3D 프린터 종류 및 소재

3D 프린터(3D PRINTER)는 용도, 소재, 크기 등과 같은 다양한 조건에 의해 종류가 나누어지지만 가장 대표적인 분류 기준으로 삼는 것이 출력 동작의 원리입니다.

ISO(국제 표준화 기구)에서는 3D 프린터(3D PRINTER)를 7가지로 분류하여 이를 국제 표준으로 제정하였습니다.

본 게시물에 소개되는 3D 프린터(3D PRINTER)는 ISO의 분류에서 더 세분화된 부분으로 현재 시장에서 가장 많이 사용하고 있는 3D 출력 방식에 기초하였습니다.

종류

SLA(광 경화성 수지 적층 조형)

SLA 방식은 3D 프린터의 조형 방식 중 가장 오래되었고 액상 상태의 광 경화성 수지에 UV 레이저를 조사하여 모형을 조형합니다.

3D SYSYEMS 사의 SLA 3D 프린터 시연 영상(출처 3D SYSTEMS)

광 경화성 수지는 UV 레이저와 만나면 고체로 변하는 성질이 있는데 이를 광 경화 작용이라 하며 UV 레이저가 조사된 부위에 형상의 단면을 생성하고 수조 내에 잠겨있는 베드가 단계적으로 하강하면서 연속적으로 3차원 형상을 만듭니다.

SLA 3D 프린터는 복잡한 형상의 모형을 만드는 데 적합하고 치수 정밀도 높으며 표면 조도가 좋습니다.

SLA 3D 프린터는 투명하거나 유연한 재료 혹은 생체에 적합한 수지 등을 소재로 하여 출력할 수 있습니다.

하지만 다른 3D 프린터 방식으로 출력한 모형에 비해 충격과 열에 약하고 자외선에 장시간 노출 시 변색이 되며 기계적 특성이 변하기 때문에 실외에서 사용 시 제약이 따릅니다.

SLA 3D 프린터의 기계에 따라 지지대가 생성되는 경우가  있고 소재에 따라 추가적인 세척과 경화 작업이 요구될 수도 있습니다.

SLS(선택적 레이저 소결 조형)

SLS 방식은 3D 프린터의 내부에 장착된 롤러를 이용하여 분말 형태의 재료를 얇게 깔고 선택적으로 레이저를 조사하여 굳히는 과정을 반복하여 3차원 형상을 조형합니다

소결 과정을 거치지 않은 분말은 재사용이 가능합니다.

3D SYSYEMS 사의 SLS 3D 프린터 시연 영상(출처 세중정보기술)

SLS 3D 프린터로 제작된 모형은 기계적 특성이 우수하여 기능성 부품을 제작하는 용도로 사용되고 있습니다.

SLS 3D 프린터는 출력 시 소결되지 않은 잉여 분말이 자연스럽게 형상의 지지대 역할을 하기 때문에 따로 지지대를 설치할 필요가 없습니다.

또 대형 베드를 활용해 100개 이내의 모형을 한꺼번에 출력할 수 있어서 생산성이 매우 높습니다.

하지만 SLS 3D 프린터는 조형 과정에서 소결되지 않은 분말이 출력물 표면에 달라붙어서 이를 제거해야 합니다.

분말을 제거하기 전에 출력된 모형을 균일하게 냉각시켜야 하므로 높은 전문성이 필요합니다.

또한 분말을 제거하는 과정에서 인체에 유해한 미세입자가 비산하므로 방진 시설을 갖추고 작업을 진행해야 합니다.

FDM(필라멘트 압출 조형)

FDM 방식은 3D 프린터에 장착된 압출 노즐로 가열된 필라멘트를 분사하여  형상을 적층하는 방식으로 입력된 데이터 값에 따라 노즐을 움직여 조형되는 위치에 필라멘트를 압출하여 적층합니다.

STRATASYS 사의 FDM 3D 프린터 시연 영상(출처 STRATASYS)

FDM 3D 프린터는 상온에서 응고되는 필라멘트의 특성을 이용하여 한 층 한 층 소재를 적층하여 모형의 형상을 완성합니다.

한 층의 적층이 완료되면 빌드 플랫폼이 아래로 이동하여 새로운 층을 쌓고 이 과정을 모형이 완성될 때까지 반복하게 됩니다.

FDM 3D 프린터는 열가소성 수지를 사용하는 부품이나 시제품을 생산할 때 가장 많이 쓰이며 소재의 선택이 광범위합니다.

또 제작 시간이 가장 짧아서 시제품 제작에 적합합니다.

하지만 FDM 3D 프린터는 다른 방식의 3D 프린터보다 치수 정밀도와 표면 조도가 떨어집니다.

FDM 3D 프린터는 지지대를 제거하거나 표면 처리를 하는 등 후가공이 필요하고 적층 방식으로 모형의 형상이 제작되기 때문에 특정한 방향에서 가해지는 충격에 취약합니다.

MJ(재료 분사 조형)

MJ 방식은 3D 프린터의 헤드에서 소재를 분사하고 동시에 UV 램프를 이용하여 경화시키면서 3차원 형상을 조형합니다.

3D HUBS 사의 MJ 3D 프린터 시연 영상(출처 3D HUBS)

MJ 3D 프린터는 병렬로 배열된 재료 저장 장치에서 소재를 각각의 프린터 헤드로 공급하기 때문에 여러 가지 소재와 색상을 동시에 사용할 수 있습니다.

MJ 3D 프린터는 잉크젯 프린터와 원리가 유사합니다.

MJ 3D 프린터로 출력한 모형의 표면 조도가 좋으나 출력 비용이 고가이고 지지대의 제거가 까다로우며 내구성이 상대적으로 약하고 빛에 민감합니다.

BJ(접착제 분사 조형)

BJ 방식은 현존하는 3D 프린터 중 가장 다양한 소재를 사용할 수 있으며 BJ의 B(Binder)는 접착제를 의미합니다.

BJ 3D 프린터의 내부에 설치된 블레이드나 롤러를 움직여 분말을 얇고 고르게 편 후 그 위에 선택적으로 접착제를 분사하면 강력한 점성을 가진 접착제와 소재가 엉겨 붙어 3차원 형상을 조형합니다.

EXONE 사의 BJ 3D 프린터 시연 영상(출처 EXONE)

접착제에 달라붙지 않은 나머지 분말이 지지대 역할을 수행하기 때문에 지지대를 추가로 설치할  필요가 없습니다.

흔히 볼 수 있는 MDF 합판을 제조하는 방식과 유사합니다.

BJ 3D 프린터는 현업 전문가들이 인정하는 가장 잠재력이 큰 3D 출력 기술로써 플라스틱, 세라믹, 금속 등 거의 모든 재료를 사용할 수 있습니다.

거푸집까지 바로 생산해 낼 수 있는 정도입니다.

MJ  3D 프린터와 마찬가지로  다양한 색상의 출력이 가능하고 대형의 모형도 무리 없이 제조해 낼 수 있습니다.

BJ 3D 프린터로 건물까지 지울 수 있을 정도로 출력물 크기의 제약이 거의 없습니다.

BJ 3D 프린터는 출력 비용이 저렴하고 대형물 제작이 용이하며 다양한 재료를 사용하여 출력이 가능하나 출력 속도가 느리고 표면 조도가 나쁘며 강성이 낮고 후처리로 인하여 설계의 제약이 따릅니다.

DMLS(직접적 금속 레이저 소결 조형)

DMLS 방식은 SLS 방식과 유사한 3D 프린터로써 분말 상태의 금속에  직접적으로 레이저를 조사하여 형상을 조형합니다.

STRATASYS 사의 DMLS 3D 프린터 시연 영상(출처 STRATASYS)

DMLS 3D 프린터는 금속 입자를 소결 시켜 조형하는데 용접과 유사합니다.

플라스틱과 달리 금속 분말은 소결하는 과정에서 왜곡 현상이 일어나기 때문에 지지대를 설치하는 것이 SLS 3D 프린터와 가장 큰 차이점입니다.

DMLS 3D 프린터는 금속 지지대를 제거하기 위해 출력 후 CNC로 절삭가공을 실시해야 하고 잔류 응력을 제거하기 위해 열처리를 해야 합니다.

이런 단점에도 불구하고 DMLS 3D 프린터는 기존 공법으로 제작할 수 없었던 복잡한 형상의 금속 부품을 쉽게 조형할 수 있고 위상 최적화를 통해 재료 사용량을 최소화하면서 성능 최적화를 꾀할 수 있습니다.

DMLS 3D 프린터는 금속 소재를 이용하여 출력할 수 있고 금속의 위상 최적 설계가 가능하지만 출력 비용이 고가이고 출력물의 크기에 제약이 따릅니다.

소재

PLA(FDM용 소재)

PLA는 옥수수와 사탕수수를 원료로 하여 만들어진 친환경 수지로 고분자 생분해성이며 ABS보다 유해 요소가 적습니다.

PLA의 강도는 ABS의 80% 정도이고 이산화탄소 배출이 적으며 ABS보다 수축량이 적습니다.

PLA는 점착성이 우수하고 융점이 일정하며 기포가 발생하지 않지만 출력물은 60도 이상의 물과 접촉하면 변형이 발생할 수 있습니다.

ABS(FDM용 소재)

ABS는 매끄러운 표면과 섬세한 형상을 조형할 수 있고 출력 색상이 다양하며 접착제를 사용하여 결합이 용이하고 내충격성 및 내마멸성이 좋으며 융점이 일정합니다.

ABS는 출력 후 사포질이나 샌딩 같은 표면 처리가 용이하고 도색이 가능하지만 수축이 심해서 히팅 베드가 필수적으로 설치되어 있어야 하고 출력 시 냄새가 납니다.

일반 레진(SLS용 소재)

SLS 3D 프린터의 소재로 주로 사용되는 분말 형태의 수지를 레진이라고 하고 일반 레진이라는 명칭은 투명 레진과 구별되기 때문에 명명한 듯합니다.

일반 레진은 섬세한 형상 조형이 가능하고 표면이 매끄러우며 도색 등을 통해 다양한 색 표현을 할 수 있습니다.

일반 레진은 표면 조도가 높고 미세한 조형을 요하며 대형물 제작에 적합하고 출력 비용이 저렴해야 하며 접착제를 사용하여 결합이 용이한 모형 제작에 적합합니다.

하지만 일반 레진은 내마모성이나 생체 적합성, 인체 무해성이 필요한 모형 제작에는 사용해서는 안 됩니다.

투명 레진(SLS용 소재)

투명 레진은 투명한 모형을 제작할 때 사용하는 소재로써 일반 레진과 마찬가지로 표면 조도가 좋고 섬세한 형상 출력이 가능해야 합니다.

단점 또한 일반 레진과 대동소이합니다.

나일론 레진(SLS용 소재)

나일론 레진은 기계적 성질이 우수하고 내화학성, 내마모성이 뛰어납니다.

나일론 레진은 복잡한 형상의 부품이나 자동차 부품, 의료 용품 등의 제작에 적합하며 시제품보다는 실사용 제품을 소량 생산하는데 사용되고 있는 소재입니다.

나일론 레진은 형상이 복잡하고 조립성을 요하며 접착제를 사용하여 결합이 용이해야 하는 모형 출력에 적합하지만 방수성, 생체 적합성, 인체 무해성, 높은 표면 조도, 대형물 출력과 같은 용도로 사용하기에는 무리가 있습니다.

풀 컬러 레진(MJ용 소재)

풀 컬러 레진은 출력 후 도색 작업이 불필요하고 다양한 색상을 요하는 모형을 제작하는데 적합합니다.

풀 컬러 레진은 실사용 제품 생산에 이미 사용하고 있는 소재입니다.

플 컬러 레진은 복잡하고 섬세한  형상 출력이 가능하고 방수성이 뛰어나며 조립이 용이하고 접착제를 사용하여 결합이 가능합니다.

풀 컬러 레진은 생체 적합성, 인체 무해성, 높은 표면 조도, 대형물 출력과 같은 용도로 사용하기 힘들고 거기다가 출력 비용이 비쌉니다.

생체 적합성 레진(MJ용 소재)

생체 적합성 레진은 의료 용품이나 인공장기 등을 출력 시 사용되는 소재로써 인체 무해성이나 높은 표면 조도, 저렴한 출력 비용 등의 장점이 있고 단점은 다른 MJ 용 소재와 대동소이합니다.

고무 유사 레진(MJ용 소재)

고무 유사 레진은 유연성을 요하는 모형 제작에 적합하고 방수성이 우수하며 접착제를 사용하여 결합이 가능합니다.

고무 유사 레진은 내마모성, 생체 적합성, 인체 무해성, 대형물 출력에는 적합하지 않습니다.

DMLS용 소재

DLMS 3D 프리터는 알루미늄, 니켈, 스테인리스 등이 주 소재로 사용되고 있고 장점은 금속이 가지는 것 그대로이지만 절삭가공이나 금형과 같은 제조 방식보다는 표면 조도가 나쁘고 출력 비용이 고가이며 대형물 제작에 제약이 따릅니다.

규사(BJ용 소재)

규사는 빠른 시간 안에 대형이고 정밀한 모형의 출력이 가능한 소재입니다.

규사는 대형물이나 모래 주형 제작에 용이하고 높은 표면 조도, 섬세한 형상 출력, 내마모성, 조립성, 생체 적합성, 인체 무해성 등을 요하는 경우에는 사용할 수 없습니다.