적층 제조(일반적으로 3D 프린팅으로 알려짐)는 비즈니스 도구로서 중요성이 점차 커지고 있습니다. 사내에서 제조하면 외부 위탁과 비교해 비용을 크게 절감할 뿐만 아니라 더욱 자유롭게 설계 반복을 늘릴 수 있는 이점이 있습니다. 오늘날 가장 많이 사용되는 소비자 3D 프린팅 기술로는 FFF(용융 필라멘트 적층 조형), SLA(광경화 적층 조형), SLA(선택적 레이저 소결)가 있습니다. 각 기술마다 이점과 제약이 있지만 자신의 비즈니스 요건에 가장 적합한 기술을 고르려면 어떻게 해야 할까요?
모든 3D 프린팅 기술은 한 가지 공통 원칙에 기반을 두고 있습니다. 다시 말해서 먼저 3D CAD 모델을 가로 방향을 따라 여러 단면으로 슬라이싱 처리한 후 각 단면을 적층 방식으로 프린트하며 3차원 객체를 형성합니다. 하지만 FFF, SLA 및 SLS 기술은 각각 단면을 프린트하는 접근 방식이 근본적으로 다릅니다.
FFF(용융 필라멘트 적층 조형)
FFF는 사용이 쉽고 유독 화학물질에 대한 의존도가 낮기 때문에 가장 많이 사용되는 3D 프린팅 기술입니다. 이 기술에서는 일반적으로 필라멘트라고 불리는, 두꺼운 스트링 형태의 원재료가 사용됩니다. 필라멘트는 폭이 1.75mm 또는 2.85mm로 일정하며, 대부분 열가소성 플라스틱으로 스풀에 감겨서 제공됩니다. FFF 공정에서는 모션 시스템이 빌드 영역을 중심으로 움직이면서 가열된 노즐을 통해 필라멘트를 압출합니다. 노즐에서 압출되는 용융 필라멘트가 빌드 플레이트에 안착되고, 여기에서 냉각과 함께 굳으면서 레이어를 형성합니다. 그러면 베드가 1mm보다 작은 단위로 내려가면서 다른 레이어의 적층을 시작합니다. 이러한 과정이 반복되면서 하나의 객체가 완성됩니다.
장점
장비 작동 및 유지보수가 비교적 쉽습니다.
장비 및 공정이 나머지 3D 프린팅 기법과 비교해 더욱 저렴하고 비용 효율적입니다.
공정이 비교적 깨끗해서 유독 화학물질을 사용할 필요 없습니다.
장비의 크기가 작기 때문에 데스크톱 설치나 랙 장착도 가능합니다.
전체 공정이 단일 스테이션에서 이루어지기 때문에 추가 장비가 필요하지 않습니다.
다양한 엔지니어링 속성을 지원하여 사용할 수 있는 재료가 광범위합니다.
장비 가격이 비교적 낮기 때문에 다수의 프린터를 함께 사용하면서 유연한 확장으로 리드 타임을 줄일 수 있습니다.
단점
요점
FFF는 사무 환경에 적합합니다. 장비 작동 및 유지보수가 쉽고 유독 화학물질이나 후처리 스테이션을 사용할 필요가 없기 때문입니다. 소모품이 매우 광범위하지만 나머지 기법과 비교해 가격이 저렴합니다. 소모품은 스풀에 감긴 필라멘트 형태로 제공되어 사용이 간편하며 장기간 보관도 가능합니다.
FFF 방식으로 부품을 3D 프린트할 경우 간혹 서포트 구조가 필요할 수도 있지만 제조 방식을 고려하여 CAD 데이터를 설계하면 서포트 구조를 피할 수 있습니다. 또한 이중 압출을 통해 단일 프린트에서 재료 2개를 함께 사용하는 것도 가능합니다. 이때 동일한 재료를 여러 색상으로 사용할 수 있기 때문에 미적 용도로 적합합니다. 또한 서로 호환되는 두 가지 재료를 사용하여 여러 가지 기계적 속성을 적용할 목적으로도 사용됩니다. 그 밖에 수용성 PVA 서포트 재료 같은 전용 서포트 재료를 사용해 물에 용해되는 서포트 구조를 프린트하거나, 혹은 Breakaway 재료를 사용해 부품에서 쉽게 박리되는 서포트 구조를 프린트할 수도 있습니다. 전용 서포트 재료를 사용하면 최종 부품의 표면 마감을 매끄럽게 처리할 수 있기 때문에 후처리를 최소화한 고품질 부품 제작이 가능합니다.
SLA(광경화 조형)
또 한 가지 주요 3D 프린팅 기술은 SLA입니다. 여기에서는 원재료로 UV 경화 수지가 사용됩니다. 이 수지를 유리 바닥 용기에 붓고 빌드 플랫폼을 담급니다. 그런 다음 UV 레이저 또는 DLP 프로젝터가 수지에 자외선을 조사하여 CAD 데이터의 수평 방향 레이어를 따라 선택적으로 경화합니다. 이후 플랫폼이 용기에서 나오면 경화되지 않은 수지가 평평해집니다. 이러한 과정이 반복되면서 하나의 객체가 완성됩니다.
장점
단점
소모품에서 불쾌한 냄새가 나고, 장갑을 착용하지 않고 처리하면 위험하며, 불에 잘 탑니다.
후처리 과정에서 추가 경화가 필요합니다.
소모품이 끈적거리며, 올바르게 경화 처리하지 않으면 작업장이 오염될 수 있습니다.
서포트 구조가 거의 항상 필요하여 프린트 표면에 아티팩트를 남깁니다.
단일 프린트에서 다수의 재료 또는 색상을 혼합해 사용할 수 없습니다.
데스크톱 SLA 프린터의 빌드 볼륨이 나머지 두 기술과 비교해 작습니다.
비경화 수지가 밀폐된 구조에서 흘러나올 수 있도록 부품에 구멍을 준비해야 합니다.
요점
SLA는 기하형상이 복잡하고 섬세한 부품에 적합한 반면 부품을 프린트할 때는 거의 대부분 서포트 구조를 사용해야 합니다.
FFF와 비교했을 때 후처리 공정이 더욱 복잡합니다. 이소프로필 알코올 같은 유독 화학물질을 사용해 부품을 세척하고, 취급 이전에 UV 오븐에서 경화 처리를 지나야 합니다. 유독 화학 약품을 사용하기 때문에 반드시 환기가 잘 되는 공간에서 작업하고 후처리까지 마쳐야 합니다.
수지를 원재료로 사용하기 때문에 불에 잘 타고 불쾌한 냄새가 나며 보존 기간이 제한적입니다. 또한 오랜 기간이 지난 수지와 새로운 수지를 함께 사용할 수 없기 때문에 재료 폐기에 따른 비용 상승을 초래할 수 있습니다. 그 밖에도 원재료의 가격이 다른 기술과 비교해 높습니다.
SLS(선택적 레이저 소결)
세 번째 주요 프린팅 기법은 SLS입니다. 여기에서는 일반적으로 폴리머라고 불리는 파우더를 원재료로 사용합니다. 이 파우더는 용기에 저장되어 있고, 여기서 리코팅 블레이드가 얇은 재료 층을 빌드 영역으로 분배합니다. 고출력 레이저가 재료의 작은 입자를 녹여 CAD 데이터의 단일 수평 층을 만듭니다. 이후 용기가 1밀리미터씩 움직이며 새로운 층을 시작하고, 리코팅 블레이드가 빌드 영역을 쓸고 지나가면서 새로운 원재료 층을 쌓습니다. 녹지 않은 분말은 체로 거르고, 이 분말을 사용하지 않은 분말과 섞어 재활용합니다. 이 과정을 반복하여 완성품을 만듭니다.
장점
완성된 부품에서 표면이 '오돌토돌할' 수 있지만 레이어는 보이지 않습니다.
완성된 부품이 모든 방향에서 비교적 높은 기계적 속성을 갖습니다(등방형 기계적 속성).
프린트 과정에서 서포트 재료가 필요하지 않습니다.
단점
장비가 크기 때문에 사무 환경에서는 부적합합니다.
원재료가 파우더이기 때문에 흡입 시 유해할 수 있습니다.
재료 또는 색상을 바꾸기 어렵습니다.
장비와 소모품의 구매 가격이 비싸고, 작동 및 유지보수에 전문 인력이 필요하기 때문에 추가 비용이 발생합니다.
후처리 스테이션과 파우더 재활용 스테이션이 필요해서 추가 비용이 발생합니다.
용기를 전체적으로 골고루 사용하지 않는다면 비경제적인 공정이 될 수 있습니다.
요점
서포트 구조 없이도 복잡한 형상을 마음껏 설계할 수 있기 때문에 설계 자유도가 높을 뿐만 아니라 최종 부품에서 레이어 라인이 보이지 않습니다.
비용이 가장 큰 단점입니다. SLS는 초기 설정과 유지보수로 인해 세 가지 주요 3D 프린팅 기술 중에서 비용이 가장 많이 발생하는 솔루션입니다. 그 밖에도 장비의 복잡성으로 인해 전문 인력이 필요하기 때문에 추가 비용이 발생합니다.
파우더 사용량을 최소화하려면 빌드 볼륨을 최대한 활용하여 프린트하는 것이 좋습니다. 따라서 소량 생산 공정에서 부품을 하나씩 제작할 경우에는 적합하지 않은 방법입니다.
또한 고출력 레이저를 사용하는 동시에 공정에서 분진이 발생하기 때문에 SLS 공정은 위험할 수 있습니다. 설치할 때는 장비 크기를 고려해 전문적인 공간이 필요합니다.
결론
세 가지 주요 기술은 각각 사용 사례가 다릅니다. SLA는 피처가 복잡하고 섬세한 소형 객체에 적합합니다. SLS는 대량 생산 및 산업 프린트 공정에서 항상 전체 빌드 볼륨을 가득 채우는 경우에 이상적입니다.
FFF 사용자들은 빠르게 시작할 수 있습니다. FFF 기술은 비용이 저렴하고, 접근성이 용이하고, 다양한 용도로 사용되기 때문에 사내에 3D 프린팅 솔루션을 구현할 때 추가 공간이나 전문 인력이 필요하지 않습니다. 회사는 기존 방식과 비교했을 때 개발 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 반복 설계를 통한 제품 개발이 가능하기 때문에 공정을 더욱 유연하게 진행할 수 있습니다. 또한 FFF는 세 가지 주요 기술 중에서 후처리 및 정리 작업이 가장 적기 때문에 사무 환경에서 사용하는 데 무엇보다 확연한 이점을 제공합니다. 그 밖에 FFF 3D 프린팅이 널리 사용되면서 무료로 사용할 수 있는 정보와 리소스가 풍부하다는 이점도 빼놓을 수 없습니다.
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