3D 프린팅의 서포트 구조: 알아야 할 모든 것

서포트 구조는 3D 프린팅 부품을 성공적으로 제조하는 데 필수적인 요소입니다.

3D 프린팅의 주요 장점 중 하나는 자유롭고 복잡한 기하학적 형태를 만들 수 있다는 점이지만, 3D 프린팅이 제공하는 디자인의 자유로움은 지지 구조가 없으면 실현하기 어렵습니다.

서포트 구조는 다른 용도 중에서도 부품의 왜곡과 붕괴를 방지하는 데 중요하므로 적층 제조 엔지니어에게 서포트 구조를 이해하고 설계하는 것은 필수적인 기술입니다.

이 문서에서는 다양한 인쇄 기술에서 지원 구조의 요구 사항, 장단점, 제거 및 사용을 최소화하는 방법에 대해 설명합니다.

3D 프린팅에서 서포트 구조의 중요성

거의 모든 3D 프린팅 기술과 함께 사용되는 서포트 구조는 3D 프린팅 공정에서 부품의 프린팅 가능성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.

서포트는 부품의 변형을 방지하고 프린트 베드에 고정하며 프린트된 부품의 본체와의 연결을 보장하는 데 도움이 됩니다. 비계와 마찬가지로 이러한 서포트는 인쇄 프로세스 중에 사용되었다가 나중에 제거됩니다.

돌출부, 구멍, 브리지 등 복잡한 디자인 특징이 있는 부품을 인쇄할 때는 상당한 어려움이 따릅니다.

금속 3D 프린팅을 예로 들면, 프린트에 돌출부나 브리징 구조가 포함된 경우 지지 구조가 활용되지 않으면 공정 중에 변형, 심지어 붕괴가 발생할 수 있습니다.

이러한 지지 구조는 프린팅 중 성형된 부품의 붕괴를 방지하여 프린팅 성공률을 크게 향상시킵니다. 그러나 모든 돌출 구조에 추가 지지대가 필요한 것은 아닙니다.

돌출부의 수직 각도가 45도 미만인 경우 지지대가 필요하지 않습니다.

이러한 구조의 수직 각도가 45도 미만인 경우 3D 프린터는 연속되는 레이어에서 수평 오프셋을 최소화하여 각 레이어가 다음 레벨을 지원할 수 있도록 합니다.

따라서 45도가 임계 각도이며 그 이하에서는 지지대가 필요하지 않습니다. 물론 이는 프린터의 성능과 사용되는 재료의 특성에 따라 달라집니다. 프린터의 성능이 낮은 경우 45도 미만의 각도에서도 지지대가 필요할 수 있습니다.

또한 금속 3D 프린팅과 같은 기술에는 일반적으로 고온 공정이 수반되며, 이 과정에서 지지대가 방열판 역할을 할 수도 있습니다.

이는 금속 적층 제조 공정 중에 추가된 지지 구조가 부품에서 열을 전달하는 데 도움을 주어 잔류 스트레스 인쇄 시 고온으로 인해 변형, 뒤틀림, 갈라짐 등의 결함을 방지합니다.

물론 지지대 추가를 고려하는 것은 금속 3D 프린팅뿐만 아니라 거의 모든 3D 프린팅 기술에서 어느 정도는 지지 구조의 포함을 고려해야 합니다.

다음 표는 다양한 3D 프린팅 방법 간의 지원 사용량 차이를 보여줍니다:

파우더 베드 퓨전(SLM, DMLS, EBM)

금속 3D 프린팅에서 서포트 구조는 필수 불가결한 요소입니다. 파우더 베드 융용 기술로 형성된 부품은 어느 정도 지지력을 제공하는 느슨한 파우더로 둘러싸여 있지만, 이러한 기술은 항상 베이스에 고정하고 잔류 응력의 영향을 완화하기 위해 지지대가 필요합니다.

지지 구조가 없으면 돌출되거나 기울어진 구성 요소뿐만 아니라 내부 스트레스 의 금속을 사용하면 인쇄된 물체 자체가 손상되어 인쇄 실패로 이어질 수 있습니다. 일반적으로 파우더 베드 기반 인쇄 기술의 지지 구조는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다:

선형 지원: 이 유형의 서포트는 돌출된 전체 구조에 연결된 수직 기둥으로 구성됩니다. 그러나 이러한 유형의 서포트는 제거하기가 더 어렵습니다.

나무 모양의 지지대: 이 유형의 서포트는 나뭇가지 모양과 비슷합니다. 컴포넌트의 돌출된 부분을 지지하는 데 사용됩니다. 돌출된 위치에만 연결됩니다.

분해가 쉽고 구성 요소 자체에 손상을 입히지 않는다는 장점이 있습니다.

그러나 트리형 지지 구조는 비평면 돌출부에만 적합하다는 점에 유의해야 합니다. 평면형 오버행의 경우 충분한 지지력을 제공할 수 없습니다.

잔류 응력이 가장 집중되는 인쇄 부품의 바닥과 프린트 베드 사이의 접촉 영역에 지지대를 추가할 수 있습니다.

이렇게 하면 부품에서 열을 빼앗아 균열, 뒤틀림, 처짐, 박리 및 수축으로 이어질 수 있는 열 변형을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

직접 에너지 증착(DED)

직접 에너지 증착은 재료를 직접 녹여 층층이 쌓아 올리는 방식으로 부품을 제조하는 공정입니다.

주변 파우더 베드에 의해 지지되는 파우더 베드 융착으로 형성된 부품과 달리 DED를 사용하여 프린팅된 부품은 3차원 공간 내에 독립적으로 존재합니다.

따라서 부품의 안정성, 복잡한 피처의 프린팅 가능성, 열 방출을 보장하기 위한 지지 구조도 필요합니다.

1. 지원 디자인

파우더 베드 융착 기술을 사용하여 생산된 부품의 서포트를 설계할 때는 본체에서 쉽게 분리할 수 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 후가공 중에 제거할 수 없기 때문입니다.

금속 부품용 서포트는 일반적으로 격자 구조로 인쇄됩니다.

이러한 방식으로 방열판 역할을 하여 부품에서 열을 전달하여 보다 제어된 방식으로 냉각하고 왜곡을 방지하는 동시에 재료 비용과 제작 시간을 절약할 수 있습니다.

서포트를 더 많이 추가하면 일반적으로 더 정밀한 부품을 만들 수 있지만 비용과 후처리 시간이 늘어납니다. 흥미롭게도 네덜란드의 MX3D는 다축 로봇 팔과 용접기를 결합한 금속 3D 프린팅 도구를 개발하여 서포트 없이도 금속 부품을 프린팅할 수 있게 했습니다.

2. 지지대 제거

금속 부품에서 서포트를 제거하는 작업은 일반적으로 폴리머 기반 공정보다 더 까다롭고 일반적으로 절삭 공구가 필요합니다.

또한 완성된 부품의 외관이 중요한 경우 매끄러운 표면 마감을 위해 금속 부품의 후처리(연마 등)가 필요합니다.

모델을 분해할 때 올바른 방법을 사용하면 대부분의 지지대를 쉽게 제거할 수 있습니다. 먼저 손으로 조작할 수 있는 브래킷을 손가락으로 조심스럽게 들어 올리면 됩니다.

특수한 위치의 경우 바늘코 플라이어, 스크레이퍼, 조각칼 등 지지대를 분해하는 도구를 사용할 수 있습니다.

스테레오리소그래피(SLA)

광조형 기술은 광원을 사용하여 액체 수지를 고형화하는 방식으로 작동합니다. 이 기술에는 부품을 프린트 베드에 단단히 부착하고 뒤틀림을 방지하기 위한 지지 구조가 필요합니다.

SLA에 사용되는 서포트는 매우 얇고 부품에 가볍게 닿아 재료를 절약할 수 있습니다. 따라서 손으로 또는 플라이어를 사용하여 쉽게 수동으로 제거할 수 있습니다. 그러나 서포트를 제거하면 최종 파트에 흔적이 남기 때문에 매끄러운 표면 마감을 위해 샌딩을 해야 합니다.

1. 지원 디자인

SLA는 시각적 프로토타입, 금형, 보청기 등 미적 감각이나 매끄러운 표면 마감이 필요한 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

이 경우 인쇄물의 앞면이 지지 구조물에 닿지 않도록 부품을 설계하는 것이 중요합니다. 이때 부품 방향 설계가 중요한 역할을 합니다.

부품의 위치를 변경하면 필요한 서포트의 양을 줄일 수 있으므로 부품 방향은 설계 단계에서 중요한 고려 사항입니다. 예를 들어 튜브형 부품을 수평으로 배치하면 더 많은 공간을 차지하므로 더 많은 서포트가 필요합니다.

반대로 동일한 부품을 수직으로 배치하면 최소한의 지지대로 빌드 플레이트에 연결할 수 있습니다.

용융 증착 모델링(FDM)

FDM(용융 증착 모델링) 기술은 가열된 필라멘트를 한 층씩 압출하여 부품을 만들고, 각 층은 냉각 및 응고된 후 이전 층과 결합합니다.

1. 지원 디자인

FDM 공정에서는 각 레이어가 약간 돌출되어 이전 레이어의 너비 이상으로 확장될 수 있습니다. 즉, 지지대 없이 최대 45도 각도로 피처를 만들 수 있습니다.

그러나 FDM 파트의 돌출부가 45도를 초과하거나 파트에 브리지 및 5mm보다 큰 돌출 표면과 같은 피처가 포함된 경우 서포트가 필요합니다. FDM의 서포트는 격자 구조 또는 나무와 같은 구조의 형태를 취할 수 있습니다.

2. 지지대 제거

FDM 인쇄물에서 지지대를 제거하는 한 가지 기술은 화학 용해 용액을 사용하는 것입니다.

일반적으로 산업용 FDM 3D 프린터(프린트 헤드가 2개)는 폴리비닐알코올(PVA) 및 고충격 폴리스티렌(HIPS)과 같은 용해성 서포트 재료를 사용합니다. 이러한 재료는 별도의 압출기를 사용하여 모델에 증착할 수 있습니다.

PVA는 물에 녹지만 온도 변화에 영향을 받아 프린트 헤드가 막힐 수 있습니다. 반면 HIPS는 물 대신 리모넨에 용해되며 온도 변화에 쉽게 영향을 받지 않습니다.

용해성 서포트를 사용하면 수작업이 필요 없고 서포트에 남은 흔적을 제거하기 위해 추가로 샌딩과 연마 작업을 할 필요가 없습니다. 반면에 이 프로세스는 시간이 많이 걸리고(몇 시간 소요) 비용이 많이 들 수 있습니다.

재료 분사

머티리얼 제팅 3D 프린터를 사용할 때는 각도에 관계없이 돌출된 구조물에 항상 지지대가 필요합니다.

그러나 이러한 지지대는 일반적으로 수용성이거나 가압된 물 또는 초음파 욕조에 담가서 쉽게 제거할 수 있는 다양한 재료로 만들어집니다.

선택적 레이저 소결 및 바인더 제팅

선택적 레이저 소결 및 바인더 제팅은 모두 일반적으로 지지 구조가 필요 없는 분말 기반 기술입니다.

이 두 기술에서는 인쇄된 부품이 지지 구조 역할을 하는 느슨한 파우더로 캡슐화되기 때문입니다.

지원의 단점

필요하지만 지지 구조는 생산 공정의 전체 인쇄 시간과 재료 비용을 증가시킵니다.

재료비:

서포트를 생성하려면 인쇄 과정에서 추가 재료가 필요하므로 시간과 재료 비용이 증가합니다. 또한 서포트는 재사용이 불가능하고 일반적으로 폐기되기 때문에 재료 낭비가 발생한다는 사실도 중요합니다.

제한된 지오메트리 자유도:

서포트를 수동으로 제거할 때는 서포트 디자인 시 손이나 도구의 활용도를 고려해야 합니다. 그러나 이렇게 하면 서포트가 필요하지만 손이나 도구로 접근할 수 없는 특정 기하학적 모양을 디자인하는 데 제한이 있을 수 있습니다.

시간 추가:

서포트 구조를 수용하도록 부품을 설계한 다음 서포트를 직접 제작하려면 추가 시간이 필요합니다. 서포트를 자동으로 생성하는 소프트웨어가 있지만 산업용 애플리케이션을 위한 서포트 구조를 생성하려면 여전히 수동 수정과 일정 수준의 설계 전문 지식이 필요합니다.

추가 후처리:

파트가 완성되면 서포트를 제거해야 하며 때로는 수작업으로 제거해야 하므로 후가공에 필요한 시간이 늘어납니다.

손상 위험: 후처리 단계에서 서포트를 제거하고 부품의 표면을 연마해야 합니다.

서포트를 분해하는 동안 잘못 취급하면 부품 표면에 결함이 발생하여 치수 정확도와 미적 외관에 영향을 줄 수 있습니다.

또한 미세한 피처와 같이 서포트가 잘못 배치되면 구조적 골절이 발생할 수 있습니다. 지지 구조와 함께 파손되어 인쇄물이 완전히 실패할 수 있습니다.

따라서 서포트 구조를 사용하는 것은 몇 가지 단점이 있으므로 필요한 경우에만 추가해야 합니다.

또한 모따기 서포트의 사용을 피할 수도 있습니다. 챔퍼링은 오버행 위치를 45도 미만의 각도를 가진 안전한 오버행으로 변환하여 서포트가 필요하지 않고 효율적인 재료 활용을 보장합니다.

지원을 최소화하는 네 가지 방법

필요한 서포트의 수를 줄이는 것은 종종 올바른 전략입니다. 재료 비용과 제작 시간을 절약하는 데 도움이 됩니다. 다음은 인쇄 시간과 재료를 모두 절약하면서 서포트 수를 최대한 줄이는 방법에 대한 네 가지 중요한 팁입니다:

1. 최적의 파트 방향 선택

파트 방향을 실험해 보는 것은 필요한 서포트의 수를 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나입니다. 올바른 방향은 인쇄 시간, 비용 및 [...]에 큰 영향을 미칩니다. 표면 거칠기 부분의

부품의 방향(수직, 수평 또는 각진)에 따라 더 적은 수의 지지대가 필요하거나 더 많은 수의 지지대가 필요할 수 있습니다.

문자 'T' 모양으로 인쇄된 부품을 생각해 봅시다. 정상적인 방향으로 배치하면 글자의 양쪽 팔이 지지 구조물 없이 무너질 것입니다. 그러나 부품의 방향이 거꾸로 'T'자 모양으로 배열된 경우 지지대가 필요하지 않습니다.

이 예는 파트가 다양한 방식으로 제작될 수 있음을 보여줍니다. 파트의 각 면은 프린트 베드에 연결된 표면이 다를 수 있으며, 이는 다양한 서포트가 필요하다는 것을 의미합니다. 이러한 요구 사항은 주로 파트의 방향에 따라 달라집니다.

또 다른 예: 속이 빈 튜브형 피처가 있는 부품을 설계할 때 수평 방향은 더 많은 공간을 차지하는 반면 수직 또는 각진 방향은 공간을 절약하고 필요한 서포트의 수를 줄입니다.

2. 지원 구조 최적화

서포트가 불가피한 경우에는 가능한 한 적은 재료를 사용하고 인쇄 프로세스를 가속화하도록 최적화해야 합니다. 예를 들어 토폴로지 최적화 설계와 격자 구조 서포트를 활용하여 서포트의 부피를 줄임으로써 재료를 절약할 수 있습니다.

많은 3D 프린팅 공정에서 기존의 서포트 생성 기술은 엄격하게 수직 구조를 제작하는 데 한계가 있습니다. 특히 프린트 베드 위에 서포트가 필요한 영역이 많은 경우 공간 효율성이 떨어집니다.

반대로 나무와 같은 지지 구조를 만드는 것도 실행 가능한 선택일 수 있습니다. 이러한 서포트는 가지가 뻗어 있는 나무와 비슷하며 직선형 수직 구조에 비해 재료 사용량을 약 75% 줄일 수 있습니다.

오토데스크 메시믹서는 FDM, SLA 및 DMLS 프로세스를 위해 이러한 구조를 만드는 데 사용할 수 있는 소프트웨어 툴 중 하나입니다.

3. 필렛 및 챔퍼 활용

필렛과 챔퍼는 45도를 초과하는 돌출된 표면에 지지 구조를 만들기 위한 대체 솔루션으로 사용할 수 있습니다.

모따기는 각진 모서리 또는 경사진 모서리이며, 필렛은 둥근 모서리 또는 가장자리입니다. 기본적으로 이러한 기능은 45도 이상의 각도를 45도 이하의 각도로 변경하며 부품의 내부 또는 외부에 추가할 수 있습니다.

4. 인쇄 부품 분할

매우 복잡한 3D 모델의 경우 부품을 개별적으로 프린팅한 다음 함께 조립하는 것이 합리적일 때가 많습니다. 이렇게 하면 서포트의 수를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 재료를 절약하면서 프린팅 프로세스를 가속화할 수 있습니다.

그러나 3D 프린팅 부품을 조립할 경우 서로 잘 맞도록 동일한 방향으로 프린팅해야 한다는 점에 유의하세요.

3D 프린팅 지원: 필요하지만 답답한 지원

오랫동안 지지 구조는 3D 프린팅에서 피할 수 없는 '단점'으로 여겨져 왔습니다. 하지만 최근 하드웨어와 소프트웨어의 발전으로 이러한 고정관념이 서서히 깨지고 있습니다.

예를 들어, 최근 스튜디오 및 제작 시스템을 위한 '분리형 서포트'라는 솔루션을 개발하여 특허를 획득한 금속 3D 프린터 제조업체인 Desktop Metal을 살펴보겠습니다.

3D 프린트된 금속 부품을 위한 이 서포트는 손으로 제거할 수 있습니다. 데스크톱 메탈의 분리형 서포트는 부품 표면과 서포트 구조 사이의 인터페이스로 세라믹 파우더 층을 사용하여 작동합니다.

소결 공정이 끝나면 세라믹 층이 용해되어 부품에서 지지대를 쉽게 제거할 수 있습니다.

3D 프린팅 부품의 서포트 제거 단계를 간소화하고 가속화하는 것을 목표로 하는 또 다른 회사로는 PostProcess Technologies가 있습니다. 이 회사는 FDM, SLA, PolyJet 및 CLIP 기술을 통해 적층 제조된 부품을 위한 다양한 자동화된 핸즈프리 서포트 제거 솔루션을 제공합니다.

그러나 한 회사는 지원 영역에서 더 멀리 나아갔습니다. 파우더 베드 퓨전 사파이어 시스템을 개발한 Velo3D는 지능형 퓨전이라는 기술을 통해 복잡한 금속 부품을 프린트할 수 있는 시스템을 제공하며, 거의 지지대가 필요 없는 프린팅을 실현하는 데 중점을 두고 있습니다.

다른 파우더 베드 금속 시스템과 비교했을 때, Velo3D의 독점 시뮬레이션 소프트웨어와 폐쇄 루프 모니터링을 사용하면 부품 생산에 필요한 서포트를 최대 5배까지 줄일 수 있습니다.

2021년, SLM 솔루션은 여러 기술을 통합하여 파트 프린팅에서 서포트 구조의 필요성을 크게 줄이거나 없애는 '프리플로트 서포트리스 기술'을 출시했습니다.

2022년 EOS의 전문가들은 고정자 링, 케이싱, 터빈 펌프, 오일 탱크, 열교환기, 밸브, 임펠러 등 지원되지 않는 3D 프린팅 부품을 생산하기 위한 다양한 공정 최적화 기술을 개발했으며, 특히 동봉형 임펠러가 대표적인 예입니다.

EOS는 설계 소프트웨어와 파라미터 세트의 최적화를 통해 사용자가 훨씬 낮은 각도, 때로는 0도에서도 캔틸레버와 브리지를 프린팅할 수 있도록 지원하여 훨씬 적은 수의 지지대가 필요하거나 심지어 전혀 필요하지 않을 수도 있습니다.

의심할 여지 없이 국내 제조업체들은 무지지 프린팅 분야에서 괄목할 만한 발전을 이루었습니다. 얼마 전, 선도적인 3D 프린팅 회사인 Polite는 돌출부가 30° 미만인 구조물은 지지대가 필요 없는 무지지 프린팅 솔루션을 개발했다고 보도되었습니다.

Polite는 지원되지 않는 SLM 금속 3D 프린팅 기술이라는 난제를 극복했습니다.

일반적으로 서포트 설계 및 제거를 최적화하는 것은 3D 프린팅 워크플로를 더 빠르고 간단하게 만드는 데 있어 핵심 과제입니다.

위의 사례에서 볼 수 있듯이 적층 제조 업계는 이러한 문제를 극복하기 위해 지속적으로 솔루션을 개발하고 있습니다.

하지만 더 나은 솔루션을 제공하기 위해서는 기술 외에도 실무자에게는 더 높은 수준의 기술과 지식이 필요합니다.

이 글을 통해 3D 프린팅에서 서포트 구조를 더 효과적으로 사용하는 방법에 대한 지식이 넓어져 적에서 아군으로 전환하는 데 도움이 되었기를 바랍니다.