엔지니어링에 사용되는 7가지 유형의 다이나믹 씰
자동차 엔진이나 비행기의 터빈에서 오일이 새지 않고 원활하게 작동하는 원동력이 무엇인지 생각해 본 적이 있나요? 동적 씰은 많은 기계에서 중요하지만 종종 간과되는 구성 요소입니다. 이...
복잡한 의료용 임플란트부터 집 전체에 이르기까지 거의 모든 것을 레이어별로 제작할 수 있는 세상을 상상해 보세요. 이것이 바로 3D 프린팅의 힘입니다. 이 글에서는 각각 고유한 방법과 응용 분야를 가진 7가지 주요 3D 프린팅 기술에 대해 살펴봅니다. 이러한 기술이 산업을 어떻게 변화시키고 있는지 알아보고, 다양한 재료와 제품에 가장 적합한 방법을 알아보세요. 바이오 프린팅이나 최신 금속 제조에 대해 궁금한 점이 있다면 이 가이드가 매혹적인 적층 제조의 세계를 밝혀줄 것입니다.
많은 일반인이 3D 프린팅을 뜨거운 노즐에서 재료를 짜서 모양으로 쌓아 올리는 것이라고 생각하지만, 3D 프린팅은 그 이상의 의미를 지닙니다! 오늘은 다양한 3D 프린팅 기술을 구분할 수 있도록 7가지 유형의 3D 프린팅 프로세스를 소개합니다.
사실 적층 제조라고도 알려진 3D 프린팅은 여러 가지 뚜렷하게 다른 3D 프린팅 프로세스를 포괄하는 일반적인 용어입니다. 이러한 기술은 매우 다양하지만 핵심 프로세스는 동일합니다.
예를 들어, 모든 3D 프린팅은 본질적으로 디지털 기술이기 때문에 디지털 모델에서 시작됩니다. 부품 또는 제품은 처음에 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 사용하여 설계하거나 디지털 부품 라이브러리에서 소싱합니다.
그런 다음 디자인 파일은 특정 빌드 준비 소프트웨어를 통해 3D 프린팅을 위한 슬라이스 또는 레이어로 분류되어 3D 프린터가 따라야 할 경로 지침을 생성합니다.
다음으로 이러한 기술의 차이점과 각 기술의 일반적인 용도에 대해 알아보세요.
7가지 유형이 있는 이유는 무엇인가요?
적층 제조의 유형은 생산하는 제품 또는 사용하는 재료의 유형에 따라 분류할 수 있습니다. 국제 표준화 기구(ISO)는 3D 프린팅을 7가지 일반적인 유형으로 분류했습니다(하지만 이 7가지 유형으로는 점점 늘어나는 하위 유형과 하이브리드 기술을 모두 포괄할 수 없습니다).
이름에서 알 수 있듯이 재료 압출은 노즐을 통해 재료를 압출하는 방식입니다.
일반적으로 이 소재는 가열된 노즐을 통해 녹여 압출되는 플라스틱 필라멘트입니다. 프린터는 소프트웨어를 통해 얻은 프로세스 경로를 따라 빌드 플랫폼에 재료를 배치합니다. 그런 다음 필라멘트가 냉각되어 고체 물체로 굳어집니다. 이것이 가장 일반적인 형태의 3D 프린팅입니다.
언뜻 단순하게 들릴 수 있지만 플라스틱, 금속, 콘크리트, 바이오 젤 및 다양한 식품을 포함한 압출 재료를 고려하면 실제로는 매우 광범위한 범주입니다. 이 유형의 3D 프린터의 가격은 $100에서 7자리 수까지 다양합니다.
FDM 3D 프린터 시장은 기본 모델부터 복잡한 제조업체 모델에 이르기까지 수천 대의 기계로 수십억 달러의 가치가 있는 시장입니다. FDM 기계는 완전히 동일한 기술인 융합 필라멘트 제조(FFF)라고도 합니다.
모든 3D 프린팅 기술과 마찬가지로 FDM은 디지털 모델에서 시작하여 3D 프린터가 따라갈 수 있는 경로로 변환합니다. FDM을 사용하면 라인 코일의 필라멘트(또는 한 번에 여러 필라멘트)를 3D 프린터에 로드한 다음 압출 헤드의 프린터 노즐에 공급합니다.
프린터 노즐 또는 여러 개의 노즐을 필요한 온도로 가열하여 필라멘트를 연화시켜 연속된 층이 서로 결합하여 견고한 부품을 형성할 수 있도록 합니다.
프린터가 XY 평면에서 지정된 좌표를 따라 압출 헤드를 이동하면서 첫 번째 레이어를 계속 놓습니다. 그런 다음 압출 헤드가 다음 높이(Z 평면)로 올라가 단면을 인쇄하는 과정을 반복하여 물체가 완전히 형성될 때까지 레이어를 하나씩 쌓아 올립니다.
오브젝트의 지오메트리에 따라 모델에 가파른 돌출부가 있는 경우와 같이 인쇄 중에 모델을 지지하기 위해 서포트 구조를 추가해야 하는 경우가 있습니다. 이러한 서포트는 인쇄 후 제거됩니다. 일부 서포트 구조 재료는 물이나 다른 용액에 녹을 수 있습니다.
3D 바이오 프린팅 또는 바이오 3D 프린팅은 유기 또는 생물학적 재료(예: 살아있는 세포 및 영양소)를 결합하여 조직과 유사한 자연스러운 3차원 구조를 만드는 적층 제조 공정입니다.
즉, 바이오프린팅은 골격 조직과 혈관부터 생체 조직까지 무엇이든 제작할 수 있는 3D 프린팅의 한 형태입니다. 조직 공학, 약물 테스트 및 개발, 혁신적인 재생 의료 요법 등 다양한 의료 연구 및 응용 분야에 사용됩니다. 3D 바이오프린팅의 실제 정의는 여전히 진화하고 있습니다.
기본적으로 3D 바이오 프린팅은 FDM 3D 프린팅과 유사하게 작동하며 재료 압출 계열에 속합니다(압출이 유일한 바이오 프린팅 방법은 아니지만).
3D 바이오프린팅은 바늘에서 분사되는 재료(바이오 잉크)를 사용하여 인쇄된 층을 만듭니다. 바이오 잉크라고 하는 이러한 재료는 주로 콜라겐, 젤라틴, 히알루론산, 실크, 알지네이트 또는 나노 셀룰로오스와 같은 운반체 재료의 세포와 같은 생명체로 구성되어 구조적 성장과 영양분을 위한 분자 발판 역할을 하며 지지대를 제공합니다.
건축용 3D 프린팅은 재료 압출 분야에서 빠르게 발전하고 있는 분야입니다. 이 기술은 수 미터 높이의 거대한 3D 프린터를 사용하여 노즐에서 콘크리트와 같은 건축 자재를 압출하는 기술입니다.
이러한 기계는 일반적으로 갠트리 또는 로봇 팔 시스템으로 나타납니다. 오늘날 3D 건축 프린팅 기술은 주택, 건축물, 우물에서 벽에 이르는 다양한 건설 프로젝트에 사용되고 있습니다. 연구자들은 이 기술이 노동 수요를 줄이고 건설 폐기물을 최소화함으로써 전체 건설 산업을 크게 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 말합니다.
미국과 유럽에는 수십 개의 3D 프린팅 주택이 존재하며, 달과 화성에서 발견되는 재료를 사용하여 미래 탐험가를 위한 거주지를 건설하는 3D 건축 기술에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 보다 지속 가능한 건설 방법으로 콘크리트 프린팅을 현지의 흙으로 대체하는 방법도 주목받고 있습니다.
통 중합(수지 3D 프린팅이라고도 함)은 광원을 사용하여 통에서 감광성 폴리머 수지를 선택적으로 경화(또는 경화)시키는 일련의 3D 프린팅 프로세스입니다. 즉, 액체 플라스틱의 특정 지점이나 영역에 빛을 정밀하게 조사하여 경화시킵니다.
첫 번째 레이어가 경화되면 빌드 플랫폼이 프린터에 따라 보통 0.01~0.05밀리미터 사이에서 약간 위 또는 아래로 이동하고 다음 레이어가 경화되어 이전 레이어에 연결됩니다.
이 과정은 3D 부품이 형성될 때까지 레이어별로 반복됩니다. 3D 프린팅 프로세스가 완료되면 물체를 세척하여 남아있는 액체 수지를 제거하고 햇빛이나 UV 챔버에서 후경화하여 부품의 기계적 특성을 향상시킵니다.
통 중합의 가장 일반적인 세 가지 형태는 광조형(SLA), 디지털 광원 처리(DLP), 액정 디스플레이(LCD)이며, 마스킹 광조형(MSLA)이라고도 합니다. 이러한 유형의 3D 프린팅 기술 간의 근본적인 차이점은 광원과 광원을 사용하여 수지를 경화시키는 방식에 있습니다.
여러 3D 프린터 제조업체특히 전문가급 3D 프린터를 생산하는 업체는 광중합에 대한 고유한 특허를 보유하고 있으므로 시중에서 다양한 기술 이름을 볼 수 있습니다.
산업용 3D 프린터 제조업체인 Carbon은 디지털 광중합(DLS)이라는 통 중합 기술을 사용하고 있으며, 스트라타시스의 Origin은 프로그래머블 광중합(P3)이라는 기술을, Formlabs는 저력 광조형(LFS)이라는 기술을, Azul 3D는 고면적 고속 프린팅(HARP)이라는 형태로 통 중합을 대규모로 상용화한 최초의 회사입니다.
다른 기술로는 리소그래피 기반 금속 제조(LMM), 프로젝션 마이크로 광조형(PμSL), 액체 수지에 기능성 첨가제(금속 및 세라믹 섬유 등)를 도입하는 충전 광폴리머 기술인 디지털 복합 제조(DCM) 등이 있습니다.
광조형 또는 SLA는 세계 최초의 3D 프린팅 기술입니다. 1986년 이 기술의 특허를 획득하고 3D Systems를 설립하여 상용화한 척 헐이 발명한 SLA는 현재 수많은 3D 프린터 제조업체의 애호가와 전문가가 모두 사용할 수 있습니다.
이 프로세스에는 레진 통에 레이저 빔을 쏘아 인쇄 영역 내의 물체 단면을 선택적으로 고형화하여 레이어별로 제작하는 과정이 포함됩니다. 대부분의 SLA 프린터는 고체 레이저 를 사용하여 부품을 단단하게 만듭니다.
이 통 중합의 단점은 다음 방법(DLP)에 비해 포인트 레이저가 물체의 단면을 추적하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있으며, 빛을 번쩍여 전체 층을 즉시 경화시킨다는 것입니다. 그러나 레이저는 일부 엔지니어링 등급의 레진에 필요한 더 강한 빛을 생성할 수 있습니다.
(1) 마이크로 광조형(μSLA)
마이크로 광조형 기술은 2마이크로미터(μm)에서 50μm 사이의 해상도로 초소형 부품을 인쇄할 수 있습니다. 참고로 사람 머리카락의 평균 폭은 75μm입니다. 이는 "마이크로 3D 프린팅" 기술 중 하나입니다.
μSLA는 감광성 물질(액체 수지)을 자외선 레이저에 노출하는 방식입니다. 특수 수지, 레이저의 복잡성, 매우 작은 광점을 생성하는 렌즈의 추가가 이 기술을 차별화하는 요소입니다.
(2) 2광자 중합(TPP)
또 다른 마이크로 3D 프린팅 기술인 TPP(2PP라고도 함)는 레이저와 감광성 수지를 사용하기 때문에 SLA로 분류할 수 있습니다. μSLA보다 작은 0.1μm의 부품을 프린트할 수 있습니다. TPP는 펄스 펨토초 특수 수지가 담긴 큰 통 안의 좁은 지점에 레이저를 집중시킵니다.
그런 다음 이 지점을 사용하여 레진 내에서 단일 3D 픽셀 또는 복셀을 고형화합니다. 나노에서 마이크로 크기에 이르는 이 작은 복셀은 미리 정의된 경로를 따라 한 층씩 응고됩니다. TPP는 현재 연구, 의료용 애플리케이션, 마이크로 전극 및 광학 센서와 같은 마이크로 부품 제조에 사용됩니다.
DLP 3D 프린팅은 레이저 대신 디지털 광 프로젝터를 사용하여 각 레이어의 이미지를 레이어 또는 레진 통에 플래시(또는 더 큰 부품의 경우 여러 번 노출)합니다. DLP(SLA보다 일반적)는 제작 부품 수에 관계없이 각 레이어 노출에 동일한 시간이 소요되므로 한 번에 더 큰 부품이나 더 많은 양의 부품을 생산하는 데 사용되므로 SLA의 포인트 레이저 방식보다 더 효율적입니다.
각 레이어의 이미지는 정사각형 픽셀로 구성되며, 복셀이라고 하는 작은 직사각형 블록으로 이루어진 레이어가 만들어집니다. 발광 다이오드(LED) 스크린 또는 UV 광원(램프)을 사용하여 레진에 빛을 투사하고 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 통해 빌드 표면에 투사합니다.
최신 DLP 프로젝터에는 일반적으로 수천 개의 마이크로 사이즈 LED가 광원으로 사용됩니다. 켜짐과 꺼짐 상태가 개별적으로 제어되어 XY 해상도를 높입니다. 모든 DLP 3D 프린터가 동일한 것은 아니며 광원의 출력, 광원이 통과하는 렌즈, DMD의 품질 및 $300과 $200,000 이상의 장비를 구성하는 기타 많은 구성 요소에 상당한 차이가 있습니다.
하향식 DLP
일부 DLP 3D 프린터는 광원을 프린터 상단에 장착하여 위쪽이 아닌 레진이 담긴 통에 비춥니다. 이러한 '하향식' 기계는 위에서부터 레이어 이미지를 플래시하여 한 번에 한 레이어씩 고형화한 다음 고형화된 레이어를 다시 큰 통으로 되돌려 보냅니다.
제작 플랫폼을 내릴 때마다 대형 통의 상단에 장착된 리코터가 레진 위를 앞뒤로 움직이며 새 레이어를 균일하게 만듭니다. 제조업체는 이 방식을 사용하면 프린트 프로세스가 중력에 대항하지 않기 때문에 대형 프린트에서 더 안정적인 파트 출력을 얻을 수 있다고 주장합니다.
상향식 프린팅 시 빌드 플레이트에 수직으로 매달 수 있는 무게에는 한계가 있습니다. 또한 레진 통이 프린팅 중에 부품을 지지하므로 지지 구조물의 필요성이 줄어듭니다.
프로젝션 마이크로 광조형(PμSL)
통 중합 자체의 고유한 유형인 PμSL은 DLP에서 하위 범주로 분류됩니다. 또 다른 마이크로 3D 프린팅 기술입니다. PμSL은 프로젝터의 자외선을 사용하여 특수 포뮬러 레진 층을 미크론 단위(2μm 해상도 및 최저 5μm 층 높이)로 응고시킵니다.
이 적층 제조 기술은 저렴한 비용, 정확성, 속도, 사용 가능한 재료(폴리머, 생체 재료, 세라믹 등)의 범위로 인해 발전하고 있습니다. 미세 유체학 및 조직 공학에서 마이크로 광학 및 생의학 마이크로 디바이스에 이르기까지 다양한 분야에 적용될 수 있는 가능성을 보여주었습니다.
리소그래피 기반 금속 제조(LMM)
DLP의 먼 친척인 이 기술은 빛과 수지로 3D 프린팅하는 방법으로 수술 도구나 마이크로 기계 부품과 같은 응용 분야에 사용할 수 있는 작은 금속 부품을 만들 수 있습니다. LMM에서는 금속 분말이 감광성 수지에 고르게 분산되어 프로젝터에서 나오는 청색광에 노출되어 선택적으로 중합됩니다.
인쇄 후 녹색 부분의 폴리머 성분이 제거되고 용광로에서 소결 과정을 거쳐 완성된 완전한 금속 디바운드 부분이 남습니다. 원재료로는 스테인리스 스틸이 사용됩니다, 티타늄텅스텐, 황동, 구리, 은, 금 등입니다.
액정 디스플레이(LCD)는 광조형(MSLA)이라고도 하며 앞서 언급한 DLP와 매우 유사합니다. 차이점은 3D 프린터 가격에 큰 영향을 미치는 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 대신 LCD 스크린을 사용한다는 점입니다.
DLP와 마찬가지로 LCD 라이트 마스크는 디지털 방식으로 표시되며 정사각형 픽셀로 구성됩니다. LCD 라이트 마스크의 픽셀 크기에 따라 인쇄물의 세밀도가 결정됩니다. 따라서 XY 정확도는 고정되어 있으며 DLP의 경우처럼 렌즈의 줌 또는 스케일링 정도에 따라 달라지지 않습니다.
DLP 프린터와 LCD 기술의 또 다른 차이점은 후자는 레이저 다이오드나 DLP 램프와 같은 단일 점 광원이 아닌 수백 개의 개별 이미터 어레이를 사용한다는 점입니다.
DLP와 마찬가지로 LCD는 특정 조건에서 SLA보다 빠른 인쇄 시간을 달성할 수 있습니다. 이는 레이저 포인트로 단면을 추적하는 것이 아니라 전체 레이어가 한 번에 노출되기 때문입니다.
LCD의 낮은 단가로 인해 이 기술은 저가형 데스크탑 레진 프린터 분야에서 선호되는 기술이 되었습니다. 하지만 그렇다고 해서 전문적으로 사용되지 않는다는 의미는 아닙니다. 일부 산업용 3D 프린터 제조업체는 기술적 한계를 뛰어넘어 인상적인 결과를 달성하고 있습니다.
파우더 베드 퓨전(PBF)은 열 에너지원이 빌드 영역 내에서 파우더 입자(플라스틱, 금속 또는 세라믹)를 선택적으로 녹여 층별로 고체 물체를 만드는 3D 프린팅 프로세스입니다.
PBF 3D 프린터는 일반적으로 블레이드, 롤러 또는 와이퍼를 사용하여 프린트 베드에 얇은 분말 재료 층을 분산시킵니다. 레이저의 에너지가 파우더 층의 특정 지점을 융합한 다음 다른 파우더 층이 증착되어 이전 층에 융합됩니다. 이 과정은 전체 물체가 제조될 때까지 반복되며, 최종 제품은 융합되지 않은 파우더로 감싸고 지지됩니다.
PBF는 소비재, 기계 및 도구의 최종 용도에 맞는 높은 기계적 성능(강도, 내마모성 및 내구성 포함)을 갖춘 부품을 생산할 수 있습니다. 이 하위 시장의 3D 프린터는 점점 더 저렴해지고 있지만(약 $25,000부터 시작), 여전히 산업 기술로 간주됩니다.
선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 사용하여 플라스틱 분말로 물체를 제조합니다. 먼저 폴리머 파우더 상자를 폴리머의 녹는점 바로 아래까지 가열합니다. 그런 다음 재코팅 블레이드 또는 와이퍼가 빌드 플랫폼에 매우 얇은 분말 재료 층(보통 0.1mm 두께)을 증착합니다.
레이저가 디지털 모델에 배치된 패턴에 따라 표면을 스캔하기 시작합니다. 레이저가 분말을 선택적으로 소결하여 물체의 단면을 고형화합니다. 전체 단면을 스캔할 때 빌드 플랫폼은 한 층 두께만큼 아래로 이동합니다. 리코팅 블레이드는 가장 최근에 스캔한 레이어 위에 새로운 파우더 층을 증착하고 레이저는 이전에 고형화된 단면 위에 물체의 다음 단면을 소결합니다.
이 단계는 모든 물체가 제조될 때까지 반복됩니다. 소결되지 않은 파우더가 물체를 지지하기 위해 제자리에 남아 있으므로 지지 구조의 필요성이 줄어들거나 제거됩니다. 파우더 베드에서 부품을 제거하고 세척한 후에는 다른 필수 후처리 단계가 필요하지 않습니다.
부품을 연마하거나 코팅하거나 색상을 입힐 수 있습니다. 크기뿐만 아니라 레이저의 출력과 수, 레이저 스폿의 크기, 베드를 가열하는 시간과 방식, 파우더의 분포 등 SLS 3D 프린터 간에는 많은 차별화 요소가 있습니다. SLS 3D 프린팅에서 가장 일반적인 재료는 나일론(PA6, PA12)이지만 TPU 및 기타 재료도 유연한 부품을 인쇄하는 데 사용할 수 있습니다.
μSLS는 아래에 언급된 SLS 또는 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 기술에 속합니다. SLS와 마찬가지로 레이저를 사용하여 분말 재료를 소결하지만 이 재료는 일반적으로 플라스틱이 아닌 금속이므로 LPBF와 더 유사합니다. 마이크로 해상도(5μm 이하)의 부품을 제작할 수 있는 또 다른 마이크로 3D 프린팅 기술입니다.
μSLS에서는 금속 나노 입자 잉크 층을 기판에 코팅한 다음 건조하여 균일한 나노 입자 층을 만듭니다. 그런 다음 디지털 마이크로미러 어레이의 패턴 레이저를 사용하여 나노 입자를 가열하고 원하는 패턴으로 소결합니다. 이 일련의 단계를 반복하여 μSLS 시스템에서 3D 부품의 각 레이어를 제작합니다.
모든 3D 프린팅 기술 중에서 이 기술은 가장 많은 별칭을 가지고 있습니다. 이 금속 3D 프린팅 방법의 정식 명칭은 레이저 분말 베드 융합(LPBF)이지만 직접 금속 레이저 소결(DMLS) 및 선택적 레이저 용융(SLM)으로도 널리 알려져 있습니다.
이 기술의 초기 개발 단계에서 기계 제조업체는 동일한 프로세스에 대해 고유한 이름을 만들었고, 그 이후로 이러한 이름이 계속 사용되고 있습니다. 특히 위의 세 가지 용어는 일부 기계적 세부 사항이 다르더라도 동일한 프로세스를 나타냅니다.
파우더 베드 융합의 하위 유형인 LPBF는 금속 파우더 베드와 하나 이상의 고출력 레이저(최대 12개)를 사용합니다. LPBF 3D 프린터는 레이저를 사용하여 모델이 완성될 때까지 금속 분말을 분자 단위로 한 층씩 선택적으로 융합합니다. LPBF는 일반적으로 항공우주, 의료 및 산업용 애플리케이션을 위한 복잡한 금속 부품을 만드는 데 사용되는 매우 정밀한 3D 프린팅 방식입니다.
SLS와 마찬가지로 LPBF 3D 프린터는 디지털 모델을 슬라이스로 분할하여 시작합니다. 프린터는 파우더를 빌드 챔버에 적재한 다음 스크레이퍼(앞 유리 와이퍼 등) 또는 롤러를 사용하여 빌드 플레이트의 얇은 층으로 파우더를 펼칩니다. 레이저가 파우더 위에 레이어를 추적합니다.
그런 다음 빌드 플랫폼이 아래로 이동하고 다른 파우더 층이 적용되어 전체 물체가 만들어질 때까지 첫 번째 층과 융합됩니다. 빌드 챔버는 금속이 용융 과정에서 산화되지 않도록 밀폐되고 밀봉되며 종종 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 혼합물로 채워져 용융 과정에서 이물질을 제거하는 데 도움이 됩니다.
프린팅 후 부품을 파우더 베드에서 제거하고 세척한 후 응력을 제거하기 위해 2차 열처리를 거치는 경우가 많습니다. 남은 파우더는 재활용하여 재사용합니다.
LPBF 3D 프린터의 차별화 요소로는 레이저의 종류, 강도, 개수 등이 있습니다. 소형 소형 LPBF 프린터는 30-와트 레이저산업용 버전에는 12개의 1,000와트 레이저가 있을 수 있습니다. LPBF 기계는 스테인리스강, 니켈 초합금, 티타늄 합금과 같은 일반적인 엔지니어링 합금을 사용합니다. LPBF 공정에 사용할 수 있는 금속은 수십 가지가 있습니다.
전자빔 파우더 베드 융합(EB PBF)이라고도 하는 EBM은 LPBF와 유사한 금속 3D 프린팅 방법이지만 파이버 레이저 대신 전자빔을 사용합니다. 이 기술은 티타늄 정형외과용 임플란트, 제트 엔진용 터빈 블레이드, 구리 코일과 같은 부품을 제조하는 데 사용됩니다.
전자빔은 일부 금속 및 응용 분야에 필요한 더 많은 에너지와 열을 생성합니다. 또한 EBM은 불활성 가스 환경이 아니라 빔 산란을 방지하기 위해 진공 챔버에서 수행됩니다. 제작 챔버 온도는 최대 1,000°C까지 올라갈 수 있으며, 경우에 따라서는 더 높은 온도까지 올라갈 수 있습니다. 전자빔은 전자기 빔 제어를 사용하기 때문에 레이저보다 이동 속도가 빠르며 여러 영역을 동시에 노출하기 위해 분할할 수도 있습니다.
EBM의 장점 중 하나는 전도성 소재와 구리 같은 반사성 금속을 처리할 수 있다는 점입니다. EBM의 또 다른 특징은 빌드 챔버 내에 별도의 부품을 중첩하거나 쌓을 수 있다는 점으로, 부품을 빌드 플레이트에 부착할 필요가 없으므로 생산량을 크게 늘릴 수 있습니다.
레이저에 비해 전자 빔은 일반적으로 더 두꺼운 층과 거친 표면 특징을 생성합니다. 빌드 챔버의 온도가 높기 때문에 EBM으로 프린트한 부품은 스트레스를 제거하기 위해 프린트 후 열처리가 필요하지 않을 수 있습니다.
재료 분사 방식은 작은 재료 방울이 빌드 플레이트에 증착된 후 고형화 또는 경화되는 3D 프린팅 프로세스입니다. 이 프로세스에서는 빛에 노출되면 고형화되는 감광성 폴리머 또는 왁스 방울을 사용하여 한 번에 한 층씩 물체를 구성합니다.
재료 분사 공정의 특성상 동일한 물체에 다양한 재료를 프린트할 수 있습니다. 이 기술의 응용 분야는 다양한 색상과 질감의 부품을 제조하는 것입니다.
폴리머의 재료 분사(M-Jet)는 감광성 수지 층을 빌드 플레이트에 선택적으로 증착하고 자외선(UV)을 사용하여 경화하는 3D 프린팅 프로세스입니다.
레이어가 증착되고 경화되면 빌드 플랫폼이 레이어 두께만큼 낮아지고 이 과정을 반복하여 3D 물체를 제작합니다. M-Jet은 레진 3D 프린팅의 높은 정밀도와 필라멘트 3D 프린팅(FDM)의 속도를 결합하여 사실적인 색상과 질감의 부품 및 프로토타입을 제작합니다.
모든 재료 분사 3D 프린팅 기술이 완전히 동일하지는 않습니다. 프린터 제조업체와 독점 소재마다 차이가 있습니다. M-Jet 장비는 여러 줄의 프린트 헤드에서 한 줄씩 빌드 재료를 분사합니다.
이 방법을 사용하면 프린터가 빌드 속도에 영향을 주지 않고 한 라인에서 여러 개체를 제조할 수 있습니다. 모델이 제작 플랫폼에 올바르게 배치되고 각 제작 라인 내 공간이 최적화되어 있다면 M-Jet은 다른 많은 유형의 레진 3D 프린터보다 더 빠르게 파트를 제작할 수 있습니다.
M-Jet으로 제조된 물체는 제작 과정에서 용해 가능한 재료로 동시에 인쇄되고 후처리 단계에서 제거되는 서포트가 필요합니다. M-Jet은 다중 재료 프린팅과 풀 컬러로 물체를 제작할 수 있는 몇 안 되는 3D 프린팅 기술 중 하나입니다.
재료 분사기는 취미용으로 사용할 수 없으며, 자동차 제조, 산업 디자인 회사, 아트 스튜디오, 병원 등 정확한 프로토타입을 제작하여 콘셉트를 테스트하고 제품을 더 빨리 시장에 출시하려는 모든 유형의 제품 제조업체의 전문가에게 더 적합한 기계입니다.
통 중합 기술과 달리 M-Jet은 프린터의 자외선이 각 층을 완전히 경화시키기 때문에 후 경화가 필요하지 않습니다.
에어로졸 분사
옵토멕은 주로 전자 제품 3D 프린팅에 사용되는 고유 기술인 에어로졸 젯을 개발했습니다. 저항기, 커패시터, 안테나, 센서 및 박막 트랜지스터는 모두 에어로졸 젯 기술을 사용하여 인쇄됩니다. 스프레이 페인팅과 대략적으로 비교할 수 있지만 완전한 3D 물체를 인쇄하는 데 사용할 수 있다는 점에서 산업용 코팅 공정과는 다릅니다.
전자 잉크를 분무기에 넣으면 직경이 1~5미크론인 물방울이 생성됩니다. 그런 다음 에어로졸 미스트가 증착 헤드로 전달되고 시스 가스에 의해 집중되어 고속 입자 스프레이가 생성됩니다.
전체 공정에서 에너지를 사용하기 때문에 이 기술을 방향성 에너지 증착이라고도 하지만, 이 경우 재료가 물방울 형태이므로 재료 분사에 포함시킵니다.
자유형 플라스틱 성형
독일 기업 Arburg는 압출과 재료 분사 기술을 결합한 자유형 플라스틱 성형(APF)이라는 기술을 개발했습니다. 이 기술은 사출 성형 공정에서 녹아 배출 장치로 이동하는 시중에서 판매되는 플라스틱 알갱이를 사용합니다.
고주파 노즐의 빠른 개폐 동작으로 초당 최대 200개의 플라스틱 방울을 0.2~0.4mm 직경으로 생성합니다. 방울은 냉각되는 동안 고형화 물질과 결합합니다. 일반적으로 후처리는 필요하지 않습니다. 서포트 재료를 사용한 경우 반드시 제거해야 합니다.
나노 입자 분사(NPJ)는 분류하기 어려운 몇 안 되는 독점 기술 중 하나로, XJet이라는 회사에서 개발했습니다. 이 기술은 수천 개의 잉크젯 노즐이 있는 프린트헤드 어레이를 사용하여 수백만 개의 초미세 재료 방울을 빌드 트레이의 초박형 레이어에 동시에 분사하는 동시에 서포트 재료를 분사할 수 있습니다.
금속 또는 세라믹 입자가 액체에 부유합니다. 이 공정은 고온에서 진행되며, 분사 시 액체가 증발하여 대부분 금속 또는 세라믹 재료만 남게 됩니다. 결과물인 3D 부품에는 소량의 결합제만 남게 되며, 이 결합제는 소결 후처리 과정에서 제거됩니다.
바인더 제팅은 액체 접착제를 사용하여 특정 영역에 파우더 층을 선택적으로 결합하는 3D 프린팅 프로세스입니다. 이 유형의 기술은 파우더 베드 융합과 재료 분사의 특성을 결합한 기술입니다.
바인더 분사도 PBF와 마찬가지로 분말 재료(금속, 플라스틱, 세라믹, 목재, 설탕 등)를 사용하며 재료 분사처럼 잉크젯에서 액체 접착 폴리머가 증착됩니다. 바인더 분사 공정은 금속, 플라스틱, 모래 또는 기타 분말 재료에 관계없이 동일하게 유지됩니다.
먼저 코팅 블레이드가 빌드 플랫폼에 얇은 파우더 층을 번지게 합니다. 그런 다음 잉크젯 노즐이 장착된 프린트 헤드가 베드 위를 지나가면서 접착제 방울을 선택적으로 증착하여 파우더 입자를 서로 결합합니다. 한 층이 완성되면 빌드 플랫폼이 아래로 이동하고 블레이드가 표면을 다시 코팅합니다. 이 과정은 전체 조각이 완성될 때까지 반복됩니다.
바인더 제팅의 고유한 특징은 인쇄 과정에서 열이 발생하지 않는다는 점입니다. 접착제는 폴리머 파우더를 하나로 묶어주는 접착제 역할을 합니다. 프린팅 후 부품은 사용하지 않은 파우더로 둘러싸여 있으며, 일반적으로 굳어지도록 방치됩니다. 그런 다음 부품을 파우더 통에서 제거하고 여분의 파우더를 수거하여 재사용할 수 있습니다.
여기에서 일반적으로 프린터에서 코어나 몰드로 바로 사용할 수 있는 모래를 제외하고는 재료에 따라 후처리가 필요합니다. 파우더가 금속 또는 세라믹인 경우 열을 수반하는 후처리를 통해 접착제를 녹여 금속만 남깁니다. 플라스틱 부품 후처리에는 일반적으로 표면의 매끄러움을 개선하기 위한 코팅이 포함됩니다. 폴리머 바인더 분사 부품에도 연마, 도장 및 샌딩 작업을 수행할 수 있습니다.
바인더 젯팅은 속도가 빠르고 생산 속도가 높기 때문에 다른 3D 프린팅 방식에 비해 더 많은 부품을 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다. 금속 바인더 젯팅은 다양한 금속에 적용 가능하며 최종 사용 소비재, 공구 및 배치 예비 부품에 널리 사용됩니다.
그러나 폴리머 바인더 젯팅을 위한 재료 선택이 제한적이고 생산된 부품의 구조적 성능이 낮습니다. 풀 컬러 프로토타입과 모델을 제작할 수 있다는 점에서 그 가치가 있습니다.
바인더 제팅은 기존 제조 기술의 역량을 훨씬 뛰어넘어 복잡한 기하학적 형상의 단단한 금속 물체를 제조하는 데도 사용할 수 있습니다. 금속 바인더 제팅은 금속 부품을 대량 생산하고 경량화를 달성하는 데 매우 매력적인 기술입니다.
바인더 젯팅은 고체가 아닌 복잡한 패턴 충진으로 부품을 프린트할 수 있으므로 결과 부품은 훨씬 가벼우면서도 강도는 유지됩니다. 바인더 젯팅의 다공성 특성은 임플란트와 같은 의료 응용 분야에서 더 가벼운 최종 부품을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.
일반적으로 금속 바인더 분사 부품의 소재 성능은 금속 부품 대량 생산에 가장 널리 사용되는 제조 방법 중 하나인 금속 사출 성형으로 생산된 금속 부품과 비슷합니다. 또한 바인더 분사 부품은 특히 내부 채널에서 더 높은 표면 평활도를 나타냅니다.
금속 바인더 분사 부품은 우수한 기계적 특성을 얻기 위해 인쇄 후 2차 가공이 필요합니다. 프린터에서 갓 나온 부품은 기본적으로 폴리머 바인더로 결합된 금속 입자로 구성됩니다.
소위 '녹색 부품'이라고 불리는 이 부품은 너무 약해서 그대로 사용할 수 없습니다. 인쇄된 부품을 금속 분말 베드에서 제거한 후(디파우더링이라고 하는 공정) 용광로에서 열처리(소결이라고 하는 공정)를 거칩니다.
프린팅 파라미터와 소결 파라미터는 모두 부품의 특정 형상, 소재 및 필요한 밀도에 맞게 조정됩니다. 때로는 청동 또는 기타 금속을 사용하여 바인더 분사 부품의 공극에 침투하여 제로 다공성을 달성하기도 합니다.
플라스틱 바인더 제팅은 분말 및 액체 바인더를 사용한다는 점에서 금속 바인더 제팅과 매우 유사한 공정이지만 적용 분야는 상당히 다릅니다. 프린팅이 완료되면 플라스틱 부품을 파우더 베드에서 제거하고 세척하여 추가 가공 없이 바로 사용할 수 있지만 다른 3D 프린팅 공정에서 볼 수 있는 강도와 내구성이 부족합니다.
플라스틱 바인더 젯팅 부품에 다른 재료를 주입하여 강도를 높일 수 있습니다. 폴리머를 사용한 바인더 제팅은 의료용 모델링 및 제품 프로토타입 제작을 위한 다양한 색상의 부품을 제작할 수 있다는 점에서 선호됩니다.
모래 접착제 분사 방식은 사용되는 인쇄 기계와 공정 측면에서 플라스틱 접착제 분사 방식과 다르므로 분리해야 합니다. 접착식 분사 기술의 가장 일반적인 용도 중 하나는 대형 모래 주조 주형, 모델 및 코어의 생산입니다. 이 공정은 비용이 저렴하고 속도가 빠르기 때문에 기존 기술로는 복잡한 패턴 디자인을 몇 시간 내에 제작하기 어려운 파운드리에 탁월한 솔루션입니다.
산업 발전의 미래는 계약업체와 공급업체에게 끊임없이 높은 요구를 하고 있습니다. 모래 3D 프린팅은 이제 막 그 잠재력을 활용하기 시작했습니다. 프린팅 후 작업자는 제작 영역에서 코어와 몰드를 제거하고 청소하여 모래를 제거해야 합니다. 금형은 일반적으로 즉시 주조할 수 있도록 준비할 수 있습니다. 주조 후 금형을 깨고 최종 금속 부품을 제거합니다.
기존의 어떤 범주에도 속하지 않고 실제로 접착식 분사 방식이 아닌 또 다른 고유한 브랜드별 3D 인쇄 공정은 HP의 멀티 젯 퓨전입니다. MJF는 분말 재료, 액체 융합 재료 및 디테일링 에이전트를 사용하는 폴리머 3D 인쇄 기술입니다.
이 과정에서 열이 추가되어 강도와 내구성이 뛰어난 부품이 생산되며 액체가 완전히 접착제가 아니기 때문에 접착제 분사라고 할 수 없습니다. 이 공정의 이름은 인쇄 공정에 사용되는 여러 개의 잉크젯 헤드에서 유래했습니다.
멀티 젯 퓨전 인쇄 프로세스 중에 프린터는 프린트 베드에 재료 파우더(보통 나일론)를 층층이 쌓습니다. 그 후 잉크젯 헤드가 파우더 위를 통과하여 퓨전 에이전트와 디테일 에이전트를 그 위에 놓습니다. 그런 다음 적외선 가열 장치가 인쇄물 위로 이동합니다. 퓨전 에이전트가 추가되는 곳마다 기본 레이어는 함께 녹고 디테일링 에이전트가 있는 영역은 가루로 남습니다.
가루 부분이 떨어져 나가면서 원하는 기하학적 모양이 만들어집니다. 또한 아래쪽 레이어가 그 위에 프린트된 레이어를 지지하므로 모델링 서포트가 필요하지 않습니다. 프린팅 프로세스를 완료하기 위해 전체 파우더 베드와 그 안에 인쇄된 부품은 별도의 처리 스테이션으로 이동되며, 여기서 녹지 않은 대부분의 파우더는 재사용을 위해 진공 청소기로 제거됩니다.
멀티 제트 퓨전은 자동차, 의료, 소비재 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있는 다목적 기술입니다.
방향성 에너지 증착(DED)은 3D 프린팅 공정으로, 다음과 같은 장점이 있습니다. 금속 소재 에 강력한 에너지를 공급하고 동시에 녹이는 방식입니다. 이는 재료의 형태(와이어 또는 분말)와 에너지 유형(레이저, 전자빔, 아크, 초음속, 열 등)에 따라 많은 하위 범주를 포함하는 가장 광범위한 3D 프린팅 범주 중 하나입니다. 기본적으로 용접과 많은 유사점이 있습니다.
이 기술은 레이어별 프린팅에 사용되며, 일반적으로 더 엄격한 허용 오차를 얻기 위해 CNC 가공이 뒤따릅니다. DED와 CNC의 조합은 매우 일반적이며, 하이브리드 3D 프린팅이라고 하는 3D 프린팅의 하위 유형에서는 동일한 기계에 DED와 CNC 유닛이 포함되어 있습니다.
이 기술은 소량 금속 주조 및 단조에 대한 빠르고 저렴한 대안으로 해양 석유 및 가스 산업, 항공 우주, 발전 및 유틸리티 부문의 응용 분야에서 핵심적인 수리로 간주됩니다.
레이저 금속 증착(LMD) 또는 레이저 엔지니어링 네트 성형(LENS)이라고도 하는 레이저 지향 에너지 증착(L-DED)은 하나 이상의 노즐을 통해 전달된 금속 분말 또는 와이어를 강력한 레이저로 빌드 플랫폼이나 금속 부품에 녹여 사용합니다. 노즐과 레이저가 움직이거나 다축 턴테이블에서 부품이 움직이면서 물체가 층층이 쌓입니다.
제작 속도는 파우더 베드 용융보다 빠르지만 표면 품질이 저하되고 정확도가 크게 떨어지기 때문에 일반적으로 상당한 후처리가 필요합니다. 레이저 DED 프린터에는 일반적으로 산화를 방지하기 위해 아르곤 가스로 채워진 밀폐된 챔버가 있습니다. 반응성이 낮은 금속을 취급할 때는 국소 아르곤 또는 질소 가스만 사용하여 작동할 수 있습니다.
이 공정에 사용되는 일반적인 금속으로는 스테인리스 스틸, 티타늄, 니켈 합금이 있습니다. 이 프린팅 방법은 일반적으로 제트 엔진 블레이드와 같은 고급 항공우주 및 자동차 부품을 수리하는 데 사용되지만 전체 부품을 생산하는 데도 사용됩니다.
와이어 전자빔 에너지 증착이라고도 하는 전자빔 DED는 레이저 DED와 매우 유사한 3D 프린팅 공정입니다. 진공 챔버에서 진행되며 매우 깨끗하고 고품질의 금속을 생산할 수 있습니다. 금속 와이어가 하나 이상의 노즐을 통과할 때 전자빔에 의해 녹습니다.
전자 빔이 와이어 피더에 의해 와이어가 공급되는 작은 용융 풀을 형성하여 층이 개별적으로 구축됩니다. 고성능 및 활성 금속(구리, 티타늄, 코발트 및 니켈 합금 등)을 취급할 때는 전자 빔이 DED용으로 선택됩니다.
DED 기계는 사실상 프린트 크기에 제한이 없습니다. 예를 들어 3D 프린터 제조업체인 Sciaky는 시간당 3~9킬로그램의 재료로 거의 6미터 길이의 부품을 생산할 수 있는 EB DED 장비를 보유하고 있습니다.
전자 빔 DED는 가장 정밀하지는 않지만 금속 부품을 제조하는 가장 빠른 방법 중 하나로 선전되고 있어 대형 구조물(예: 기체) 또는 교체 부품(예: 터빈 블레이드) 제작에 이상적인 기계 가공 기술입니다.
와이어 아크 적층 제조(WAAM)라고도 하는 와이어 방향 에너지 증착은 플라즈마 또는 전기 아크 형태의 에너지를 사용하여 금속을 와이어 형태로 녹인 다음 로봇 팔로 다축 턴테이블과 같은 표면에 한 층씩 증착하여 형상을 형성하는 3D 프린팅의 한 형태입니다.
이 방법은 밀폐된 챔버가 필요하지 않고 기존 용접에 사용되는 것과 동일한 금속(때로는 완전히 동일한 재료)을 사용할 수 있기 때문에 레이저나 전자빔을 사용하는 유사한 기술보다 선택됩니다.
전기 직접 에너지 증착은 기존 기술을 사용할 수 있기 때문에 DED 기술에서 가장 비용 효율적인 선택으로 간주됩니다. 아크 용접 로봇과 동력원을 사용하여 진입 장벽이 상대적으로 낮습니다.
그러나 용접과 달리 이 기술은 복잡한 소프트웨어를 사용하여 로봇 팔의 열 관리 및 공구 경로를 비롯한 공정 중 다양한 변수를 제어합니다. 이 기술은 제거할 지지 구조물이 없으며, 엄격한 공차 또는 표면 연마를 위해 필요한 경우 완성된 부품은 일반적으로 CNC 가공됩니다.
콜드 스프레이 코팅은 금속 분말을 초음속으로 분사하여 녹지 않고 서로 결합하여 열 균열이나 응력을 거의 없애는 DED 3D 프린팅 기술입니다.
2000년대 초반부터 코팅 공정으로 사용되어 왔지만, 최근에는 일반적인 금속 3D 공정보다 50~100배 빠른 속도로 프린팅할 수 있고 불활성 가스나 진공 챔버가 필요하지 않아 여러 회사에서 적층 제조에 콜드 스프레이 코팅을 사용하기 시작했습니다.
모든 DED 공정과 마찬가지로 냉간 분무 코팅은 표면 품질이나 디테일이 좋은 인쇄물을 만들지는 못하지만 프린트 베드에서 바로 부품을 사용할 수 있습니다.
용융 지향 에너지 증착은 열을 사용하여 금속(일반적으로 알루미늄)을 녹인 다음 빌드 플레이트에 한 층씩 증착하여 3D 물체를 형성하는 3D 프린팅 프로세스입니다. 이 기술과 금속 압출 3D 프린팅의 차이점은 압출은 내부에 소량의 폴리머가 포함된 금속 공급 원료를 사용하여 금속을 압출할 수 있다는 점입니다.
그런 다음 열처리 단계에서 폴리머를 제거하는 반면, 용융 DED는 순수한 금속을 사용합니다. 용융 또는 액체 DED는 재료 분사에도 비유할 수 있지만, 일련의 노즐이 물방울을 증착하는 대신 일반적으로 액체 금속이 노즐에서 흘러나옵니다.
이 기술의 변형이 개발되고 있으며 용융 금속 3D 프린터는 드뭅니다. 열을 사용하여 금속을 녹여 증착하는 방식의 장점은 다른 DED 공정보다 에너지 사용량이 적고 금속 와이어나 고도로 가공된 금속 분말 대신 재활용 금속을 원료로 사용할 수 있다는 점입니다.
시트 라미네이션은 기술적으로는 3D 프린팅의 한 형태이지만 앞서 언급한 기술과는 크게 다릅니다. 라미네이션의 기능은 매우 얇은 재료 시트를 쌓고 적층하여 3D 개체 또는 스택을 생성한 다음 기계적으로 또는 레이저로 절단하여 최종 모양을 형성하는 것입니다.
재료 층은 종이, 폴리머, 금속 등 재료에 따라 열과 소리 등 다양한 방법을 사용하여 서로 융합할 수 있습니다. 부품을 적층한 다음 레이저 컷 또는 원하는 모양으로 가공할 때 다른 3D 프린팅 기술보다 더 많은 폐기물이 발생합니다.
제조업체는 박판 라미네이션을 사용하여 인쇄 공정 중에 사용되는 재료를 교체할 수 있으므로 배터리 기술 및 복합 재료 생산에 적합한 비기능성 프로토타입을 비교적 빠른 속도로 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다.
라미네이션은 3D 프린팅 기술의 한 형태로, 재료 시트를 서로 쌓아 접착한 다음 칼(또는 레이저 또는 CNC 라우터)을 사용하여 적층된 물체를 올바른 모양으로 자릅니다. 이 기술은 다른 3D 프린팅 기술의 비용이 낮아지고 속도와 사용 편의성이 크게 향상됨에 따라 오늘날에는 덜 일반적입니다.
점성 리소그래피 제조(VLM): VLM은 투명 전사 필름에 고점도 감광성 수지를 얇은 층으로 적층하는 BCN3D의 특허받은 3D 프린팅 공정입니다. 이 기계적 시스템을 통해 필름의 양면에서 수지를 적층할 수 있으므로 서로 다른 수지를 조합하여 다중 재료 부품과 쉽게 제거할 수 있는 지지 구조를 얻을 수 있습니다. 이 기술은 아직 상용화되지는 않았지만 적층 3D 프린팅 기술의 일종으로 볼 수 있습니다.
복합 재료 기반 적층 제조(CBAM): 스타트업 임파서블 오브젝트는 탄소, 유리 또는 케블라 패드를 열가소성 플라스틱과 융합하여 부품을 제조하는 이 기술에 대한 특허를 받았습니다.
선택적 라미네이션 복합 재료 제조(SLCOM): 현재 ETEC로 알려진 데스크톱 메탈이 소유하고 있는 EnvisionTEC은 2016년에 열가소성 플라스틱을 기본 재료로 사용하고 섬유 복합 소재를 직조하는 이 기술을 개발했습니다.
참고: 3D 프린팅 기술에는 다양한 유형이 있으며, 위는 3D 프린팅에서 가장 일반적인 7가지 유형의 적층 제조 기술이며 시중에 나와 있는 모든 3D 프린팅 기술을 다루지는 않습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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