3D printer 20101305 김지나 20101298 김용환.

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1 3D printer 김지나 김용환

2 What is 3D printer? Modeling Printing Finishing 원리
여러가지 방식이 있지만, 대부분의 작동 원리는 크게 두 가지로 나뉜다. 첨가형 - 가루나 액체를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 방식이다. 비교적 복잡한 모양을 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다는 장점도 있다. 다만 완성품의 품질이 상대적으로 떨어 진다. 절삭형 - 커다란 합성수지를 둥근 날로 깎아가며 모양을 만드는 방식으로, 비교적 매끄럽게 인쇄할 수 있지만, 컵같은 모양은 날이 들어가지 않아 만들기 어렵다.   일반적인 원리 모델링(modeling): 일반적으로 CAD 또는 3차원 모델링 소프트웨어를 이용하여 3차원 도면을 완성한다. 또는 3D 스캐너를 이용해 도면을 얻을수도 있다 프린팅(printing): 기계가 모델링 과정에서 만들어진 도면을 이용해 물체를 만들어내는 과정이다. STL파일을 읽어들여 CAD모델에서의 가상적인 단면을 만들어내 액체나 분말등의 재료의 연속적인 층을 생성하고 융합한다. 이 기술의 장점은 이러한 방법을 통해 거의 모든 모형을 만들 수 있다는 것이다. 일반적으로 한 층에 100µm정도 되고 어떤 기기들은 16µm정도까지도 표현하기도 한다. XY해상도는 50~100µm정도이다. 인쇄 과정은 사용 방법과 모델의 크기와 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠 정도의 시간이 소요될 수 있다. 프린팅 공정마다 소요 시간등이 다르므로 필요에 따라 맞춰서 사용해야 한다. 마무리(finishing): 마무리는 물건이 얼마나 복잡한지, 어떤 공정과 원료로 만들어졌는지, 얼마나 정교하게 보여야 하는가에 따라 다르다. 사포로 연마하고, 색칠하고, 또는 용접되는 것이 보통의 과정이다.

3 3D Printer FDM 방식 SLA 방식 SLS 방식 DLP 방식 LOM 방식 MJM 방식

4 Fused deposition modeling
FDM 방식 Fused deposition modeling

5 FDM - 원리 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 한층 한층 적층해나가면서 3D 프린팅하는 방법 노즐은 고열로 플라스틱 필라멘트를 녹이고 뽑아져 나온 필라멘트는 상온에서 경화.

6 FDM - 원리

7 FDM - 장점 상대적으로 저렴한 가격과 유지비용 오픈소스형태 단순한 구조 정밀도에 따른 품질 향상 가능성 - 장점
2. 오픈소스 형태(RepRap)로 개발되었으며 2012년 6월 특허가 만료되어3D 프린팅 기술의 대중화를 현재 주도하고 있습니다. 개인용 3D 프린터의 대부분을 차지. 3. 다양한 소재 적용이 가능하며 단순한 구조로 인해 대형화에 용이하고 다양한 산업분야에 적용이 가능. 4. 리니어 모션 컨트롤, 즉 기기 컨트롤의 정밀도에 따라 모델의 표면 조도의 개선이 가능. 정밀하게 움직일 수록 정밀한 표면 퀄리티를 나타낼 수 있다.

8 FDM - 단점 매끄럽지 않은 표면 품질 지지대 필요 느린 인쇄속도 산업분야로의 적용 미비 - 단점
1. 모델 표면 조도의 퀄리티가 높지 않다. 매끄럽게 보이지 않고 층층이 쌓인 모습이 보이는 경우가 많다. 이 경우 세부 형상을 구현하는 데 있어 제한점이 많다. 2. 경화시 소재가 흘러내리는 것을 방지하기 위한 지지대가 필요하며, 3D 프린팅 후에는 지지대 제거의 과정이 추가로 필요. 3. 제작 속도가 매우 느린 편. 4. 산업분야에 적용하려면 앞으로도 많은 발전이 필요하며, 현재로서는 개인용과 가정용으로 활용하는 것에 국한되어 있다.

9 FDM - 기타 노즐을 통해 필라멘트를 녹여서 형상을 만드는 것은 FDM 방식과 비슷하지만 이것은 컴퓨터와 연결해서 쓰는게 아니고 펜처럼 그림 그리듯이 3D 형상을 만들어낼 수 있다. 킥스타터에서 성공적으로 funding을 한 뒤 현재 pre-order 중.

10 Stereolithography Apparatus
SLA 방식 Stereolithography Apparatus

11 SLA - 원리 광경화성 액체 수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시키는 방법으로 적층해나가는 방식.
인쇄물과 인쇄물을 받쳐주는 지지대(support)는 빌딩플랫폼(Building flatform)에 조형되고, 한층한층 쌓아갈때마다 이 빌딩 플랫폼이 움직이면서 그다음 쌓일 위치를 제시하게 되며, 결과적으로 빌딩 플랫폼에 3D 프린팅된 인쇄물이 완성되게 된다. (애니메이션 참고)

12 SLA - 원리

13 SLA - 장점 높은 정밀도 & 높은 표면 조도 중간 정도의 인쇄 속도 투명한 조형물 제작 가능 (광경화성 수지) 장점
3D 프린팅된 출력물의 정밀도가 높으며 표면 조도가 우수한 장점을 가지고 있으며 중간 정도의 조형속도로 가장 널리 쓰이는 기술이라고 한다.

14 SLA - 단점 광경화성 수지로 인한 세척과정 필수 광경화성 수지의 높은 단가 원료와 색상이 제한됨 지지대의 필요성
FDM보다 높은 단가 단점 액체 상태의 광경화성 수지를 사용하기 때문에 출력 후 세척과정이 필요. 그리고 필연적으로 지지대가 생기게 되는데, 조형물이 정교할수록 지지대 제거에 많은 시간이 소요된다. 또한 사용가능한 원료나 색상이 제한적인 점, 그리고 광경화성 수지의 단가가 비싸다는 점(form 1의 경우 1리터에 149달러), 그리고 개인용으로 흔히 사용되는 FDM 방식의 3D 프린터와 비교하였을 때 상대적으로 높은 가격 또한 단점으로 뽑을 수 있다.

15 Selective Laser Sintering
SLS 방식 Selective Laser Sintering

16 SLS - 원리 응고되는 물질이 파우더형태. 베드에 도포되어있는 파우더에 선택적으로 레이저를 쏘면 레이저에 맞은 부분의 파우더는 소결, 즉 분말을 가열하여 결합시킨다. 이 과정을 반복하여 적층하는 방식.

17 SLS - 원리 불꽃이 튀기는 부분이 레이저가 쏘여진 부분, 그 쏘여진 부분에서 파우더들이 소결, 즉 응집 및 결합되어 모형이 만들어진다.

18 SLS - 원리 후처리

19 SLS - 단점 굉장히 높은 단가 재료에 따른 후처리 공정 필요 재료에 따른 섬세한 레이저 조작 필요 - 단점
금속 재료 활용시 후표면처리 공정이 필요. 또한 플라스틱 재료를 활용했을때도 후표면처리 공정이 추가로 필요한 경우가 있다. 세라믹 알갱이들과 3D 프린팅된 모델을 함께 넣고 수시간동안 진동을 주어 표면을 문지르고 살짝 깎아내는 방법을 사용하여 표면처리. 표면처리시 깎여나가는 두께는 약 0.1mm정도로 눈에 잘 띄지는 않지만 날카로운 부분이나 뾰족한 부분은 아주 약간 뭉뚝해질 수 있다. 다양한 원료를 사용하기 때문에 각 원료마다 가열 온도와 레이저 조작 등을 세팅해야 하기 때문에 3D 프린팅 하는 데 있어 어려움을 겪을 수 있다. SLS 방식의 3D 프린팅은 다양한 재료와 재료에 따른 견고함, 그리고 정밀도등이 참으로 매력적인 방식.

20 SLS - 장점 ’14년 2월 특허 만료(대중화 기대) 지지대 필요없음 재료의 광범위성 ( 플라스틱 ~ 금속)
상대적으로 빠른 인쇄속도 이 SLS 방식의 특허가 2014년 2월 만료 예정으로 SLS 방식의 3D 프린터가 대중화되는 큰 기회가 될 것이라는 관측이 많다. - 장점 1. 소결되지 않은 원재료 분말들이 지지대 역할을 하기 때문에 따로 지지대(support)가 필요 없다. 2. 사용가능한 재료가 플라스틱에서 금속까지 매우 광범위하고 재료의 강도를 생각해 보았을 때 그 파급효과가 다른 3D 프린팅 방식보다 매우 클 것. Ex.강철부품 3. 조형 속도가 다른 3D 프린팅 방식과 비교하였을 때 비교적 빠르다.

21 Digital Light Processing
DLP 방식 Digital Light Processing

22 DLP - 원리 액체 상태의 광경화성 수지에 빔프로젝터를 사용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하여 그 투사한 모양대로 수지를 경화시켜서 적층하는 방식.

23 DLP - 원리 광경화성 수지의 밑에서 번쩍번쩍하는 것이 바로 빔프로젝터가 빛을 쏘는 것.

24 DLP - 장점 매우 높은 정밀도 & 표면조도 면 단위 조형에 따른 균일한 속도 상대적으로 빠른 인쇄속도

25 DLP - 단점 재료와 기계의 비싼 단가 DLP 전용 수지 필요 (원료 선택의 제한성) 작은 인쇄 사이즈 -단점
기기값이 다른 개인용 3D 프린터에 비해 비싸고 원료값도 비싸다. 최근 저가형 DLP 3D 프린터가 개발되었다고는 하지만.. B9creator 기준으로 3D 프린터 자체의 가격은 조립을 해야하는 키트는 US$2,990, 완제품은US$4,995이며, 원료의 경우에도 $100이 넘는다. DLP 전용 수지를 필요로 하기 때문에 원료 선택이 제한적. 그리고 다른 3D 프린팅 방식과 비교하여을 때 만들수 있는 조형물의 사이즈가 적은 것도 단점 중 하나. 그래서 주얼리 산업 같은 보통 높은 정밀도를 요구하는 소형 모델을 만들 때 사용.

26 Laminated Object Manufacturing
LOM 방식 Laminated Object Manufacturing

27 LOM - 원리 디자인한 모델의 단면의 모양대로 잘려진 점착성 종이, 플라스틱, 금속판 등을 접착제로 한층 한층 붙여서 조형하는 방식. 1. 재료의 시트가 가열된 롤러로 기본 구조물에 붙여진다. 2. 레이저가 모델 한층의 형상대로 잘라내고 나머지 필요 없는 부분은 제거된다. 3. 적층이 완료된 플랫폼은 아래로 살짝 내려간다. 4. 새 재료시트가 플랫폼 위로 다시 올라온다. 5. 적층될 층을 조형중인 모델에 붙이기 위해 플랫폼이 다시 위로 올라온다. 6. 위의 과정이 반복.

28 LOM - 원리

29 LOM - 장점 저렴한 제조 비용 목재 재질 혹은 대형 제품 제작 가능
전체 3D 프린팅 방식들과 비교시 중간정도의 정밀도와 표면조도를 보여준다. 장점 제조 비용이 매우 저렴하다. 사용가능한 재료가 종이, 플라스틱, 금속, 세라믹 등인데 가장 흔히 사용되는 재료가 바로 종이. 종이가 아무리 비싸도 광경화성 레진 같은 특수재료보다는 가격이 많이 저렴하다. 또한 목재 재질의 조형물도 구현 가능하며 잘라낼 수만 있다면 대형 제품을 제작하는 것도 가능.

30 LOM - 단점 재료의 특성에 따른 낮은 내구성 재료의 제한성 단점
재료의 특성에 따라 필연적으로 발생할 수 밖에 없는 것들. 즉, 내구성. 종이가 금속보다 튼튼할 수는 없다. 또한 재료로 사용하는 것들이 한정적이다 보니 아무래도 재료 사용의 유연성이 떨어지는 것도 단점으로 생각할 수 있다. 하지만 내구성면에서의 단점은 페인트를 칠한다거나 니스칠을 해서 습기와의 접촉으로 인한 손상을 어느 정도 막을 수는 있다.

31 Multi Jetting Modelling
MJM 방식 Multi Jetting Modelling

32 MJM - 원리 http://www.youtube.com/watch?v=3wiqakOpLJU
프린터 헤드에서 광경화성 수지와 왁스(Wax)를 동시에 분사한 뒤 UV light로 고형화시키는 방식으로 적층을 하는 3D 프린팅 방식. 실제로 모형이 되는 것은 광경화성 수지이며, 왁스는 지지대(support)로 사용된다.

33 MJM - 장점 매우 높은 정밀도 & 표면조도 뛰어난 곡선처리 투명한 조형물 제작 가능 (광경화성 수지) -장점
엄청난 정밀도. 정밀도가 가장 높은 기술로 뛰어난 곡선 처리와 우수한 표면 조도를 보인다. 광경화성 수지를 이용한다는 말은 위의 손가락처럼 투명한 조형물을 제작하는 것이 가능하다는 것. 광경화성 수지를 이용하는 또다른 3D 프린팅 방식인 SLA 방식과도 동일한 장점.

34 MJM - 단점 재료의 약한 내구성 높은 온도에서의 변형 발생 비싼 단가 -단점
3D 프린팅 방식 중에서도 재료의 강도가 약한 편이어서 강도가 약하다고 하며 또한 높은 온도에서는 변형발생이 가능. 제작 속도는 중간정도. 가격도 비싼 편이어서 개인이 사용하는 용도보다는 기업에서 사용하는 용도가 더 적합하다. 인터넷 자료에 따르면 InVision SR 3D Printer의 가격이 US에서 39,900달러 정도.

35 Q & A