3D 프린팅은 적층 제조(AM, Addictive Manufacturing) 기법으로 물체 형상에 맞게 무수한 반복을 통해 재료를 쌓아 올리는 인쇄 방식이다. 전통적인 방식인 재료를 깎아내는 절삭 가공, 두 종류 이상의 금속을 접합시키는 용접, 재료에 변형을 가하는 소성 가공 등과 같은 제조 방식과 대조된다. 3D 프린터를 이용하면 조립이 필요 없는 완성품을 제작할 수도 있다. 이러한 제품은 부품 사이에 조립 부위가 없어서 파손이 없는 한 정기적인 수리가 불필요하다.
원리
표는 3D 프린터의 재료 형태와 조형 원리에 대한 설명이다.
| 구분 | 명칭 | 재료 형태 | 조형 원리 |
|---|---|---|---|
| 액체 기반형 | SLA | 액체 레진 | 레이저나 자외선을 이용하여 액상 재료를 경화 |
| 분말 기반형 | SLS | 플라스틱 분말 금속 분말 | 분말 재료를 선택적으로 가열하여 결합 결합제 또는 레이저 사용 |
| 고체 기반형 | FDM | 와이어 필라멘트 | 열가소성 수지를 녹인 후 노즐로 압출 |
| POLTJET | 펠릿 입자 | 재료 입자를 헤드에서 녹혀 노즐로 분사 | |
| LOM | 시트 필름 | 시트를 접착하면서 칼로 절단 |
재료
사용 재료는 수지가 대부분이었으나 금속계 프린팅이 가능하도록 재료 종류가 다양해지고 있다. 앞으로도 새로운 금속 소재 개발을 선도하는 것이 중요하다. 금속 적층에서 가장 유리한 기법은 분말 기반형인 SLS(선택적 레이저 소결) 방식이다. SLS 방식은 넓은 범위의 다양한 금속계를 사용할 수 있다. 적용할 수 있는 재료에는 순티타늄과 그 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스 합금, 마레이징강 등이 있다. 마레이징강은 강도와 인성이 매우 좋고, 티타늄은 비중이 낮아 가볍다. 티타늄의 경우 내식성과 기계적 성질이 우수하며 인체에 무해한 생체 적합성까지 갖추고 있다.
금속 프린팅
최근에는 노즐을 통해 금속 분말을 공급하는 시스템을 사용하기에 이르렀다. 대표적인 것으로 노즐 본체에서 고출력 레이저 빔을 조사하여 용융, 융착해서 적층하는 DED(Direct Energy Deposition) 공법이 있다. 이 방식은 금형강 성분을 조절해서 분말 원료로 사용할 수 있다. 하지만 다이캐스팅용으로 사용하는 알루미늄과 마그네슘은 산화 문제를 내포하고 있어서 제한적이다.
금속 분말은 수십 나노에서 수백 미크론에 이르기까지 다양한 크기를 갖는 가루 형태이다. 이 기술은 우리가 잘 알고 있는 용접과 유사한 공정으로 기존에 만들어 놓은 부품에 금속살을 덧붙여 원하는 모양으로 적층해 나갈 수 있기 때문에 금형 수정 작업에 유용하게 활용할 수 있다. 레이저 기술 보유 업체에 따라 DMP(Direct Metal Printing), DMD(Direct Metal Deposition), DMT(Direct Metal Tooling)라는 명칭으로 불리고 있다.
와이어 아크(Wire Arc) 3D 적층 시스템은 가열 에너지원을 레이저 대신 고온의 전기 불꽃인 아크(Arc)를 사용하고 금속 분말이 아닌 와이어를 녹여 적층하는 점에서 차별화된다. 이 방법은 자동차, 선박 등의 대형 부품을 정밀 적층할 수 있으며 이종(異種)소재를 적층 방식으로 접합할 수 있어 금형에 사용할 경우 부분적으로 특수 소재를 접합하여 냉각 속도와 내마모성을 향상시킬 수 있다.
장점
3d 프린터를 사용한 특수 형태의 제품 제작은 전통적인 제조 방법으로는 절대로 구현할 수 없다. 최대 효과를 얻기 위해서는 3d 출력 특성에 맞는 부품 설계가 필수적이다.
부품 통합 기술
여러 개의 부품으로 이루어진 완성 부품을 단일 부품으로 만들 수 있다. 여러 개의 부품을 사용할 경우 발생하는 조립 오차를 없앨 수 있다. 단일 부품 제조는 생산성을 향상하고 물류 비용과 소재 비용을 줄일 수 있게 한다. 부품 중량을 절감하고 부품 재고 관리에도 효과적이다.
생체 모방 기술
인체의 뼈, 치아와 같은 복잡한 형상을 무해한 재료로 튼튼하고 가볍게 만들 수 있다. 개인의 신체 특징에 맞게 적은 시간으로 주문 제작할 수 있다.
경량화 기술
내부에 빈 공간을 만들어 기계적 성질은 유지하면서 가벼운 부품을 만들 수 있다. 전통적인 방식인 절삭 가공은 불가능하지만 금속 3d 프린팅은 부품 내부 형상 구현에 제약을 받지 않는다.
3d 프린팅은 기존 제조 방식보다 속도가 느린 단점이 있다. 하지만 맞춤형 제품 제작에 투자 비용 대비 높은 가치를 제공한다. 전통적인 기술과 3d 프린팅을 융합하면 제조업에 부가가치를 높이는 시너지 효과를 기대할 수 있다.
3d 프린터를 적용할 수 있는 분야는 다양하다. 의료 분야에서는 인공 치아, 인공 관절, 인공 뼈 등에 사용되고 있으며, 자동차 산업에서는 제품 개발을 위한 프로토타입 제작에 중점이 맞춰져 있다. 향후 더욱 높은 해상도와 강도를 확보하게 되면 합금 분말을 이용해 표면 거칠기가 우수한 금형의 성형부 코아를 무난하게 만들 수 있을 것이다.
3D 프린터에 적용할 수 있는 금속 소재가 늘어남에 따라 제작할 수 있는 제품의 종류 또한 증가하고 있다. 이 기술은 대량 생산 시스템과 노동력이 중심이 되어왔던 기존 제조업에 새로운 혁신을 가져올 차세대 생산 기술로 주목 받고 있다.
SLA(Stereo Lithography apparatus)
SLS(Selective Laser Sintering)
FDM(Fused Deposition Modeling)
LOM(Laminated Object Manufacturing)
DMD(Direct Metal Deposition)