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3D 프린팅이란?- 유형 및 작동 원리

메카럽 2022. 3. 8. 00:10
3D 프린팅이란?

3D 인쇄 또는 적층 제조는 CAD 모델 또는 3D 디지털 모델에서 3차원 물체를 구성하는 것입니다.

"3D 프린팅"이라는 용어는 컴퓨터 제어하에 플라스틱, 액체 또는 분말 입자와 같은 재료가 함께 융합되는 3차원 물체로 재료를 증착, 결합 또는 고형화하는 다양한 프로세스를 나타낼 수 있습니다.

1980년대에 3D 프린팅 기술은 기능적 또는 미적 프로토타입을 생산하는 데에만 적합하다고 여겨졌는데, 당시에는 이에 대한 보다 적절한 용어가 래피드 프로토타이핑이었습니다.

2019년부터 3D 프린팅의 정밀도, 반복성 및 재료 다양성은 일부 3D 프린팅 프로세스가 산업 등급 생산 기술로 간주될 정도로 증가했으며 적층 제조라는 용어는 3D 프린팅과 같은 의미로 사용됩니다.

3D 프린팅의 주요 이점 중 하나는 무게를 줄이기 위해 속이 빈 부품이나 내부 트러스 구조가 있는 부품을 포함하여 손으로 디자인할 수 없는 매우 복잡한 모양이나 형상을 생성할 수 있다는 것입니다. 열가소성 소재의 연속 필라멘트를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling)은 2020년 현재 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 공정입니다.

 

누가 3D 프린팅을 발명했나요?

최초의 3D 프린팅 제조 장비는 나고야 시 산업 연구소의 Hideo Kodama가 3D 모델을 제작하기 위한 두 가지 추가 방법을 발명했을 때 개발되었습니다.

 

3D 프린팅은 언제 발명되었나요?

1920년대 장식 제품을 만들기 위한 Ralf Baker의 작업(특허 US423647A)을 기반으로 Hideo Kodama의 초기 레이저 경화 수지 급속 프로토타이핑 작업은 1981년에 완료되었습니다. 그의 발명은 1984년 광조형 기술의 도입과 함께 향후 30년 동안 확장되었습니다. .

3D Systems의 Chuck Hull은 1987년에 스테레오리소그래피 공정을 사용한 최초의 3D 프린터를 발명했습니다. 그 뒤를 이어 선택적 레이저 소결 및 선택적 레이저 용융 등이 개발되었습니다.

1990년대에서 2000년대에 다른 값비싼 3D 프린팅 시스템이 개발되었지만, 2009년 특허가 만료되면서 비용이 크게 하락하여 더 많은 사용자에게 이 기술을 사용할 수 있게 되었습니다.

 

 

3D 프린터는 어떻게 작동합니까?

3D 프린터는 기본적으로 컴퓨터 제어 하에 정밀하게 움직이는 작은 노즐을 통해 용융 플라스틱을 압출하는 방식으로 작동합니다. 한 레이어를 인쇄하고 마를 때까지 기다렸다가 다음 레이어를 맨 위에 인쇄합니다. 모델이 인쇄되는 플라스틱은 분명히 매우 중요합니다.

3D 프린팅은 적층 제조 제품군의 일부이며 3D임에도 불구하고 기존 잉크젯 프린터와 유사한 방법을 사용합니다. 3차원 물체를 처음부터 생성하려면 최고급 소프트웨어, 분말형 재료 및 정밀 도구의 조합이 필요합니다. 다음은 3D 프린터가 아이디어를 실현하기 위해 취하는 몇 가지 주요 단계입니다.

 

3D 모델링 소프트웨어

3D 프린팅 프로세스의 첫 번째 단계는 3D 모델링입니다. 정밀도를 최대화하려면(3D 프린터는 인쇄하려는 항목을 마술처럼 추측할 수 없기 때문에) 모든 개체는 3D 모델링 소프트웨어에서 설계해야 합니다. 일부 디자인은 전통적인 제조 방법에 비해 너무 복잡하고 상세합니다.

바로 이 CAD 소프트웨어가 필요합니다. 모델링을 통해 프린터는 가장 작은 세부 사항까지 제품을 사용자 정의할 수 있습니다. 정밀한 설계를 가능하게 하는 3D 모델링 소프트웨어의 능력은 3D 프린팅이 많은 산업에서 진정한 게임 체인저로 환영받는 이유입니다.

이 모델링 소프트웨어는 기공소에서 3차원 소프트웨어를 사용하여 개인에게 정확하게 맞는 치아 교정기를 설계하는 치과와 같은 산업에 특히 중요합니다. 또한 소프트웨어를 사용하여 Rocketship의 가장 복잡한 부분을 설계하는 우주 산업에서도 매우 중요합니다.

 

모델 슬라이싱

모델이 생성되면 "슬라이스"할 차례입니다. 3D 프린터는 인간처럼 3차원의 개념을 개념화할 수 없기 때문에 엔지니어는 프린터가 최종 제품을 만들기 위해 모델을 레이어로 분할해야 합니다.

슬라이싱 소프트웨어는 모델의 각 레이어를 스캔하고 해당 레이어를 재생성하기 위해 이동하는 방법을 프린터에 알려줍니다. 슬라이서는 또한 3D 프린터가 모델을 "채워야" 한다고 말합니다.

이 채우기는 3D 인쇄된 개체 내부 격자 및 열을 제공하여 개체의 모양을 만들고 강화하는 데 도움이 됩니다. 모델이 슬라이스되면 실제 인쇄 프로세스를 위해 3D 프린터로 전송됩니다.

 

3D 프린팅 프로세스

3D 물체의 모델링과 슬라이싱이 완료되면 마침내 3D 프린터가 그 역할을 맡을 차례입니다. 프린터는 일반적으로 직접 3D 인쇄 프로세스에서 기존 잉크젯 프린터와 동일하게 작동합니다. 여기서 노즐은 왁스 또는 플라스틱과 같은 폴리머를 층별로 분배하면서 앞뒤로 움직이고 해당 층이 건조될 때까지 기다린 다음 추가합니다. 다음 레벨. 본질적으로 수백 또는 수천 개의 2D 프린트를 서로 겹쳐서 3차원 개체를 만듭니다.

 

3D 프린팅 재료

프린터가 개체를 최대한 재현하기 위해 사용하는 다양한 재료가 있습니다. 여기 예시들이 있습니다 :

아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS): 성형하기 쉽고 부서지기 힘든 플라스틱 소재. 레고와 같은 재료로 만들어졌습니다.

탄소 섬유 필라멘트
탄소 섬유는 강하면서도 매우 가벼워야 하는 물체를 만드는 데 사용됩니다.

전도성 필라멘트
이 인쇄 가능한 재료는 아직 실험 단계에 있으며 전선 없이 전기 회로를 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다. 웨어러블 기술에 유용한 소재입니다.

유연한 필라멘트
유연한 필라멘트는 구부릴 수 있지만 질긴 인쇄물을 생성합니다. 이 자료는 손목시계에서 전화 표지에 이르기까지 무엇이든 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다.

금속 필라멘트
금속 필라멘트는 미세하게 분쇄된 금속과 폴리머 접착제로 만들어집니다. 그들은 금속 물체의 진정한 모양과 느낌을 얻기 위해 강철, 황동, 청동 및 구리로 제공될 수 있습니다.

목재 필라멘트
이 필라멘트에는 폴리머 접착제와 혼합된 미세하게 분쇄된 목재 분말이 포함되어 있습니다. 이것들은 분명히 나무처럼 보이는 물체를 인쇄하는 데 사용되며 프린터의 온도에 따라 더 밝거나 더 어두운 나무처럼 보일 수 있습니다.

3D 프린팅 프로세스는 상자나 공과 같은 아주 단순한 프린트의 경우 몇 시간에서 전체 크기의 집과 같은 훨씬 더 큰 세부 프로젝트의 경우 몇 주가 걸립니다.

 

3D 프린팅의 예

3D 프린팅은 상상할 수 있는 거의 모든 산업에서 사용되기 때문에 3D 프린팅은 다양한 유형의 기술과 재료를 포괄합니다. 다양한 용도를 가진 다양한 산업의 클러스터로 생각하는 것이 중요합니다.

▷ 소비재(안경, 신발, 디자인, 가구)
▷ 산업 제품(제조 도구, 프로토타입, 최종 기능 부품)
▷ 치과 제품
▷ 보철
▷ 건축 축척 모델 및 마켓
▷ 화석 재구성
▷ 고대 유물 복제
▷ 법의학적 병리학에서 증거 재구성
▷ 영화 소품

 

3D 프린팅 기술의 종류

1. 폴리머 3D 프린팅 공정
플라스틱에 대한 몇 가지 일반적인 3D 프린팅 프로세스를 간략하게 설명하고 각각이 제품 개발자, 엔지니어 및 디자이너에게 가장 큰 이점이 되는 경우에 대해 논의해 보겠습니다.

2. 광조형(SLA)
SLA(Stereolithography)는 최초의 산업용 3D 프린팅 공정입니다. SLA 프린터는 높은 수준의 디테일, 매끄러운 표면 및 엄격한 허용 오차를 가진 부품을 생산하는 것이 특징입니다. SLA 부품의 고품질 표면은 보기에 좋을 뿐만 아니라 부품의 기능(예: 어셈블리 적합성 테스트)을 지원할 수도 있습니다.
그것은 의료 산업에서 널리 사용됩니다. 일반적인 응용 프로그램에는 해부학 모델 및 미세 유체 공학이 포함됩니다. 우리는 SLA 부품을 위해 3D Systems의 Vipers, ProJets 및 iPros 3D 프린터를 사용합니다.

3. 선택적 레이저 소결(SLS)
선택적 레이저 소결(SLS)은 나일론 기반 분말을 고체 플라스틱으로 녹입니다. SLS 부품은 실제 열가소성 재료로 만들어지기 때문에 내구성이 있고 기능 테스트에 적합하며 살아있는 경첩과 스냅을 운반할 수 있습니다.
SL에 비해 부품은 더 강하지만 표면이 더 거칠습니다. SLS에는 지원 구조가 필요하지 않으므로 전체 빌드 플랫폼을 사용하여 단일 빌드에서 여러 부분을 중첩할 수 있습니다. 따라서 다른 3D 프린팅 공정보다 많은 양의 부품에 적합합니다. 많은 SLS 부품은 언젠가 사출 성형될 디자인의 프로토타입을 만드는 데 사용됩니다. SLS 프린터의 경우 3D 시스템에서 개발한 sPro140 기계를 사용합니다.

4. 폴리젯
PolyJet은 또 다른 플라스틱 3D 프린팅 공정이지만 반전이 있습니다. 색상 및 재료와 같은 여러 속성을 가진 부품을 만들 수 있습니다. 설계자는 이 기술을 사용하여 엘라스토머 또는 오버몰딩된 부품의 프로토타입을 만들 수 있습니다. 디자인이 단일 단단한 플라스틱으로 만들어진 경우 SL 또는 SLS를 사용하는 것이 좋습니다. 이것이 더 경제적입니다.
그러나 오버몰드 또는 실리콘 고무 디자인을 프로토타이핑할 때 PolyJet을 사용하면 개발 주기 초기에 툴링에 투자할 필요가 없습니다. 이를 통해 설계를 더 빠르게 반복 및 검증하고 비용을 절감할 수 있습니다.

5. 디지털 광 처리(DLP)
디지털 광 처리는 액체 수지를 빛으로 경화한다는 점에서 SLA와 유사합니다. 두 기술의 주요 차이점은 DLP는 디지털 라이트 프로젝션 스크린을 사용하고 SLA는 UV 레이저를 사용한다는 것입니다.
즉, DLP 3D 프린터는 빌드의 전체 레이어를 한 번에 매핑할 수 있으므로 빌드 속도가 빨라집니다. DLP 인쇄는 빠른 시제품 제작에 자주 사용되지만 처리량이 높기 때문에 소량의 플라스틱 부품 생산에 적합합니다.

6. 멀티 제트 퓨전(MJF)
SLS와 유사하게 Multi Jet Fusion은 나일론 분말로 기능성 부품도 제작합니다. 레이저로 분말을 소결하는 대신 MJF는 잉크젯 어레이를 사용하여 나일론 분말의 베드에 플럭스를 적용합니다. 그런 다음 발열체가 침대 위로 이동하여 각 층을 융합합니다.
이것은 SLS에 비해 더 균일한 기계적 특성과 개선된 표면 품질로 이어집니다. MJF 공정의 또 다른 이점은 제작 시간이 단축되어 생산 비용이 절감된다는 것입니다.

7. 융합 증착 모델링(FDM)
FDM(Fused Deposition Modeling)은 플라스틱 부품용으로 널리 사용되는 데스크탑 3D 프린팅 기술입니다. FDM 프린터는 플라스틱 필라멘트를 빌드 플랫폼에 한 층씩 압출합니다. 이것은 물리적 모델을 생성하는 저렴하고 빠른 방법입니다.
FDM을 기능 시험에 사용할 수 있는 경우도 있지만 상대적으로 표면이 거칠고 강도가 약한 부품으로 인해 기술에 한계가 있습니다.

8. 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
금속 3D 프린팅은 금속 부품 구성의 새로운 가능성을 열어줍니다. 금속 부품을 3D 인쇄하기 위해 Protolabs에서 사용하는 프로세스는 직접 금속 레이저 소결(DMLS)입니다. 다중 부품 금속 어셈블리를 단일 구성 요소로 축소하거나 내부 채널 또는 속이 빈 기능이 있는 너무 가벼운 부품으로 줄이는 데 널리 사용됩니다.
DMLS는 부품이 기계가공 또는 주조와 같은 전통적인 금속 제조 방법을 사용하여 만들어진 부품만큼 조밀하기 때문에 프로토타이핑과 생산 모두에 적합합니다. 복잡한 형상을 가진 금속 구성요소를 생성함으로써 부품 설계가 유기적 구조를 모방해야 하는 의료 응용 분야에도 적합합니다.

9. 전자빔 용융(EBM)
전자빔 용해는 금속 분말을 녹이기 위해 전자기 코일에 의해 제어되는 전자빔을 사용하는 또 다른 금속 3D 프린팅 기술입니다. 인쇄 베드는 빌드업 동안 진공 상태에서 가열됩니다. 재료가 가열되는 온도는 사용된 재료에 따라 결정됩니다.

 

어떻게 3D 프린터를 사용합니까? (단계별)

1단계 – 3D 프린팅을 위한 디자인 준비
이 시점에서 인쇄할 부품이 있고 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 이 부품은 CAD(컴퓨터 지원 설계)를 사용하여 직접 설계한 부품, 3D 스캔에서 가져온 부품 또는 기존 설계 목록에서 가져온 부품일 수 있습니다.
인쇄를 시작하기 전에 디자인을 3D 프린터가 이해할 수 있는 '좌표'로 변환하고 인쇄할 재료와 같은 중요한 매개변수를 알려주어야 합니다.
이것은 '슬라이싱'으로 알려져 있습니다. 3D 디자인을 레이어로 짐작할 수 있도록 슬라이싱하는 것과 관련이 있기 때문입니다. 이것은 일반적으로 슬라이싱 또는 인쇄 준비 소프트웨어로 알려진 프로그램에서 수행됩니다.

2단계 – 프린터 설정
원하는 경우 이 단계를 먼저 수행할 수도 있습니다. 또는 예를 들어 동일한 유형의 부품을 정기적으로 인쇄하는 경우에는 전혀 필요하지 않을 수도 있습니다.
그러나 인쇄를 시작하기 전에 올바른 재료를 넣었는지 확인하십시오. 또한 노즐이 작을수록 더 자세한 인쇄가 가능하고 노즐이 크면 인쇄 시간이 빨라 다양한 노즐 크기를 선택할 수 있습니다.

3단계 – 파일을 프린터로 보내기
준비가 되면 파일을 3D 프린터로 가져와야 합니다. 이를 수행하는 두 가지 주요 방법이 있습니다. 하나는 USB 드라이브와 같은 데이터 저장 장치에 파일을 로드하고 프린터에 넣은 다음 프린터 인터페이스를 통해 인쇄 작업을 시작하는 것입니다.
다른 옵션은 로컬 네트워크 또는 클라우드를 통해 네트워크 지원 프린터에 원격으로 작업을 보내는 것입니다. 원격 인쇄는 3D 프린터와 같은 위치에 있지 않은 경우 특히 유용합니다.

4단계 – 3D 인쇄
이제 편히 앉아서 쉴 수 있습니다! 또는 직장에 있는 경우 프린터가 작업을 수행하는 동안 다른 작업을 수행하십시오.
인쇄 시간은 인쇄된 개체의 크기와 세부 수준 및 3D 프린터 유형에 따라 다릅니다. 작은 부품이나 대략적인 프로토타입은 몇 시간 밖에 걸리지 않습니다. 밤새도록 프린터를 작동시키면 대부분의 부품이 다음날 준비됩니다. 매우 크고 상세한 인쇄물이 필요한 경우 며칠을 기다려야 할 수도 있습니다.

 

3D 프린팅은 무엇에 사용됩니까?

3D 프린팅은 다양한 산업 분야에서 레크리에이션 및 전문적으로 사용될 수 있습니다. 그것은 의료 산업에서 엔지니어링, 심지어 패션에 이르기까지 다양한 분야와 분야에서 응용되고 있습니다.

점점 더 3D 프린팅은 다양한 제조 프로젝트 및 프로세스를 위한 프로토타입 및 도구를 만들기 위한 지속 가능하고 비용 친화적인 솔루션으로 인식되고 있습니다. 전통적으로 프로토타입을 구입하는 데 시간과 비용이 많이 소요되어 회사가 외부 제조업체에 의존해야 했습니다. 3D 프린팅을 통해 기업은 물체, 도구 또는 프로토타입의 단위를 모두 사내에서 신속하게 만들 수 있습니다.

이에 대한 좋은 예는 신발 회사 Camper입니다. 사내 3D 프린팅을 통해 거의 한 달 반 동안의 모델링 및 설계 프로세스를 단 며칠 만에 완료할 수 있었습니다.

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