3D 프린팅 기술 탐구: SLA, SLS, FDM, DLP, MJF, PolyJet, DMLS 등

3D 프린팅이라는 용어는 부품을 층별로 쌓아 올리는 여러 제조 기술을 포괄합니다. 각 기술은 플라스틱과 금속 부품을 형성하는 방식이 다르며 재료 선택, 표면 마감, 내구성, 제조 속도 및 비용에서 차이가 있을 수 있습니다.

3D 프린팅에는 여러 유형이 있으며, 다음이 포함됩니다:

• 광경화성 수지 적층 조형(SLA)
• 선택적 레이저 소결(SLS)
• 융합 증착 모델링(FDM)
• 디지털 광처리(DLP)
• 멀티 제트 퓨전(MJF)
• PolyJet
• 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
• 전자빔 용융(EBM)

애플리케이션에 적합한 3D 프린팅 공정을 선택하려면 각 공정의 강점과 약점을 이해하고 이를 제품 개발 요구 사항에 매핑해야 합니다. 먼저 3D 프린팅이 제품 개발 주기에서 어떻게 들어맞는지 논의한 다음, 일반적인 3D 프린팅 기술 유형과 각각의 장점을 살펴보겠습니다.

신속 프로토타이핑 및 그 이상을 위한 3D 프린팅

3D 프린팅은 주로 프로토타이핑에 사용된다고 해도 과언이 아닙니다. 단일 부품을 빠르게 제조하는 능력으로 제품 개발자가 아이디어를 비용 효율적으로 검증하고 공유할 수 있습니다. 프로토타입의 목적을 결정하면 어떤 3D 프린팅 기술이 가장 유익할지 알 수 있습니다. 적층 제조는 단순한 물리적 모델부터 기능 테스트용 부품까지 다양한 프로토타입에 적합할 수 있습니다.

SLA 기술은 자외선 레이저로 액체 열경화성 수지를 경화시켜 플라스틱 부품을 형성합니다. 부품이 제작됨에 따라 서포트 구조가 필요하며 빌드 완료 후 제거됩니다.

3D 프린팅이 신속 프로토타이핑과 거의 동의어가 되었음에도 불구하고, 생산 공정으로 실행 가능한 시나리오가 있습니다. 일반적으로 이러한 애플리케이션은 저용량과 복잡한 기하학을 포함합니다. 항공우주 및 의료 애플리케이션용 부품은 앞서 설명한 기준과 자주 일치하므로 생산용 3D 프린팅의 이상적인 후보입니다.

3D 프린팅 선택 시 5가지 고려 사항

인생의 대부분처럼 3D 프린팅 공정을 선택할 때 간단한 답은 드뭅니다. 당사가 고객의 3D 프린팅 옵션 평가를 지원할 때, 일반적으로 다음 5가지 핵심 기준을 지적하여 어떤 기술이 요구 사항을 충족할지 결정합니다:

1. 예산
2. 기계적 요구 사항
3. 외관
4. 재료 선택
5. 기하학

SLS 빌드가 완료되면 기술자가 분말 베드에서 부품을 꺼내 여분의 재료를 털어내고 비드 블라스팅합니다.

폴리머 3D 프린팅 공정

일반적인 플라스틱 3D 프린팅 공정을 개괄하고 각 공정이 제품 개발자, 엔지니어, 설계자에게 가장 가치를 제공하는 시기를 논의해 보겠습니다.

광경화성 수지 적층 조형(SLA)

SLA는 최초의 산업용 3D 프린팅 공정입니다. SLA 프린터는 높은 디테일 수준, 매끄러운 표면 마감, 엄격한 공차의 부품 생산에 뛰어납니다. SLA 부품의 품질 좋은 표면 마감은 보기 좋을 뿐만 아니라 부품 기능에도 도움이 됩니다(예: 어셈블리 핏 테스트). 의료 산업에서 널리 사용되며 일반적인 애플리케이션으로는 해부학적 모델과 마이크로플루이딕스가 있습니다. 당사는 SLA 부품에 3D Systems의 Vipers, ProJets, iPros 3D 프린터를 사용합니다.

선택적 레이저 소결(SLS)

SLS는 나일론 기반 분말을 고체 플라스틱으로 녹여 결합합니다. SLS 부품은 실제 열가소성 재료로 만들어지므로 내구성이 뛰어나고 기능 테스트에 적합하며 리빙 힌지와 스냅핏을 지원할 수 있습니다. SL에 비해 부품은 더 강하지만 표면 마감이 더 거칩니다. SLS는 서포트 구조가 필요 없어 빌드 플랫폼 전체를 활용하여 여러 부품을 단일 빌드에 네스팅할 수 있어 다른 3D 프린팅 공정보다 더 많은 부품 수량에 적합합니다. 많은 SLS 부품은 언젠가 사출 성형될 설계를 프로토타이핑하는 데 사용됩니다. 당사의 SLS 프린터에는 3D Systems에서 개발한 sPro140 기계를 사용합니다.

PolyJet

PolyJet은 또 다른 플라스틱 3D 프린팅 공정이지만 반전이 있습니다. 색상과 재료 같은 여러 특성을 가진 부품을 제작할 수 있습니다. 설계자는 엘라스토머나 오버몰드 부품 프로토타이핑에 이 기술을 활용할 수 있습니다. 설계가 단일 강성 플라스틱이라면 SL이나 SLS를 고수하는 것이 더 경제적입니다. 하지만 오버몰딩이나 실리콘 고무 설계를 프로토타이핑한다면 PolyJet은 개발 주기 초기에 툴링 투자를 피할 수 있게 해줍니다. 이는 설계 반복과 검증을 더 빠르게 하고 비용을 절약할 수 있습니다.

디지털 광처리(DLP)

디지털 광처리는 액체 수지를 빛으로 경화한다는 점에서 SLA와 유사합니다. 두 기술의 주요 차이점은 DLP가 디지털 라이트 프로젝터 스크린을 사용하는 반면 SLA는 자외선 레이저를 사용한다는 것입니다. 이는 DLP 3D 프린터가 빌드의 전체 레이어를 한 번에 이미징할 수 있어 빌드 속도가 더 빠르다는 것을 의미합니다. 신속 프로토타이핑에 자주 사용되지만, DLP 프린팅의 더 높은 처리량은 플라스틱 부품의 저용량 생산 실행에 적합합니다.

멀티 제트 퓨전(MJF)

SLS와 유사하게 멀티 제트 퓨전도 나일론 분말에서 기능성 부품을 만듭니다. 레이저로 분말을 소결하는 대신 MJF는 잉크젯 어레이를 사용하여 나일론 분말 베드에 융합 에이전트를 적용합니다. 그런 다음 가열 요소가 베드를 지나 각 층을 융합합니다. 이는 SLS보다 더 일관된 기계적 특성과 향상된 표면 마감을 초래합니다. MJF 공정의 또 다른 이점은 가속화된 빌드 시간으로 생산 비용이 낮아진다는 것입니다.

융합 증착 모델링(FDM)

FDM은 플라스틱 부품을 위한 일반적인 데스크톱 3D 프린팅 기술입니다. FDM 프린터는 플라스틱 필라멘트를 빌드 플랫폼에 층별로 압출하여 작동합니다. 물리적 모델 제작에 비용 효율적이고 빠른 방법입니다. FDM이 기능 테스트에 사용되는 경우도 있지만, 부품의 표면 마감이 상대적으로 거칠고 강도가 부족하여 기술이 제한됩니다.

금속 3D 프린팅 공정

직접 금속 레이저 소결(DMLS)

금속 3D 프린팅은 금속 부품 설계에 새로운 가능성을 엽니다. 프로토랩스에서 금속 부품을 3D 프린팅하는 데 사용하는 공정은 직접 금속 레이저 소결(DMLS)입니다. 다중 부품 금속 어셈블리를 단일 구성 요소로 줄이거나 내부 채널이나 중공 특징이 있는 경량 부품을 만드는 데 자주 사용됩니다. DMLS는 가공이나 주조 같은 전통적인 금속 제조 방법으로 생산된 부품만큼 밀도가 높기 때문에 프로토타이핑과 생산 모두에 실행 가능합니다. 복잡한 기하학의 금속 부품 제작도 가능하여 부품 설계가 유기적 구조를 모방해야 하는 의료 애플리케이션에 적합합니다.

전자빔 용융(EBM)

전자빔 용융은 전자기 코일로 제어되는 전자빔을 사용하여 금속 분말을 녹이는 또 다른 금속 3D 프린팅 기술입니다. 프린팅 베드는 빌드 중에 가열되고 진공 상태입니다. 재료가 가열되는 온도는 사용 중인 재료에 따라 결정됩니다.

3D 프린팅을 사용해야 할 때

앞서 언급했듯이 3D 프린팅 애플리케이션에는 몇 가지 공통 분모가 있습니다. 부품 수량이 상대적으로 낮으면 3D 프린팅이 최적일 수 있습니다. 당사가 3D 프린팅 서비스 고객에게 제공하는 가이드라인은 보통 1~50개 부품입니다. 수량이 수백 개에 가까워지면 다른 제조 공정을 탐색할 가치가 있습니다. 설계에 부품 기능에 중요한 복잡한 기하학(예: 내부 냉각 채널이 있는 알루미늄 부품)이 있으면 3D 프린팅이 유일한 옵션일 수 있습니다.

올바른 공정 선택은 각 기술의 장점과 한계를 애플리케이션의 가장 중요한 요구 사항에 맞추는 것으로 귀결됩니다. 아이디어가 오가고 동료와 공유할 모델만 필요할 때는 부품의 계단 현상 표면 마감이 큰 문제가 아닙니다. 하지만 사용자 테스트를 수행해야 하는 시점에 도달하면 미관과 내구성 같은 요소가 중요해집니다. 만능 솔루션은 없지만, 제품 개발 전반에 걸쳐 3D 프린팅 기술을 적절히 활용하면 설계 위험을 줄이고 궁극적으로 더 나은 제품을 만들 수 있습니다.