3D 프린터 개요

개요

3D 프린터(3D PRINTER)란 2D 프린터가 활자나 그림을 인쇄하듯이 입력한 3D 데이터를 바탕으로 3차원의 입체 형상을 만들어내는 기계입니다.

3D 프린터는 잉크젯 프린터에서 디지털화된 파일이 전송되면 잉크를 종이 표면에 분사하여 활자나 그림을 인쇄하는 원리와 같습니다.

2D 프린터는 앞뒤(X 축)와 좌우(Y 축)로만 운동하지만 3D 프린터는 여기에 상하(Z 축) 운동을 더하여 입력한 3D 데이터를 바탕으로 입체 형상을 만들어냅니다.

3D 프린터 용도

한동안 3D 프린터(3D PRINTER) 붐이 일어나더니 기대되는 활용성에 비해 제대로 사용하기에는 미묘한 입지와 그냥 아무렇지 않게 사서 쓰기에는 가격이 비싸서 보급에 어려움을 겪고 있었다가 거품이 꺼지고 나서부터는 정말 관심 있는 사람들 사이에서와 목업을 제작하기에는 자본이 부족한 스타트업 회사에서 주로 쓰이고 있습니다.

3D 프린터(3D PRINTER) 붐이 어느 정도 식어버린 지금, 3D 출력물에 대한 적정한 시장 가격이 형성됨에 따라서 저가형 조립 모델부터 교육용, 산업용까지 여러 회사에서 다양한 종류의 3D 프린터를 출시하고 있습니다.

또한 AUTODESK 사에서 초등학생도 다룰 수 있는 모델링 소프트웨어를 만들겠다는 취지 하에 123D DEDSIGN, TINKERCAD 등을 개발 및 프리웨어로 배포 중이며, 그 외에도 BLENDER나 FreeCAD, 스케치업 등도 사용할 수 있습니다.

무료 3D 모델링 소프트웨어의 배포로 인해서 모델링 구현 진입장벽의 난이도가 낮아진 것은 맞지만 그래도 여전히 3D 모델링을 구현하는 데는 난이도라는 것이 존재하고 있습니다.

3D 프린터 개발 역사

3D 프린터(3D PRINTER)의 시초는 RP(쾌속 조형)라고 불리는 출력 기술에서 기인하였습니다.

1981년 일본 나고야 시공업 연구소의 고다마 히데오 박사에 의해 3D 프린터의 특허가 출원되었지만 기한인 1년 안에 설명서를 기재하지 못하였기에 특허 출원은 무산되었습니다.

1983년 3D SYSTEMS 사의 공동창업자 찰스 힐에 의해 처음 개발되었지만 1986년 3D 프린터의 첫 번째 특허 취득은 SLA (광 경화성 수지 적층 조형) 방식의 3D 프린터를 만든 척 헐에게 돌아갔습니다.

그 후 3D SYSTEMS 사를 설립한 척 헐은 2년 후인 1988년 3D 프린터를 세계 최초로 상용화하였습니다.

1987년에는 미국 오스틴의 텍사스 대학에서 학부생이었던 칼 데카르트가 조 베이만 교수의 도움을 받아 SLS (선택적 레이저 소결 조형) 방식의 3D 프린터의 특허를 1989년에 취득하였습니다.

SLS  방식의 3D 프린터의 작동 원리는 플라스틱 가루 위에 원하는 모양으로 접착제를 뿌린 뒤 남은 가루를 날리는 방식이었으며 현재의 SLS 방식의 시초가 된다고 할 수 있습니다.

이 특허는 이후 DTM 사가 상용화하였으며 현재 해당 기업은 3D SYSTEMS 사에 인수 합병되었습니다.

또한 1989년에는 FDM (필라멘트 압출 조형) 방식의 특허도 출원되었는데 해당 방식은 스콧 크럼프가 특허를 취득하였습니다.

이후 스콧 크럼프는 STRATASYS 사를 설립하여 1991년에 최초로 FDM 방식의 3D 프린터를 상용화하였습니다.

STRATASYS 사는 현재 세계 1위의 3D 프린터 제조업체가 되었고 상표권 분쟁을 피하기 위해 FDM을 FFF로 명칭을 변경하였습니다.

3D 프린터가 그 이름을 얻어 대중에 알려진 지는 얼마 되지 않았지만 실제 현장에 도입된 지는 꽤 긴 시간이 흘렀습니다.

원래는 RP라는 이름으로 기업에서 목업을 제작하는데 주로 사용되었습니다.

이때까지만 해도 RP는 하나의 모형을 제작하는데 12~24시간 정도로 긴 시간을 요구하였고 제작 비용이 상당히 고가였기 때문에 개인이 사용하기에는 적합하지 않았습니다.

3D 프린터가 대중에게 알려지고 익숙해지기 시작한 시기는 비교적 제작 비용이 저렴하고 제작 시간이 짧은 FDM 방식이 상용화가 된 시기부터이며, 이때를 기점으로 3D 프린터라고 불리기 시작하였습니다.

기본 원리

1. 3D 모델링

3D 프린터로 제작 가능한 모델은 3D 스캐너, 디지털카메라나 사진 측량 소프트웨어를 통해 만든 컴퓨터 전용 디자인 도구인 CAD를 통해서 만들어집니다.

CAD로 된 모델은 제작 시 오류를 줄일 수 있고 모델이 출력되기 전에 디자인을 확인하면서 고칠 수도 있습니다.

3D 스캐닝은 실제 물체의 형태나 외형을 디지털 데이터로 수집하여 그것을 기반으로 디지털 모델을 제작하는 과정입니다.

3D 스캐닝을 통한 CAD 모델은 빛을 비추어 3D 모델을 제작하는 광 조형 형식(STL  혹은 SLA)으로 제작할 수 있습니다.

하지만 광 조형 형식은 관련된 표면의 수가 많아서 파일 크기가 큰 격자 구조를 생성하므로 3D 모델링 작업에 적합하지 않습니다.

그래서 선의 삼각 기법을 사용하여 정보를 저장하는 새로운 CAD 파일 형식인 적층 제조 파일 형식(AMF)이 2011년에 소개되기도 하였습니다.

2. 출력

(1) STL 파일

STL 파일로 3D 모델을 출력하기 전에 오류가 발생할 수 있는 부분을 미리 확인해야 합니다.

대부분의 CAD 소프트웨어는 다음과 같은 경우에서 결과물의 오류가 발생할 수 있습니다.

– 구멍.

– 인접한 표면끼리 교차.

– 불규칙한 형상의 표면.

– 돌출된 표면.

– 그외 다양한 오류.

STL 생성 단계에서 ‘수정’이라고 알려진 단계가 원래의 모델에서 이러한 문제점을 고칠 수 있습니다.

3D로 출력하기 위해 파일을 슬라이서에 올릴 때 오류가 있다면 ‘오류를 수정하겠습니까?’라는 문구가 뜰 것입니다.

일반적으로 3D 스캐닝을 통해서 얻어진 모델의 STL 파일은 이러한 오류가 자주 발생하는데 3D 스캐닝이 작동하는 방법 때문에 그렇습니다.

파일이 완성되면 STL 파일은 ‘슬라이서’라고 불리는 소프트웨어 단계로 진행됩니다.

(2) G 코드

슬라이서는 모델을 얇은 층으로 변환시킨 후 3D 프린터의 종류에 따라 다르지만 층을 붙이는 방법을 통해 G 코드로 만들어집니다.

이 G 코드 파일은 3D 프린터 클라이언트 소프트웨어를 통해 출력할 수 있습니다.

3D 프린터의 해상도는 층 두께 및 XY 해상도를 dpi 또는 µm로 나타냅니다.

몇몇 3D 프린터는 한 층을 16μm(1,600 dpi)처럼 얇게 출력할 수 있지만 전형적인 한 층의 두께는 대략 100μm(250 dpi) 정도입니다.

이러한 입자는 지름이 약 50~100μm (510~250 dpi) 정도이고 0.01~0.03mm의 메시와 0.016mm 이하의 메시의 눈 길이 정도면 주어진 모델 파일에서 최적의 STL 결과물을 만들어 낼 수 있습니다.

(3) 제작 시간과 비용

기존의 RP로 모형을 제작하는 것은 사용된 방식이나 모형의 복잡성 및 크기에 따라 몇 시간에서 며칠의 시간이 소요될 수 있습니다.

그에 반해 3D 프린터는 사용되는 기계의 종류나 생산되는 모형의 크기와 개수에 크게 의존함에도 불구하고 모형 제작 시간을 단축시켜 줄 수 있습니다.

사출과 같은 전통적인 제작 방식처럼 높은 퀄리티로 플라스틱 상품을 제조하는 것에 비해 덜 비싸겠지만 3D 프린터는 더 빠르고 훨씬 유동적이며 상대적으로 소량을 생산할 때 전통적인 제조 방식보다 더 저렴합니다.

3D 프린터는 디자이너와 초안 개발 팀이 데스크톱 크기의 프린터를 사용하여 부품과 기본 모형을 제작할 수 있도록 해줍니다.

(4) 출력 및 후작업

3D 프린터로 모형을 제조 시 층으로 된 모든 구조물은 꺾이거나 기울어지는 부분에서 피할 수 없이 뒤틀림과 같은 변형이 나타납니다.

이러한 현상은 모형 제작 과정에서 부품 표면에 존재하는 방향성에 크게 의존하기 때문에 발생합니다.

ABS와 같은 소재를 사용한 출력물의 표면 조도는 자체적으로도 좋지만 제작이 완료된 후 아세톤이나 다른 성분에 기초한 화학물로 훈증하면 표면 상태를 개선할 수 있습니다.

몇몇 3D 프린터는 부품을 제작하는 데 다양한 색상을 사용할 수 있고 다양한 색과 색의 조합으로 동시에 출력할 수 있으며 출력 후 도색을 필수적으로 요구하지 않을 수도 있습니다.

3. 마무리

몇몇 출력 기술은 제작 과정 동안 내부에 지지대를 제작하는데 이러한 지지대들은 기계적으로 제거하거나 3D 출력이 완료된 후에 녹일 수 있습니다.

모든 상업적인 금속 3D 프린터는 출력 후 금속 지지대를 잘라내야 하는데 GMAW 3D 출력을 위한 새로운 과정을 사용하면 금속 지지대를 제거하기 위해 표면 수정을 허용하기도 합니다.

4. 다중 색상 출력

다중의 재료를 사용하는 3D 출력은 물체가 복합적이고 다른 계열의 재료를 사용해야 합니다.

이러한 출력 방법은 물체의 부피 내에서 재료가 각각의 복셀에 직접적으로 사용되는 것을 요구하지만 단일 알고리즘 때문에 어려움이 많습니다.

다중 재료 3D 출력은 미래의 기술 개발에 근본이며 장난감, 신발, 가구, 휴대폰 케이스, 악기 또는 미술품에 이르기까지 이미 다양한 산업에서 사용되고 있습니다.

BAAM (대규모 적층 조형 방식) 3D 프린터라면 3D 출력된 집이나 자동차와 같은 큰 모델도 제작이 가능합니다.

우주항공 분야에서는 BAAM을 가지고 높은 온도의 우주 공간에서도 견딜 수 있는 장비와 도구를 제작하고 있습니다.

또한 의료계에서는 인공장기나 알약 혹은 백신을 출력한 3D 프린터가  최근에 등장하였습니다.

이 새로운 개념을 가지고 의약품 제작에 앞장을 선다면 서로 다른 알약을 합치기 쉽고 약물 오용 등과 같은 위험을 줄일 수도 있을 것입니다.

이상으로 3D 프린터에 대한 개요를 마치고 다음에는 3D 프린터의 종류에 대하여 살펴볼 예정입니다.