즐을 통해 분사되는 것은 원료 빌드 소재가 아니라 분말 베드 위에 증착되어 분말을 원하는 형상으로 고정하는 액체 결합제입니다.

작동 소재:

• 아크릴 폴리머
• 금속
• 모래
• 세라믹

주요 공급업체: 3D Systems, ExOne Company, Voxeljet Technology GmbH, Microjet Technology, Digital Metal, HP. 이 방법은 사형 주조 공정용 샌드 패턴 제작에 사용될 수 있습니다.

4. 시트 적층(Sheet Lamination)

시트 적층은 시트 소재의 층을 결합하여 설계를 구현합니다. 시트 소재는 접착제 처리된 종이로, 완전히 성형된 물체에 적층되면 합판과 유사한 고체를 형성하거나, 금속 포일과 테이프로 금속 부품을 만듭니다. 시트 적층은 LOM(Laminated Object Manufacturing)이라고도 합니다.

주요 공급업체: Helisys, Micro Technologies, Fabrisonic.

5. VAT 광중합(Vat Photopolymerization)

바트(Vat) 내의 액체 광중합체를 광활성 중합을 이용해 선택적으로 경화시킵니다. 이 기술은 광중합체만 사용 가능합니다. 현재 시장에 두 가지 유형의 VAT 광중합 기술이 있습니다.

• 광조형(SLA): 자외선 레이저와 컴퓨터 제어 갈바노미터에 장착된 X-Y 스캐닝 미러를 사용하여 바트 내 액체 광중합체 최상층을 경화시킵니다. 레이저가 닿는 각 지점이 경화됩니다. SL은 AM 초기에는 단연 선도적인 공정이었습니다.

• VAT 중합은 디지털 라이트 프로세싱(DLP)도 포함하도록 확장되었습니다. 레이저 대신 디지털 라이트 프로젝터 스크린을 광원으로 사용하여 전체 층 이미지를 한 번에 투영하고 경화시킵니다.

주요 공급업체: 3D Systems, Envisiontec, DWS, Asiga, Rapid Shape 등.

6. 분말 베드 융합(Powder Bed Fusion)

열에너지가 분말 베드의 특정 영역을 선택적으로 융합시킵니다. 열에너지로 분말 소재를 녹이고, 냉각되면서 고체 상으로 변합니다. 이 기술의 에너지원은 레이저 또는 전자빔입니다.

이 공정은 다음과 같이도 불립니다.

• 레이저 소결
• 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
• 선택적 레이저 소결(SLS)
• 전자빔 용융(EBM)
• 선택적 레이저 용융(SLM)

레이저 기반 기술이 전자빔 방식보다 더 나은 표면 조도와 더 미세한 디테일을 생성합니다. 전자빔은 초기 비용이 더 높지만 더 빠르고 잔류 응력이 더 낮은 부품을 생산합니다.

대부분의 금속 AM 시스템은 분말 베드 융합 공정을 사용합니다. EOS는 가장 큰 설치 기반을 가진 잘 확립된 금속 AM 공정입니다. 고에너지 분말 베드 융합(PBF) 공정은 높은 비용에도 불구하고 전통적인 정밀 주조 산업의 시장 점유율을 위협합니다. PBF 공정은 정밀 주조와 거의 동등한 야금적 품질을 가진 합금으로 복잡한 3D 형상을 제작할 수 있습니다. SLM은 가장 성숙한 AM 방법으로 금속 프린팅 시장의 70% 이상을 차지합니다.

작동 소재: 폴리머, 금속, 모래. 주요 공급업체: 3D Systems, EOS, Arcam, SLM Solutions, Realizer, Concept Laser, Aconity3D, Proto Labs 등.

7. 지향성 에너지 증착(Directed Energy Deposition)

소재가 증착되는 동안 열에너지를 이용해 소재를 융합시킵니다. 대부분 레이저가 에너지원이고, 소재는 금속 분말입니다. 4축 또는 5축 모션 시스템으로 증착 헤드를 위치시킵니다. 이 기술은 금속 소재만 사용하지만, 한 번에 둘 이상의 금속 소재를 사용할 수 있습니다.

지향성 에너지 증착(DED) 기술 주요 공급업체: Optomec, POM Group, BeAM, Trumpf, RPM, Innovations. DED는 블로운 파우더 AM(Blown Powder AM) 및 레이저 클래딩(Laser Cladding)이라고도 합니다. 기존 공작물에 소재를 추가하는 데 적합하여 부품 수리나 수정에 최적입니다.

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