FDM 3D 프린팅 특징 이미지
적층 제조 방식(FDM)은 CAD 설계를 기반으로 3D 물리적 모델을 제작하는 기술입니다. 재료 필라멘트가 가열된 노즐을 통과하면서 녹아내리고, 프린터의 제작 플랫폼에 층층이 쌓여 만들어집니다.
FDM은 취미 활동이나 컨셉 프로토타입 제작뿐만 아니라 프로토타입 테스트, 툴링, 교육용 모델, 장신구 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 3D 프린팅 방식입니다.
이 글에서는 FDM 3D 프린팅의 기본 원리, 작동 방식, 호환 재료 및 산업 응용 분야에 대해 논의합니다.
시작하자!
주요 요점
- FDM 3D 프린팅 방식에서는 열가소성 필라멘트가 녹아 가열된 노즐을 통해 압출됩니다. 이렇게 연속적으로 적층된 층들이 서로 접합되어 최종 부품을 형성합니다.
- 데스크톱 3D 프린터는 초기 단계 프로토타입 제작 및 빠른 설계 반복에 적합한 반면, 산업용 FDM 프린터는 더 큰 부품, 기능성 프로토타입, 툴링 및 소량 생산에 더 적합합니다.
- FDM 3D 프린팅 공정에서 레이어 높이, 노즐/베드 온도, 출력 속도, 냉각, 래스터 각도, 재료 및 출력 방향은 고려해야 할 중요한 요소입니다.
- 신속한 프로토타입 제작, 기능 모델 제작, 툴링, 고정 장치, 케이스, 브래킷 및 소량 맞춤형 부품 생산에는 FDM 방식을 선택하십시오.
- SLA와 SLS는 FDM의 두 가지 대안입니다. SLA는 작은 형상, 얇은 벽, 높은 디테일, 그리고 매끄러운 표면 마감이 요구되는 용도에 더 적합한 반면, SLS는 복잡하고 지지대가 필요 없는 기능성 부품에 사용됩니다.
FDM 3D 프린팅 기초
FDM 3D 프린팅 기초
FDM 3D 프린팅은 3D 프린터에서 미리 정해진 슬라이싱 패턴을 따라 기계 부품 및 제품의 설계된 모델을 층별로 출력하는 방식입니다. 이 방식은 유려한 곡선, 유체 통로, 깊은 모서리, 물결 모양의 격자, 맞물리는 이음새, 언더컷과 같은 복잡하고 정교한 형상을 제작할 수 있습니다. 주요 제약 조건은 노즐 크기이며, 일반적으로 0.4mm 이상이어야 합니다. 따라서 출력하려는 형상은 노즐 크기보다 커야 합니다.
FDM 방식으로는 PLA, ABS, PA, TPU, PEEK, PEI 등 다양한 열가소성 수지를 출력할 수 있습니다. 재료 종류에 따라 공급 속도, 노즐, 레이어 높이, 냉각 강도 등의 매개변수를 변경해야 합니다. 출력 크기는 3D 프린터의 성능에 따라 달라집니다. 데스크톱 프린터와 달리 산업용 FDM 프린터는 1 x 1 x 1m의 출력 공간을 제공합니다.
FDM 프린팅은 어떻게 작동하나요? 작동 원리 및 단계
FDM 3D 프린터의 작동 원리
FDM(Fused Filament Fabrication, 융합 필라멘트 적층 제조)은 가열 소자가 연속적인 열가소성 필라멘트를 녹이고 노즐이 필라멘트 층을 쌓아 올리는 적층 제조 방식을 사용합니다. 최종 형상은 층간 결합 형성을 통해 얻어집니다.
FDM 3D 프린팅 과정을 자세히 살펴보겠습니다.
CAD 모델 준비 및 슬라이싱
FDM 공정의 첫 번째 단계는 SolidWorks, CATIA, AutoCAD와 같은 설계 소프트웨어에서 원하는 부품/제품의 3D 엔지니어링 모델(.STL 또는 .3MF 파일)을 준비하는 것입니다.
다음 단계는 설계 슬라이싱입니다. 이 단계에서는 모델을 수천 개의 얇은 수평 슬라이스(레이어)로 분할하여 노즐 이동, 온도 제어 및 압출 속도에 대한 정확한 G 코드를 생성할 수 있습니다.
FDM 3D 프린터 인쇄 매개변수 설정
FDM 3D 프린팅을 위해서는 노즐 온도, 베드 온도, 레이어 높이, 적층(프린팅) 속도, 냉각 팬 속도, 빌드 방향 등 다양한 매개변수를 설정해야 합니다. 자세한 내용은 아래를 참조하십시오.
| 매개 변수 | 전형적인 범위 | 영향 요인 |
| 층 높이 | 0.05에서 0.5mm | 레이어 높이는 치수 정확도에 큰 영향을 미칩니다. |
| 노즐 온도 | PLA는 약 190~220°C, ABS는 약 220~260°C입니다. | 재질, 래스터 각도, 부품 유형 및 기타 요인에 따라 다릅니다. |
| 침대 온도 | 통제 변수로 사용됨 | 재질, 두께 및 공정 반응에 따라 다릅니다. |
| 래스터 각도 | 0 ° –90 ° | 이는 프린트 베드의 X축에 대한 적층 방향(노즐 이동 방향)을 정의합니다. |
필라멘트 공급
롤러 구동 메커니즘은 필라멘트를 액화 가열 시스템(노즐에 연결된 압출 헤드)으로 지속적으로 공급합니다. 동시에 노즐도 지정된 온도로 가열됩니다.
필라멘트가 액화기로 들어갑니다
이 장치는 액화 메커니즘을 사용하여 전기 카트리지를 통해 고체 필라멘트를 점성 있는, 반유동성 또는 액체 형태로 녹입니다.
노즐을 통한 층 증착
FDM 3D 프린팅
압출기 기어는 고체 필라멘트를 지속적으로 밀어내고, 필라멘트 구동 압출 압력은 녹은 필라멘트를 노즐을 통해 밀어내어 프린팅 베드에 레이어를 적층합니다. 노즐은 프린터 헤드 어셈블리에 고정되어 있으며, 프린터 헤드 어셈블리는 G 코드에 따라 X, Y, Z축을 따라 이동하면서 레이어를 정밀하게 적층합니다.
각 층은 열과 압력을 통해 분자적으로 서로 결합됩니다. 각 분자의 상호 확산이 하중을 지탱하는 결합입니다.
응고 및 부품 제거
출력물이 실온으로 식으면 빌드 플랫폼에서 제거합니다. 출력물의 크기에 따라 수동 또는 로봇 팔을 사용하여 제거할 수 있습니다. 이 단계에서 서포트도 제거됩니다. 따라서 출력물은 다듬기 및 후처리 작업이 필요합니다.
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FDM 3D 프린팅 재료
FDM 3D 프린팅 재료
폴리락트산(PLA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)은 가장 일반적인 FDM 3D 프린팅 소재입니다. 그 외에도 PEI, PEEK, PC 등의 열가소성 수지도 사용됩니다. 원하는 색상과 크기의 필라멘트를 선택할 수 있습니다.
용도 및 기능적 요구 사항, 작동 조건, 원하는 마감 품질, 그리고 3D 프린터 호환성이 재료 선택에 가장 큰 영향을 미칩니다. PLA는 강도와 강성이 뛰어나 시각적 프로토타입 제작에 적합합니다. ABS는 옥외 부품, 자동차 부품, 케이스 및 기능성 프로토타입 제작에 적합합니다. 따라서 PETG는 데스크톱 프린터에서 ABS 플라스틱을 대체할 수 있는 좋은 소재입니다.
| 자재 | 주요 장점 | 제한 사항 |
| 폴리 락트산 (PLA) | 뒤틀림이 적고, 3D 프린팅이 용이하며, 비교적 저렴하고, 표면 디테일이 뛰어납니다. | 열 안정성 및 충격 인성이 낮습니다. |
| 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG) | 견고하고 유연하며 습기에 강한 플라스틱 소재입니다. | 폴리카보네이트, ABS 및 기타 몇몇 열가소성 수지보다 열 안정성이 낮습니다. |
| 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (ABS) | 생체 적합성 등급(예: ABS-M30i)은 PLA보다 강하고 내열성이 우수합니다. | 인쇄 과정에서 강한 연기가 발생하며, 용지가 휘어질 위험이 있습니다. |
| 폴리에테르이미드(PEI/ULTEM) | 뛰어난 내열성, 높은 강도 및 내화학성 | 높은 유리전이온도와 값비싼 원자재 |
| 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) | 생체 적합성 등급 및 높은 기계적 강도. | 높은 처리 온도 |
| 폴리 카보네이트 (PC) | 충격 강도, 치수 안정성, 광학적 투명도 및 전기 절연성. | 흡습성이 강하고, 변형되기 쉬우며, 노즐 온도가 높습니다. |
| 나일론 | 기계적 강도, 인성 및 내화학성. | 흡습성이 강하여 건조 조절이 필요합니다. |
| 열가소성 폴리우레탄(TPU) | 내화학성, 낮은 마찰력 및 내마모성. | 낮은 인쇄 속도와 엄격한 공정 온도 제어가 필요합니다. |
| 강화 폴리머 | 우수한 강성 대 무게 비율, 무충전 필라멘트에 비해 변형 위험이 낮음 | 열처리된 노즐이 필요하며 미세 기공 발생 위험이 있습니다. |
FDM 3D 프린팅의 주요 고려 사항
FDM 3D 프린팅 공정에서 정확성, 강도 및 제작 품질을 보장하기 위해서는 3D 프린터 선택, 최소 벽 두께, 형상 크기, 후처리, 재료 변형 및 재료 선택이 주요 고려 사항입니다.
데스크톱용 3D 프린터와 산업용 3D 프린터 비교
데스크톱 3D 프린터는 일반적으로 0.2 x 0.2 x 0.2m의 출력 플랫폼 크기를 제공하여 컨셉 모델이나 초기 시제품 제작에 적합합니다. 반면 산업용 3D 프린터는 테스트 프로토타입, 소규모 생산 및 기능성 엔지니어링 부품 출력에 권장됩니다.
뒤틀림에 최적화된 설계
날카로운 모서리를 줄이고, 벽 두께를 균일하게 유지하며, 응력 완화 부분을 적용하여 뒤틀림을 줄이도록 설계를 최적화하십시오.
재료를 신중하게 선택하세요
3D 프린팅 부품에 사용할 재료를 선택할 때는 필요한 기능, 작동 환경, 프린팅 용이성 및 비용을 고려해야 합니다.
최소 벽 두께
FDM 3D 프린팅에서 최소 벽 두께는 노즐 직경의 2~3배여야 합니다.
표면 마감 처리를 고려하십시오.
마감 기법을 선택하기 전에 표면 거칠기 수준과 미적 요구 사항을 파악하십시오. 증기 연마, 습식 샌딩 및 에폭시 코팅이 일반적인 옵션입니다.
피처 크기
설계에 사용되는 기하학적 형상의 크기는 해당 공정의 유효 해상도 한계보다 커야 합니다.
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산업용 FDM 3D 프린터와 데스크톱 3D 프린터 중 어떤 것을 선택해야 할까요?
데스크톱 3D 프린터는 취미 프로젝트, 소형 시각 모델 및 컨셉 모델 제작에 적합합니다. 반면 산업용 FDM 3D 프린터는 더 큰 출력 공간(약 1 x 1 x 1m), 높은 정밀도 제어 및 반복성, 복잡한 디자인 출력 기능, 그리고 폭넓은 재료 호환성을 제공합니다.
산업용 FDM 3D 프린팅 장비를 다음과 같은 용도로 선택하세요:
- 기능 모델
- 공구 부품
- 신속한 프로토타입
- 소량 맞춤형 부품 생산
데스크톱 3D 프린터를 선택하는 이유:
시제품 개발 초기 단계에서 특정 기능을 검증하려는 경우 데스크톱 프린터를 사용하면 빠른 반복 작업을 수행할 수 있습니다.
FDM 3D 프린팅 프로토타입의 표면 마감 옵션에는 어떤 것들이 있나요?
FDM 3D 프린팅 방식은 재료를 층층이 쌓아 올려 제품을 만들기 때문에 표면에 층선과 표면 거칠기가 드러납니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 샌드블라스팅, 증기 연마, 도색, 코팅 등 다양한 후처리 기술이 사용됩니다.
- 증기 연마: 증기 흐름이 표면 물질을 녹여 얇고 균일하며 광택 있는 층을 형성합니다.
- 분사 : 모래 알갱이를 3D 프린팅 부품에 분사하여 표면의 결함을 제거하고 균일한 표면을 만듭니다.
- 그림: 호환되는 접착 페인트는 자외선 차단, 미관 개선 및 기타 용도로 사용할 수 있습니다.
- 에폭시 코팅: 이 소재는 3D 프린팅 프로토타입에 매끄럽고 내구성이 뛰어나며 견고한 표면을 제공합니다.
유한차분법(FDM)의 응용 분야는 무엇인가요? 3D 프린팅 ?
FDM을 이용한 프로토타이핑
FDM 방식으로 제작된 3D 프린팅 부품 및 프로토타입은 자동차, 의료, 가전제품, 공구, 로봇공학 등 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. FDM은 적합성, 기능 및 조립 테스트를 위한 신속한 프로토타입 제작을 원하는 기업 및 제품 개발자에게 효율적이고 비용 효율적인 솔루션입니다. 또한 개념 증명 및 시각적 모델 제작에도 활용될 수 있습니다.
다양한 산업 분야에서 FDM 3D 프린팅이 활용되는 사례를 살펴보겠습니다.
- 자동차 : 공기 덕트, 내부 마감재, 계기판 및 조립 고정 장치 시제품.
- 압형: 조립 지그, 공작물 고정 장치, 복합재 금형 및 연질 조(soft jaws)의 프로토타입을 테스트합니다.
- 의료 : 보철물 시제품, 해부학적 모형 및 장비 케이스.
- 가전: 맞춤형 케이스, 조립용 고정 장치 및 장착 브래킷.
- 로봇 공학 : 지그, 고정구, 로봇 팔 끝단 툴링(EOAT) 및 센서 마운트.
FDM 3D 프린팅의 장점은 무엇인가요?
- FDM 3D 프린터는 설치 비용이 저렴합니다.
- 정밀한 치수 공차, ±0.25mm까지 낮음
- 이를 통해 엔지니어링 설계에 대한 신속한 프로토타입 제작이 가능합니다.
- 최소한의 공구만 필요하며, 절삭 공구나 금형이 필요 없습니다.
- 납기 단축, 최단 1일.
- 다양한 엔지니어링 플라스틱과의 호환성
- 높은 수준의 맞춤화.
- 복잡하고 경량이며 내부적인 특징의 생산
FDM 3D 프린팅의 단점은 무엇인가요?
- 표면에 레이어 라인이 보이며, 시제품은 종종 후처리 작업이 필요합니다.
- 출력물의 강도와 구현 가능한 복잡성은 3D 프린팅 재료의 영향을 받습니다.
- 복잡한 형상의 프린팅에는 지지 구조물이 필요하므로 후처리 시간과 원자재 소비량이 증가합니다.
- 치수 공차는 CNC 가공이나 사출 성형만큼 높지 않습니다.
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FDM vs SLA vs SLS 3D 프린팅 : 차이점은 무엇입니까?
SLA와 SLS는 서로 다른 두 가지입니다. 3D 프린팅의 종류FDM 외에도 스테레오리소그래피(SLA)는 자외선이나 레이저 빔을 사용하여 수지층을 선택적으로 경화시키는 반면, 선택적 레이저 소결(SLS)은 고분자 분말을 층별로 선택적으로 소결하여 설계된 형상을 만듭니다.
호환 가능한 재료, 복잡성, 정밀도, 제작 기간 및 비용 측면에서 이러한 3D 프린팅 방식을 비교해 보겠습니다.
| 매개 변수 | FDM | 서비스 수준 계약 (SLA) | SLS |
| 소스 | PLA, ABS, PETG, PC, 나일론, TPU, PEI, PEEK 및 강화 폴리머. | 다양한 감광성 액체 열경화성 수지 | PA11, PA12, TPU, PP 등을 포함한 분말형 열가소성 수지. |
| 복잡성 | 중간 정도의 복잡성을 가지며, 내부의 복잡한 기능들을 위한 지원 구조가 필요합니다. | 소형 형상 및 얇은 벽면에 매우 적합합니다. | 훌륭합니다. 소결되지 않은 분말 자체가 인쇄 구조를 지지합니다. |
| 비용 | SLA 및 SLS보다 낮음 | 보통 | 높음 |
| 정밀성 | ±0.2 ~ ±0.5mm | ±0.025 ~ ±0.1 mm | ±0.1 ~ ±0.3 mm |
| Time | 빠른 리드타임 | 인쇄 속도는 프린터 구조, 부품 높이, 배치 레이아웃 및 공정에 따라 달라집니다. | 시제품이나 대량 생산 시 높은 비용이 발생합니다. |
| 언제 선택해야 할까? | 저비용, 빠른 반복 프로토타입 제작, 소량 생산 방식을 선택하세요. | 마무리, 세부 묘사, 높은 난이도가 필요한 시점을 선택하십시오. | 기능성 기계 부품 및 시제품, 나일론 부품, 그리고 지지대가 필요 없는 복잡한 시제품에 적합합니다. |
FDM 3D 프린팅 부품 및 시제품이 필요하신가요?
설계 엔지니어, 제품 개발자, 스타트업 또는 중소기업으로서 컨셉 및 부품 모델 테스트를 원하신다면, 저희가 도와드리겠습니다. 3D 인쇄 빠른 납기와 뛰어난 디테일을 갖춘 시설을 보유하고 있습니다. Boda는 복잡한 엔지니어링 설계의 프로토타입 제작 및 산업용 부품 생산 경험을 보유하고 있습니다.
FDM 방식 외에도 SLA, SLS, DMLS 등 다양한 3D 프린팅 서비스를 제공하며, 유연한 반복 제작 및 제품 규모 확장이 가능합니다. 초기 프로토타입 제작 단계부터 소량 생산까지, Boda는 고객의 비전을 현실로 구현하는 데 도움을 드립니다.
저희 엔지니어들은 재료 선택, 출력 용이성, 기하학적 복잡성 및 DFM 특성을 고려한 상세한 설계 검토를 제공하여 고객님의 프로젝트에 가장 적합한 3D 프린팅 방식을 결정하는 데 도움을 드립니다.
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참고자료
[1] "FDM(융합 적층 모델링)의 기초" 리서치게이트. ResearchGate – 융합 적층 모델링(FDM)의 기초