3D 프린팅이란 무엇인가? 공정, 종류 및 응용 분야

“3차원 가공은 기계 가공 등급 폴리머의 가공을 용이하게 해줍니다. 더욱이, 기존의 쾌속 제조 기술과는 달리, 시제품과 경량의 기하학적 부품을 신속하게 제작할 수 있습니다.”

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플라스틱 가공 산업에서 3D 프린팅은 3D 디지털 도면을 기반으로 3D 디자인을 제작하는 적층 제조 기술입니다. 디자인 전문가들은 이 기술을 통해 본격적인 생산에 앞서 미적인 측면부터 기능적인 측면까지 다양한 프로토타입을 제작하고 적합성을 테스트할 수 있습니다.

3D 프린팅은 CNC 시스템의 안내에 따라 재료를 층층이 쌓아 올려 최소한의 시간으로 3차원 부품을 제작하는 기술입니다. 일반적으로 3D 프린팅은 복잡한 디자인을 제작하는 데 빠르고 효율적입니다. 하지만, 금속 3D 프린팅 비용 일반적으로 플라스틱 프린팅보다 비용이 높은 이유는 재료비, 특수 장비, 후처리 작업 때문입니다. 그럼에도 불구하고 복잡하고 소량 생산되는 고성능 부품에는 여전히 실용적인 선택지입니다.

게다가, 초기 설치 비용이 기존 기술에 비해 상대적으로 저렴합니다. 제조 산업에서 높은 정밀도와 치수 정확도를 자랑하기 때문에 건축 설계부터 항공우주 부품 시제품 제작에 이르기까지 다양한 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 

이 글에서는 3D 프린팅 공정, 종류 및 산업적 응용 분야에 대해 다룹니다. 또한 성공적인 3D 프린팅 프로젝트를 위한 필수 팁도 소개합니다. 

 

3D 프린팅이란 무엇이며, 어떻게 작동할까요?

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3D 프린팅

3D 프린팅은 부품이나 제품을 제작하는 적층 제조 기술입니다. 3D 표면의 미리 정해진 가상 도면이나 수학적 모델은 MatterControl 2.0, Tinkercad, Blender, UVTools, WebPrinters, Ultimaker Cura와 같은 소프트웨어에서 만들어집니다. 디자인이 확정되면 프린팅을 위한 파일을 준비합니다. 이때, 디자인은 부품의 형태에 따라 수백 개에서 수천 개의 수평 또는 수직 레이어로 분할됩니다. 그런 다음, 분할된 모델을 3D 프린터에 공급합니다. 

3D 프린팅 공정에서는 플라스틱 소재를 순차적으로 층층이 쌓아 올려 부품이나 제품을 만듭니다. 이 과정을 소재 압출이라고 합니다. 3D 프린터는 크기가 작고 비교적 경제적이어서 소량 주문부터 대량 생산까지 다양한 규모의 부품 제작이 가능합니다. 또한, 3D 프린팅 소재는 플라스틱에서 저렴한 엔지니어링 등급 폴리머까지 다양해지고 있습니다. 일반적으로 3D 프린터는 구축 비용이 적게 듭니다. 핵심 장점 중 하나는 기존 방식과 달리 시제품 제작에 필요한 재료가 훨씬 적다는 것입니다. 또한, 3D 프린터는 거의 모든 아이디어를 구현할 수 있는 뛰어난 설계 능력을 자랑합니다. 일반적인 소형 3D 프린터의 가격은 약 300달러에서 400달러 정도입니다.

 

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3D 프린터의 주요 구성 요소

3D 프린터는 여러 개의 고정 및 이동 부품으로 구성되어 있으며, 이 부품들이 함께 작동하여 시제품 디자인을 제작합니다. 기계 구조는 제품마다 다양합니다. 3D 프린팅의 종류대부분의 3D 프린터는 아래 표에 나열된 다섯 가지 주요 구성 요소를 포함합니다.

표: 3D 프린터의 주요 구성 요소

파트(부품) 기능
프린트 헤드 3D 프린터의 발열체로, 플라스틱 소재를 적층하여 제품을 만드는 역할을 합니다.
트레이를 만드세요 실제로 디자인을 구현하기 위해 가열 또는 냉각을 하는 위치는 사용되는 3D 프린팅 기술의 종류에 따라 다릅니다.
모션 컨트롤러 이는 3D 프린팅 공정을 조절하는 데 사용되는 핵심 부품입니다. 모터, 벨트, 나사, 엔드 스톱 등의 기계적 구성 요소가 포함되어 있습니다.
마더 보드 이는 전기 부품이 포함된 핵심 부분입니다. 3D 프린터의 속도, 재료 적층량 등 모든 기능을 제어합니다. 
전원 공급 장치 전원 공급 장치는 3D 프린터의 모든 전기 부품에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 

 

플라스틱 3D 프린팅의 종류

다음은 가장 일반적인 3D 프린팅 기술 유형 몇 가지입니다.

  • SLA (Stereolithography)
  • 융합 증착 모델링 (FDM)
  • 선택적 레이저 소결 (SLS)
  • DLP(디지털 조명 프로세스)
  • 폴리 젯
  • 멀티 제트 퓨전

SLA (Stereolithography)

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SLA 3D 프린팅

SLA는 최초의 상용 3D 프린팅 기술로 강조됩니다. 이 기술은 액체 광중합체가 담긴 탱크를 사용하며, 초기에는 이 중합체를 가열하여 경화시킴으로써 다음 층들을 원하는 부품 재질로 만들어냅니다. 

SLA(선택적 레이저 적층 제조) 방식은 고해상도의 정밀 프로토타입, 복잡한 부품, 주조용 패턴 등을 신속하게 복제할 수 있습니다. 또한, 설계자가 조립된 엔지니어링 제품의 적합성을 테스트하기 위한 정밀한 부품 형상 제작에도 도움을 줍니다. 

표: SLA에 사용되는 플라스틱 종류 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정밀도 수준
폴리프로필렌, ABS 및 유리섬유 강화 폴리카보네이트 지그, 고정구 및 주조 패턴용 시제품 0.1mm에서 0.2mm

융합 증착 모델링 (FDM)

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FDM 3D 프린팅

적층 제조 방식(FDM)은 플라스틱 필라멘트를 녹여 가열 노즐을 통해 순차적으로 층층이 쌓아 올려 시제품을 제작하는 방식입니다. FDM은 적층 제조 방식(SLA)에 비해 해상도와 치수 정확도가 상대적으로 낮습니다. 또한, 자외선에 장시간 노출될 경우 손상되기 쉽습니다. 

재료 호환성 측면에서, 이 장비는 다양한 종류의 견고한 열가소성 수지를 유연한 엘라스토머에 증착하여 제품을 제작할 수 있습니다. 개념 증명 모델 제작부터 간단한 프로토타입부터 복잡한 프로토타입 제작에 이르기까지 폭넓게 사용됩니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정밀도 수준
PET, ABS, ETG, PLA 이 과정에는 적합성 테스트, 지그 및 고정 장치용 프로토타입, 그리고 정밀 주조 패턴 제작이 포함됩니다. 0.1mm에서 0.2mm

선택적 레이저 소결 (SLS)

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SLS 나일론 3D 프린팅 부품 

이름에서 알 수 있듯이, SLS(선택적 레이저 소결) 방식은 고강도 열가소성 분말에 레이저를 조사하여 기능 테스트용 프로토타입을 제작하는 기술입니다. 레이저는 플라스틱 소재를 녹여 가열 노즐을 통해 층층이 접합시켜 제품을 만듭니다. 이 공정은 모든 재료를 효율적으로 소모하며, 일반적으로 제품 개발 과정에서 별도의 지지 구조물이 필요하지 않습니다. 또한, SLS 방식으로 제작된 3D 부품은 용융 적층(FDS)이나 SLA(선택적 레이저 적층) 방식보다 내구성이 뛰어나고 치수 안정성이 우수합니다. 더 나아가, 사출 성형 부품보다 강도가 높습니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정밀도 수준
나일론 6, 나일론 11, 나일론 12, 폴리아미드 12 이 과정에는 적합성 테스트, 지그 및 고정 장치용 프로토타입, 그리고 정밀 주조 패턴 제작이 포함됩니다. 0.1mm에서 0.2mm

DLP(디지털 조명 프로세스)

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디지털 조명 처리

DLP 방식은 SLA 방식과 유사합니다. 레이저 광 대신 일반 광원을 사용한다는 점이 특징입니다. 일반적으로 DLP는 SLA에 비해 가격이 저렴하면서도 고품질 부품을 생산할 수 있습니다. 또한, 전체 부품을 한 번에 출력하기 때문에 공정 속도가 비교적 빠릅니다. 표면 마감뿐만 아니라, 최종 제품에 매우 매끄러운 표면 질감을 구현할 수 있다는 장점도 있습니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정밀도 수준
폴리염화비닐, ABS, 폴리프로필렌 치과용 스플린트, 장식물, 증폭기 및 보석 주조 0.1mm에서 0.2mm

MJF (Multi Jet Fusion)

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멀티젯 프린팅 부품 

멀티젯 퓨전(MJF) 방식은 기능성 프로토타입 개발에 나일론 분말을 사용한다는 점에서 SLS(선택적 레이저 소결) 방식과 유사합니다. 이 3D 프린터들은 발열체를 이용해 나일론 분말에 잉크젯 클러스터를 분사하여 제품을 층층이 쌓아 올립니다. MJF 방식은 다양한 색상의 제품 생산을 가능하게 하고, 원하는 부품의 해상도를 향상시킵니다. 또한, 제품 제작에 소요되는 시간이 최소화되고 3D 프린팅 기술 중에서도 경제적인 기술로 평가받고 있습니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정확성

PA 12 검정색, 폴리프로필렌

PA 12 40% 유리섬유 강화 검정색

시제품, 의료기기, 

풀무, 차단판, 지그 및 고정 장치

 0.05 mm

폴리 젯

폴리젯은 기존 잉크젯 프린터와 작동 방식이 매우 유사한 전통적인 3D 프린팅 기술입니다. 이 기술은 광중합체를 빌드 플레이트에 떨어뜨린 후 자외선을 쬐어 소결시켜 제품을 제작합니다. 폴리젯 3D 프린터는 SL 및 SLS 방식보다 가격이 저렴합니다. 제품 디자이너는 조립품의 초기 설계 적합성을 테스트하기 위한 프로토타입이 필요할 때 폴리젯을 활용할 수 있습니다. 또한, 다색 및 다소재 부품 제작도 가능합니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정확성
폴리프로필렌, ABS, 고무 유사 소재, 광학적으로 투명한 소재 오버몰딩 및 엘라스토머 프로토타입 0.1 mm

 

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금속 3D 프린팅 기술

플라스틱 외에도, 3D 인쇄 자료 기능성 프로토타입 및 최종 부품 생산을 위한 고강도 금속도 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 금속으로는 스테인리스강, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 티타늄 등이 있습니다. 이러한 금속 재료에 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 공정은 다음과 같습니다.

  • 전자빔 용해(EBM)
  • DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

전자빔 용해(EBM)

전자빔 용융은 금속 3D 프린팅 이 공정은 이름에서 알 수 있듯이 고에너지 전자빔을 사용하여 금속 분말을 균일한 층으로 융합시켜 요구되는 사양에 맞는 제품을 만듭니다. 이 공정은 인쇄 챔버 내부에 0.0001mbar 이하의 진공을 생성하여 작동합니다. 재료를 융합하는 데 필요한 최적 온도는 약 600~700℃입니다. ℃다른 3D 프린팅 기술과 비교했을 때, EBM은 속도가 빠르고 비용 효율이 높습니다. 또한, 내구성이 뛰어난 부품을 생산할 수 있기 때문에 CNC 가공 및 주조 기술을 대체할 수 있습니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 적용 분야

자재 어플리케이션 정확성
탄탈륨, 텅스텐, 바나듐, 티타늄 항공우주, 자동차 및 의료 부품 N/A

DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

DMLS는 또 다른 금속 3D 프린팅 기술입니다. 직접 금속 레이저 소결과 비교해 보면 다음과 같습니다. 3D 프린팅 대 CNC 가공이 기술은 유연성, 반복성, 정밀도 및 생산 속도 측면에서 더 큰 이점을 제공합니다. 특히 복잡하고 세밀한 프로토타입 제작에 매우 효율적인 옵션입니다. 일반적으로 금속 사용량을 줄이고 다양한 부품으로 구성된 어셈블리를 경량화하거나 단일 부품으로 만들 수 있습니다. 

표: 호환 가능한 재료 및 용도

자재 어플리케이션 정확성
스테인리스강, 알루미늄, 니켈 합금, 구리 등. 항공우주, 자동차 및 의료용 모방 프로토타입 0.1 mm

 

적층 제조 vs. 절삭 제조

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적층 제조 vs. 절삭 제조

적층 제조는 재료를 순차적으로 층층이 쌓아 제품을 만드는 방식입니다. 반면, 절삭 제조는 기존 부품에서 재료를 제거하여 원하는 형태로 가공하는 방식입니다. 이러한 기본적인 제조 방식은 재료의 유연성과 뛰어난 정밀도 덕분에 다양한 제조 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 대량 생산에 있어 경제적인 선택지로 각광받으며 그 인기가 급증하고 있습니다. 

다양한 제조 기술이 존재하지만, CNC 가공과 3D 프린팅은 다재다능한 이점 덕분에 가장 널리 사용되는 두 가지 기술입니다. 이 두 기술의 차이점을 살펴보겠습니다.

표: 적층 제조 vs. 절삭 제조

상들 절삭 가공 첨가제 제조
재료 사용 다양한 플라스틱, 금속 재질의 블록, 막대, 봉 등을 수용할 수 있습니다. 고강도, 강성, 탄성 및 주조성(왁스형) 특성을 지닌 열가소성 수지가 사용됩니다.
공구 및 설치 비용 공구 제작 비용은 더 높지만 초기 설정 비용은 더 낮습니다.  금형 제작 비용은 낮지만, 중급 3D 프린터의 초기 설정 비용은 약 2000달러에서 10000달러 정도로 높습니다.
생산 속도 일반적으로 대량 생산일수록 속도가 느리고 비용이 더 많이 듭니다.  상대적으로 생산 속도가 빠르며 대량 생산에 효율적입니다.
설계 복잡성 나사산, 구멍, 나사, 원기둥 등과 같은 복잡한 기하학적 디자인을 만들 수 있습니다. 또한 복잡한 디자인 제작을 용이하게 하지만, 세부적인 부품이나 구성 요소에만 국한됩니다.
정확성  허용 오차는 약 0.025mm입니다. 오차범위는 약 0.1mm입니다.

관련 항목: 적층 제조 vs. 절삭 제조

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3D 프린팅의 응용

3D 프린팅 기술은 여러 제조 분야에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다. 항공, 자동차, 건설, 의료, 시제품 제작 및 제조업 등 다양한 산업에서 활용되고 있습니다.

비행

항공 및 방위 산업 분야에서 3D 프린팅 기술은 항공기 핵심 부품을 정밀하게 성형하는 방법을 도입했습니다. 이 산업들은 다양한 엔진 부품의 기능과 성능을 향상시키기 위해 복잡한 형상과 경량 부품을 필요로 합니다. 따라서 OEM 설계자와 공급업체는 경량 부품을 단기간 내에 경제적으로 생산할 수 있다는 이점을 누리고 있습니다. 대표적인 예로는 브레이스, 마운트, 터빈 블레이드 및 중앙 프레임, 기능성 프로토타입, 그리고 방위 시스템용 구조 부품 등이 있습니다. 

자동차

3D 프린팅은 빠른 프로토타입 제작과 경량 부품 공급을 통해 자동차 산업, 특히 경주용 자동차 분야에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 미쓰비시나 바스펙(BASF)과 같은 유수의 기업들도 이미 3D 프린팅 기술을 도입했습니다. 일반적으로 적층 제조 방식(FDM)을 사용하여 맞춤형 3D 프린팅 프로토타입과 최종 부품을 제작합니다. 대표적인 예로는 자동차 대시보드, 냉난방 덕트, 통풍구, 시트 내부 액세서리 프로토타입 등이 있습니다. 

프로토타입 제작 및 제조

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3D 프린팅 프로토타입

비교해서 3D 프린팅 vs. 사출 성형사출 금형은 일반적으로 제작에 몇 주가 소요됩니다. 따라서 이러한 금형은 일반적으로 3D 프린팅보다 비용이 많이 들며, 수백 달러에서 수천 달러에 이릅니다. 위에서 논의한 바와 같이, 3D 프린팅을 사용하는 주된 목적은 복잡한 형상의 프로토타입을 제작하는 것입니다. 또한, 3D 프린팅 고양이, 미적인 소비자 및 건축 분야의 요구 사항을 충족하는 복잡한 모델은 3D 프린팅을 통해 제작할 수 있습니다. 

이러한 고급 기능 구현 기술을 활용하면 단 몇 시간 만에 부품을 제작할 수 있으며, 예산 또한 합리적입니다. 또한, 맞춤형 3D 프린팅은 초기 설계 테스트 및 개선을 위한 프로토타입 제작에 이상적입니다. 프로토타입 제작에 가장 효율적인 기술은 SLS와 DMLS입니다. 

메디 케어

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3D 프린팅 뼈 구조

의료 분야에서 3D 프린터는 정형외과용 기기 설계, 임플란트 제작, 금속 치과 보철물 제작 등에 사용됩니다. 또한, 인체 구조물의 도구 및 지지체 제작에도 활용됩니다. 이러한 지지체는 세포와 조직이 성장하고 재생될 수 있는 기반을 제공합니다. 뿐만 아니라, 맞춤형 3D 프린팅을 통해 개인 맞춤형 보철물, 보청기, 교정 깔창과 같은 환자 맞춤형 기기를 제작할 수 있습니다. 이 밖에도 3D 프린팅으로 제작된 뼈, 피부, 조직, 장기 등은 환자 치료에 기여합니다. 

건설을 위한 3D 프린팅 기술

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건설을 위한 3D 프린팅 기술

건설 업계에서는 일반적으로 "건설용 3D 프린터"를 사용하여 재료 접합 및 스프레이 도장 작업을 진행합니다. 이러한 프린터는 로봇 팔로 제어되는 압출기와 갠트리 시스템을 통해 건설 모형, 소형 구조물 및 건축 자재를 정밀하게 제작합니다. 나아가 3D 프린팅은 폐기물과 인력 소모를 최소화하여 더욱 복잡한 건설 패턴을 경제적인 방식으로 제작하고 기능적 통합을 향상시키는 데 효과적인 솔루션입니다. 

 

프로린의 3D 프린팅 서비스

프로린은 합리적인 가격에 최고 수준의 3D 프린팅 서비스를 제공합니다. 프로토타이핑 서비스저희 전문가들은 고객 여러분께서 현명한 소재 선택을 하실 수 있도록 도와드리고, 최적의 결과를 위한 디자인 개선에도 도움을 드립니다. 저희 시설은 최첨단 3D 프린터를 갖추고 있으며, 소중한 고객 여러분께서 선택하실 수 있는 다양한 소재 옵션을 제공합니다. 

복잡한 시제품 제작이든 대량 생산이든, 당사는 품질 기준을 타협하지 않고 짧은 시간 내에 고객의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 지금 바로 문의하시고 즉시 견적을 받아보세요. 3D 프린팅 서비스 인용문!

 

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합산

3D 프린팅은 의료, 항공 및 자동차 부품의 시제품을 신속하게 제작하는 데 여러 가지 이점을 제공합니다. 이 적층 제조 기술은 플라스틱, 세라믹, 식용 소재부터 티타늄, 텅스텐, 구리와 같은 특수 금속에 이르기까지 다양한 3D 프린팅 재료를 사용합니다. 

이러한 3D 프린터는 주조, 기계 가공, 사출 성형과 같은 기존 기술로는 어려웠던 다양한 부품 제조 및 애프터마켓 수요 충족의 가능성을 크게 향상시켰습니다. 또한 생산 주기 시간을 단축시켜 줍니다. 이 글에서는 3D 프린팅 기술에 대한 심층적인 분석을 통해 3D 프린팅 기술의 등장과 활용성에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 

 

자주 묻는 질문

Q1. 3D 프린팅의 한계점은 무엇인가요?

3D 프린팅은 장점 외에도 몇 가지 한계점을 가지고 있습니다. 이러한 한계점으로는 제한된 재료 선택, 후처리 작업의 필요성, 그리고 대량 생산 시 증가하는 비용 등이 있습니다. 

Q2. 3D 프린팅에 적합한 유연한 플라스틱 소재는 무엇인가요?

열가소성 소재는 3D 프린팅에 적합하고 유연한 소재로 여겨집니다. 대표적인 소재로는 폴리우레탄, 폴리카보네이트, PEEK와 같은 고성능 플라스틱, 그리고 폴리락트산(PLA) 등이 있습니다. 이 중 PLA 필라멘트는 3D 프린팅에 주로 압출 성형 방식으로 사용됩니다. 더 자세한 내용은 다음을 참조하세요. 3D 프린팅 마스터하기: 최고의 PLA 소재 가이드.

Q3. 3D 프린팅 외에 현재 진행 중인 발전 사항이 있습니까?

네, 미래에는 4D 및 5D 프린팅과 같은 적층 제조 분야의 새로운 발전이 있을 것입니다. 이러한 혁신은 부품의 무게를 줄이고 3D 프린터의 성능을 최적화하여 제품을 단시간에 출시하는 데 기여할 것으로 예상됩니다. 

질문 4. 3D 프린팅의 장점은 무엇인가요?

3D 프린터는 부품 제조에 있어 완벽한 맞춤 제작 기능을 제공합니다. 이러한 프린터는 자동화된 지침에 따라 완벽한 제품을 생산합니다. 또한 다양한 산업용 최종 제품의 시제품 ​​설계에 매우 적합합니다. 

Q5. 3D 프린팅 제품 개발 과정에서 발생하는 주요 문제점은 무엇입니까?

3D 프린터는 정밀하고 복잡한 형상을 정확하게 제작할 수 있지만, 온도, 인쇄 속도, 필라멘트 엉킴과 같은 공정 변수는 3D 프린팅 과정에서 주요 문제점으로 작용합니다.  

 

자원

  1. Shahabudin, TC Lee, R. Ramlan, (2019): 3D 프린팅 기술 개요: 기술, 재료 및 응용 분야, Procedia Manufacturing; 출처: 과학 직접.