3D 프린팅 입문 1부: 원재료부터 현대적 혁신까지

1부: 원재료

적층 제조(3D 프린팅)는 거의 40년 역사를 가졌지만, 많은 이들에게 여전히 초기 기술처럼 느껴집니다. 지난 10년간 3D 프린팅 기술은 이전 30년보다 더 많이 발전하여, 프로토타이핑과 소량 생산에 그 어느 때보다 더 실용적이 되었습니다. 이러한 발전은 제조업체들이 최신 혁신과 생산 공정 가속화 가능성을 탐색하면서 적층 제조를 대중의 관심 속에 확고히 자리잡게 했습니다.

MarketsandMarkets 연구에 따르면, 3D 프린팅 소재 시장은 2016년 5억 3,010만 달러에서 2021년까지 14억 달러 이상으로 성장할 것으로 추정됩니다. 이 성장은 프린팅에 사용되는 소재 옵션의 확대에 크게 기인합니다. 초창기 3D 프린터는 제한된 플라스틱만 사용했지만, 최신 장비는 훨씬 더 광범위한 소재로 프린팅할 수 있습니다.

3D 프린팅 소재 시장이 직면한 과제

3D 프린팅에 사용되는 소재는 프린팅 공정의 효율성과 최종 제품 품질을 결정합니다. 적층 제조가 급성장하고 있음에도, 기존 제조 및 가공 방식의 실용적 대안이 되기 위해선 수많은 과제를 극복해야 합니다. 이 중 다수는 원재료와 직접 관련이 있습니다.

• 원재료 비용

3D 프린팅은 다른 제조 기술이 제공하는 규모의 경제 혜택을 누리지 못합니다. 적층 제조는 여전히 상대적으로 느리고 주로 프로토타입이나 매우 소량 생산에 사용되므로, 대량 소재 할인이 없습니다.

• 제한된 소재 범위

지난 10년간 3D 프린팅 프로젝트용 가용 소재 유형이 크게 확대되었지만, 선택지는 여전히 꽤 제한적입니다. 현재 소재 선택은 3D 프린팅 기술의 제약과 설계가 부과하는 제약의 영향을 받습니다.

• 원재료 가용성

적층 제조 원재료는 여전히 조달이 어려울 수 있습니다. 특히 설계가 금속이나 세라믹 같은 희귀 물질을 요구할 때 더욱 그렇습니다.

앞서 언급한 시장 성장이 진행됨에 따라 이러한 문제들은 가까운 미래에 해결될 것입니다. 3D 프린팅이 제조업체들에게 더 일반적인 방법이 됨에 따라 소재 가격은 기하급수적으로 하락하고, 옵션은 확대되며, 모든 소재 유형이 더 쉽게 구할 수 있게 될 것입니다.

3D 프린팅 소재 시장 이해관계자

적층 제조의 성공적 성장은 원재료 공급망의 다양한 기여자들 간 협력에 크게 의존합니다. 주요 이해관계자:

• 소재 공급업체
• 프린터 제조업체
• 프린팅 서비스 뷰로
• 최종 사용자

이들 각 참여자가 새로운 혁신을 시장에 내놓으면서 기술은 계속 발전할 것입니다. 공급망의 각 링크 간 협력을 통해 이해관계자들은 기술의 방향과 성장을 주도할 수 있습니다.

3D 프린팅 소재 유형

3D 프린팅 소재는 일반적으로 필라멘트, 분말, 액체 형태로 제공됩니다. 사용되는 유형은 네 가지 주요 범주로 나뉩니다.

• 플라스틱
  • 광중합체 – 에폭시 및 하이브리드, 아크릴레이트, 폴리아미드, 니트릴 고무
  • 플라스틱 분말 – PA, TPU, PEEK, PP, PS
  • 플라스틱 필라멘트 – ABS, PLA, PC 및 블렌드, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 폴리우레탄

• 세라믹
  • 세라믹 분말

• 금속
  • 알루미늄 및 합금
  • 스테인리스강
  • 인코넬, 코발트 크롬, 니켈 합금
  • 티타늄 및 합금
  • 기타

• 기타
  • 바인더 포함 모래
  • 감광성 수지

광중합체(Photopolymers)

광중합체 수지는 전 세계 적층 제조 소재 시장의 선두 점유율을 차지하며, 향후 점유율을 더욱 확대할 것으로 예상됩니다. 광중합체는 PolyJet과 광조형(SLA) 3D 프린터에서 사용되는 액체 수지로, UV 광선의 도움으로 중합 공정을 통해 경화되어 플라스틱 부품과 프로토타입을 형성합니다. 광중합체는 일반적으로 바인더, 단량체, 광개시제 등 주요 성분을 포함합니다. 광개시제는 광중합체의 주요 성분으로 빛 에너지를 화학 에너지로 변환합니다. 광중합체는 의료, 군수, 전자 애플리케이션용 부품 제작에 사용됩니다.

플라스틱 분말

플라스틱 분말은 상당한 시장 점유율을 차지하는 또 다른 3D 프린팅 소재 유형입니다. 폴리아미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 열가소성 폴리우레탄(TPU) 같은 플라스틱 분말은 차량 경량화를 위해 선택되어 연비 향상과 배출가스 감소를 이끕니다.

플라스틱 분말로 부품을 프린팅하는 주요 공정은 증착 모델링과 레이저 소결로, 일반적으로 처리 시간이 빠르고 비교적 비용 효율적입니다. 이는 특히 프로토타입 적용 분야에서 플라스틱 분말 수요를 견인합니다.

폴리아미드는 합리적 가격, 쉬운 가공, 우수한 마감 덕분에 프로토타이핑 적용 분야에서 가장 많이 사용되는 소재로 남을 것입니다. 폴리아미드는 전문 3D 프린팅 회사들이 가장 많이 사용하는 소재 중 하나입니다.

TPU는 높은 탄성, 내열성, 내마모성, 높은 전단 강도가 요구되는 부품 제조에 적합합니다. PEEK는 고온에서도 우수한 기계적, 화학적 내성 특성을 유지하는 반결정성 열가소성 수지이나, 높은 가격으로 인해 가장 까다로운 적용 분야에만 제한적으로 사용됩니다.

플라스틱 필라멘트

플라스틱 필라멘트는 융합 증착 모델링(FDM) 3D 프린터의 열가소성 원료입니다. 플라스틱 필라멘트는 부품에 뛰어난 강도를 부여하고 성형이 쉽습니다. 다양한 소재 옵션 중 ABS와 PLA가 단연 가장 흔한 필라멘트 소재입니다. 내수성과 인성은 ABS의 유리한 특성으로, 기능성 부품 프린팅에 이상적입니다. PLA는 프린팅이 쉽고 생분해되어 소비자용 부품 프린팅에 인기 있습니다. 가장 비싼 소재 중 하나인 왁스 또는 Moldlay는 정밀 주조 패턴 프린팅용 소재로, 쉘 베이킹 공정 중 녹아 없어집니다.

금속

금속은 주로 툴링과 프로토타입 부품 프린팅에 사용됩니다. 강철은 우수한 강도와 내구성 덕분에 자동차, 산업, 식품 가공, 의료 분야에 널리 채택되며, 대안 중 가장 경제적입니다. 316L, 17-4PH 스테인리스강과 마레이징 강 합금이 이 범주의 일반적인 소재입니다.

3D 공정용 기타 금속으로는 알루미늄, 티타늄, 인코넬 등 고가의 비강철 고강도 합금이 있습니다. 이 세그먼트에서 가장 흔한 소재:

• 알루미늄 합금
• 코발트-크롬 합금
• 니켈 기반 합금
• 티타늄 합금

적층 제조의 진화

시장 전망은 3D 프린팅의 미래를 가늠하게 하지만, 적층 제조 트렌드를 파악하는 최선의 방법은 기술의 이해관계자가 되는 것입니다. Impro는 사형 주조, 정밀 주조, 정밀 가공 등 다양한 제조 서비스를 제공하며, 적층 제조 분야에서 열정적인 플레이어로 자리매김하는 데 주력하고 있습니다.

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