3D 프린팅의 이해 프로세스 및 주요 특징
3D 프린팅이 어떻게 발전하여 제조업에 혁명을 일으켰는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 분말로 시작된 3D 프린팅의 기원에서부터 3D 프린팅의 주요 프로세스와 특징에 대해 자세히 살펴봅니다.
책상에서 원하는 것을 한 겹 한 겹 만들어낸다고 상상해 보세요. 3D 프린팅의 세계에 오신 것을 환영합니다! 적층 제조라고도 하는 이 혁신적인 기술은 단단한 블록을 깎아내는 기존의 방식을 거치지 않고 재료를 한 층씩 추가하여 물체를 제작합니다. 이 글에서는 3D 프린팅의 작동 원리와 다양한 방법, 그리고 항공우주, 의학, 제조와 같은 분야에서 3D 프린팅의 놀라운 응용 분야를 살펴봅니다. 3D 프린팅이 생산과 디자인의 미래를 어떻게 변화시키고 있는지 알아볼 준비를 하세요.
일반적으로 3D 프린팅 기술로 알려진 적층 제조(AM)는 기존의 재료 환원 제조와는 다른 신속한 프로토타입 제작 기술입니다.
프린터와 유사한 디지털 제조 장비를 사용하여 모델의 디지털 3차원 스캐닝 및 레이어 처리를 통해 재료를 지속적으로 중첩하여 필요한 솔리드 모델을 형성합니다.
적층 제조 흐름도:
3D 프린팅 기술은 1986년 찰스 헐이 광조형(SLA)이라는 공정으로 처음 개발한 후 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 마이크로 제트 접합 기술(3DP) 등의 기술을 발전시켰습니다.
21세기에 접어든 이래 3D 프린팅 기술은 새로운 돌파구를 마련하고 발전해 왔으며, 대형 기술의 세분화 아래 특정 산업의 요구를 충족하는 많은 소형 기술이 탄생했습니다.
예를 들어, SLA 기술: 디지털 광 처리(DLP), 다중 분사 기술(Ployjet), SLM 기술: 다이렉트 금속 레이저 소결(DMLS).
현재 항공 우주, 의료 장비, 건설, 자동차, 에너지, 보석 디자인 및 기타 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
타임지에서는 적층 가공을 "미국에서 가장 빠르게 성장하는 10대 산업"으로 선정했습니다.
영국의 이코노미스트지는 "다른 디지털 생산 방식과 함께 3차 산업혁명의 실현을 촉진"하고 미래의 생산 및 생활 방식을 바꾸고 상품 제조 방식을 바꾸고 세계 경제 패턴을 바꾸고 인류의 삶을 변화시킬 것이라고 믿습니다.
이전 산업 혁명의 기술 시스템 분석
| 산업 혁명 | 특징 | 이론적 근거 | 에너지 / 전원 장치 | 제조 패러다임 | 제조 패러다임 |
| 최초의 산업 혁명 (1750-1850) | 기계화 | 스팀 엔진 | 오리지널 동등한 재료 제조 및 감소된 재료 제조 | 단일 머신 생산 | |
| 두 번째 산업 혁명 (1850-1950) | 전기화 | 확실성과 표준화에 기반한 기계적 감소 이론 | 석유화학 동력/내연기관, 모터 | 현대적이고 동등한 재료 제조 | 조립 라인 기반 대량 생산 |
| 세 번째 산업 혁명 (1950-2020) | 디지털화 | 사이버네틱스 + 시스템 이론 | 제트 발전, 원자력 | 현대적이고 동등한 재료 제조 | 컴퓨터 기반 자동 생산 |
| 4차 산업 혁명 (2020-2080?) | 지능화 | 시스템 + 사이버네틱스 + 정보 이론 | 제어 핵융합 기반 재생 에너지/발전소 | 적층 가공 기반 공정 통합 | 산업용 인터넷 기반 지능형 공장 |
3D 프린팅은 기존 제조 기술(축소 재료 제조)에 비해 미리 금형을 만들거나 제조 과정에서 많은 양의 재료를 제거할 필요가 없으며, 복잡한 단조 공정 없이 최종 제품을 얻을 수 있습니다.
"곰팡이 제거, 폐기물 감소, 재고 감소"라는 특징이 있습니다.
생산 과정에서 구조를 최적화하고 재료와 에너지를 절약하며 제조 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
이 기술은 신제품 개발, 신속한 단품 및 소량 배치 부품 제조, 복잡한 형상의 부품 제조, 금형 설계 및 제조 등입니다.
동시에 가공이 어려운 재료의 제조, 형상 설계 검사, 조립 검사 및 신속한 리버스 엔지니어링에도 적용할 수 있습니다.
3D 프린팅 기술 및 주요 기업의 발명 시기
| SLA | 발명가 찰스 헐 (1984) 지배적인 기업: 아메리카 3D 시스템, 리안타이 테크놀로지 |
| LOM | 발명가 마이클 페이진(1986) 지배적인 기업: 아메리카 헬리시스 |
| FDM | 발명가 스콧 크럼프(1988) 지배적인 기업: 미국 스트라타시스/3D시스템즈 |
| SLS | 발명가: C.R. 데차드 (1989) 지배적인 기업: 아메리카 3D시스템즈, 화슈 하이테크 |
| 3DP | 발명가 엠마누엘 삭스(1993) 지배적인 기업: 아메리카 지코퍼레이션 |
| SLM | 발명가 디터 슈바르제(1995) 지배적인 기업: 독일 SLM 솔루션, 볼라이트 |
| EBM | Inventor: Arcam AB (1997) 지배적인 기업: 스웨덴 Arcam AB |
| Polyjet3D | Inventor: 오브제(2000) 지배적인 기업: 이스라엘3D 시스템 |
적층 제조 공정에는 주로 3차원 디자인과 레이어별 프린팅이라는 두 가지 공정이 있습니다.
먼저 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 사용하여 모델링을 한 다음, 구축된 3차원 모델을 레이어별로 분할하여 프린터가 레이어별로 인쇄하도록 안내합니다.
디자인 소프트웨어와 프린터 간의 협력을 위한 표준 파일 형식은 STL 파일 형식입니다.
STL 파일은 삼각형 표면을 사용하여 오브젝트의 표면을 근사화합니다.
삼각형 표면이 작을수록 생성된 표면의 해상도가 높아집니다.
PLY는 스캔을 통해 생성된 3차원 파일을 스캔하는 스캐너입니다.
PLY에서 생성된 VRML 또는 WRL 파일은 풀컬러 인쇄를 위한 입력 파일로 자주 사용됩니다.
프린터는 문서의 단면 정보를 읽고 액체, 분말 또는 시트와 같은 재료로 단면을 한 층씩 인쇄한 다음 각 층의 단면을 다양한 방식으로 결합하여 모든 형태의 물체를 만들 수 있는 엔티티를 생성합니다.
적층 제조 기계의 인쇄 작업 다이어그램:
적층 제조 기계의 작동 원리는 기본적으로 일반 프린터와 동일하지만 인쇄 재료는 상당히 다릅니다.
일반 프린터의 인쇄 재료는 잉크와 종이인 반면, 적층 제조 기계에는 금속, 세라믹, 플라스틱, 모래 등 다양한 '인쇄 재료'가 포함되어 있습니다.
프린터가 컴퓨터에 연결되면 컴퓨터 제어를 통해 재료를 레이어별로 쌓을 수 있으며(레이어 처리 과정은 잉크젯 인쇄와 매우 유사), 마지막으로 컴퓨터의 청사진을 실제 물체로 바꿀 수 있습니다.
적층 제조 기계는 실제 3D 물체를 '인쇄'할 수 있는 일종의 장비입니다.
국제표준화기구 산하 적층 제조 기술 위원회에서 발행한 ISO/ ASTM 52900:2015 표준은 적층 제조 기술을 다음과 같은 7가지 범주로 분류합니다: 광조형(SLA)
원리는 고체 분말을 레이저로 층별로 선택적으로 소결하고 (주 금속 분말 외에 녹는점이 낮은 바인더 분말을 일정 비율 첨가해야하며, 바인더 분말은 일반적으로 녹는점이 낮은 금속 분말 또는 유기 수지 등) 소결 된 분말을 고화 분말 층에 중첩하여 최종적으로 원하는 모양의 부품을 형성하는 것입니다.
이 기술이 사용하는 핵심 장치는 적외선 레이저이며, 에너지 작업 환경은 아르곤 또는 질소 대기입니다.
제조 공정이 간단하고 생산 효율이 높으며 성형 재료의 종류가 많고 재료 활용률이 높으며 완제품의 사용 범위가 넓고 지원 시스템을 고려할 필요가 없다는 장점이 있습니다.
단점은 접착제의 작용으로 인해 개체에 기공이 있고 기계적 특성이 좋지 않으며 고온 재용융 및 재가공이 필요하다는 것입니다.
또한 제품을 장기간 보관하면 다음과 같은 방출로 인해 제품이 변형됩니다. 내부 스트레스표면 품질은 평균입니다. 운영 비용이 높고 장비 비용이 비쌉니다.
이 기술과 SLS 기술의 주요 차이점은 SLM은 레이저를 통해 금속 분말을 직접 가열하고 바인더 분말에 의존하지 않는다는 점입니다.
금속 분말은 용융 및 응고를 통해 야금 결합 효과를 달성하고 최종적으로 설계된 구조의 금속 부품을 얻습니다.
금속을 더 잘 녹이기 위해 SLM 기술은 금속 흡수율이 높은 레이저 빔을 사용해야 합니다.
따라서 일반적으로 Nd YAG 레이저(1.064μm) 및 파이버 레이저(1.09μm)와 같이 파장이 짧은 레이저 빔이 사용됩니다.
SLM 기술은 순수한 금속 분말을 사용하며 성형된 금속 부품의 밀도가 거의 100%에 달할 수 있다는 장점이 있습니다;
인장 강도와 같은 기계적 특성은 주조품보다 우수하며 단조품 수준까지 도달합니다;
밀도, 기계적 특성 및 성형 정확도가 SLS보다 우수합니다.
또 다른 기술인 선택적 전자빔 용융(EBM)은 SLM 기술과 유사하지만 고속 전자빔의 운동 에너지를 금속 용융의 열원으로 사용하여 열에너지로 변환하고 작업 환경이 진공이라는 점이 다릅니다.
전자빔을 열원으로 사용하면 레이저보다 높은 용융 온도를 얻을 수 있으며, 용광로 출력과 가열 속도를 조절할 수 있습니다.
내화성 금속을 녹이고 용융할 수 있습니다. 다른 금속.
그러나 낮은 금속 수율, 높은 비전력 소비, 엄격한 진공 요구 사항과 같은 단점도 있습니다.
이 기술의 작동 원리는 SLM의 작동 원리와 유사합니다.
용융 풀은 레이저 또는 기타 에너지원에 의해 증착 영역에서 생성되며 빠른 속도로 이동합니다.
재료는 분말 또는 와이어 형태로 노즐을 통해 고출력 레이저의 초점에 직접 분사됩니다.
녹인 후 필요한 부품을 형성하기 위해 층별로 증착합니다.
SLM 기술과 비교할 때 이 기술은 다음과 같은 장점이 있습니다:
첫째, 이 기능을 사용하면 레이저 헤드 와 공작물을 더 유연하게 움직일 수 있어 설계의 자유도가 높아집니다.
둘째, DED 장비의 작동에서 불활성 가스가 직접 흘러 나옵니다. 레이저 헤드 분말 흐름과 용융 풀을 둘러싸고 있습니다.
불활성 가스로 채워진 압력 챔버에 의존하지 않습니다.
3D 프린팅 프로세스를 즉시 시작할 수 있어 생산 준비 시간을 크게 단축할 수 있습니다.
셋째, 지지 구조 없이도 대형 부품을 생산할 수 있습니다.
단점은 용융 공정이 SLM만큼 정확하지 않으며 완성된 부품은 일반적으로 재작업해야 한다는 것입니다.
3DP 기술은 SLS 공정과 유사하며 세라믹과 석고 분말로 형성됩니다.
고체 분말을 레이저로 소결하여 소재 분말을 연결하는 것이 아니라 접착 프린트 헤드를 통해 부품의 단면 경로를 따라 투명 또는 컬러 접착제를 분사하여 분말을 고형화한다는 점에서 차이가 있습니다.
다른 위치의 파우더를 지지대로 사용한 다음 파우더 층을 깔아줍니다.
이 프로세스는 인쇄가 완료될 때까지 재활용됩니다.
3DP 기술이 주로 사용하는 핵심 장치는 접착식 프린트헤드로, 다양한 성형 재료, 적은 에너지 소비, 작은 장비 부피 등의 장점을 가지고 있습니다.
하지만 단점도 분명합니다.
접착제로 접착된 부품은 강도가 낮고 후처리가 필요하며 제품이 느슨하고 다공성입니다.
이스라엘 오브젯사가 개발한 폴리젯3D 기술은 3DP와 유사하지만 접착제가 아닌 감광성 폴리머 성형 재료를 분사하는 방식입니다.
현재 폴리젯3D 기술은 스트라타시스의 하이라이트가 되었습니다.
첫째, 다양한 기본 재료를 기계 외부에서 혼합할 수 있습니다. 신소재 를 조합하여 더 나은 성능을 얻을 수 있습니다.
둘째, 제품 정확도는 16 미크론의 해상도에 도달 할 수 있으며 부드럽고 매우 미세한 구성 요소와 모델을 얻을 수 있습니다.
마지막으로 이 기술은 널리 사용되며 다양한 형상, 기계적 특성 및 색상을 가진 부품의 인쇄에 적용할 수 있습니다.
예를 들어 폴리젯 매트릭스 기술은 여러 모델과 색상의 재료를 동시에 분사하는 것도 지원합니다.
작동 원리는 필라멘트 원료(일반적으로 열가소성 소재)를 와이어 피더를 통해 핫멜트 노즐로 보낸 다음 노즐에서 가열 및 용융하는 것입니다.
녹은 열가소성 소재 필라멘트가 노즐을 통해 압출되고 압출 헤드가 부품의 각 섹션의 윤곽을 따라 정확하게 움직입니다.
압출된 반유동 열가소성 소재는 실제 부품의 정확한 얇은 층으로 증착 및 응고되어 제작 부품을 덮습니다.
이러한 방식으로 솔리드 모델 또는 부품을 아래에서 위로 레이어별로 쌓아 올립니다.
이 기술은 주로 마이크로 노즐(일반적으로 직경 0.2-0.6mm)과 히터(반유동성 성형 재료의 온도를 녹는점보다 1°C만 높게 유지)에 의존합니다.
장점은 다음과 같습니다:
1. 레이저와 같은 고가의 부품이 필요 없고, 비용이 저렴하며 속도가 빠릅니다.
2. 사용 환경에 제한이 없습니다. 사무실이나 가정 환경에서 사용할 수 있습니다.
유지 관리가 간단하고 크기가 작으며 무공해입니다.
3. 소재 변경이 용이하고 강도와 인성이 높아 제품 개발 주기를 크게 단축하여 시장 변화에 빠르게 대응하고 고객의 맞춤형 요구를 충족시킬 수 있습니다.
그러나 낮은 부품 정확도, 복잡한 부품 및 대형 부품 성형의 어려움과 같은 결함도 있습니다.
이 방법은 종이 또는 플라스틱 필름과 같은 시트를 원재료로 사용합니다.
컴퓨터 스캔으로 얻은 부품의 단면에 따르면 뒷면에 핫멜트 접착제로 코팅 된 시트는 다음과 같이 절단됩니다. 레이저 커팅 부품의 윤곽에 따라
그 후 절단된 시트를 절단된 시트 위에 겹쳐서 열간 프레스 장치로 접착한 다음 부품의 다음 층의 단면을 절단하고 접착하여 단단한 부품을 형성합니다.
LOM 기술은 주로 핫멜트 접착제의 성능에 의존하는데, 이는 우수한 모델 지지력, 손쉬운 폐기물 박리, 대형 부품, 저비용 및 고효율의 장점을 가지고 있습니다.
단점은 인장 강도와 탄성이 좋지 않고 속이 빈 부품을 제작할 수 없다는 것입니다;
재료의 영향에 따라 LOM 기술로 인쇄된 부품은 수분을 흡수하고 팽창하기 쉬우며 표면에는 계단선이 있습니다.
SLA 기술의 원리는 컴퓨터의 제어하에 액체 감광성 수지의 표면을 부품의 각 층의 단면 데이터에 따라 자외선 레이저로 한 점씩 스캔하여 스캔 영역의 얇은 수지 층이 광중합 반응에 의해 경화되어 부품의 얇은 층을 형성하고 전체 부품이 제조 될 때까지 층별로 경화되는 방식입니다.
이 기술은 주로 UV 레이저와 적절한 감광성 소재를 사용합니다.
한편으로는 액체 수지 소재를 점과 선, 선과 선 사이에서 성형하고 경화하여 정밀도가 높고 표면 품질이 향상됩니다.
반면에 수지 소재 자체에는 제한된 강도, 강성 및 내열성과 같은 몇 가지 결함이 있어 장기 보관에 도움이 되지 않습니다.
수지의 경화 과정에서 수축이 발생하면 필연적으로 응력이나 변형이 발생합니다.
SLA 기술은 이전에 개발되어 현재 비교적 성숙해졌지만 SLA 장비 비용이 여전히 높고 유지 관리 및 사용 비용이 높으며 공작물의 지지 구조를 설계해야 합니다.
시중의 일반적인 3D 프린팅 방법에 대한 위의 요약에 따르면, 적층 제조 기술마다 일반적으로 재료, 에너지원, 성형 방법에서 차이가 있습니다.
적층 제조 기술의 선택은 다운스트림 산업에서 부품의 용도에 따라 달라집니다.
금속 적층 제조 기술은 일반적으로 항공 우주 분야에서 사용되는 반면, 비금속 적층 제조 기술은 자동차 가전, 의료 기기, 문화 및 창작 상품 등과 같은 다른 산업 공정 설계 분야에서 주로 사용되는 등 더 널리 사용됩니다.
재료 제조 감소와 재료 제조 증가의 비교
| 대비 | 전통적인 제조 공정 | 3D 프린팅 |
| 처리 원리 | 장비에 원재료를 고정하고 도구를 사용하여 원재료를 줄이거나 제거하여 성형합니다. 예: 선삭 및 철 절단. 또는 금형을 설계하고 재료를 주조합니다. | 인쇄된 모델을 디지털화하고, 모델을 슬라이스하고, 재료를 한 층씩 쌓아 올리는데, 예를 들어 레이저 소결 및 선택적 레이저 용융 옵션이 있습니다. |
| 재료 | 절단 공정에서 많은 폐자재가 발생하고, 불완전한 잉여 자재의 가치가 손상되며, 자재 활용률이 낮습니다. | 모델의 슬라이스 모양에 따라 재료를 레이어별로 추가합니다. 온디맨드 소모품으로 재료를 절약하세요. |
| Mould | 금형 설계에는 많은 시간이 소요되며, 금형 고장 및 재설계에 많은 시간이 소요될 위험이 있습니다. | 기존 도구, 고정 장치, 공작 기계 또는 금형 및 지지 구조가 필요하지 않아 시간이 절약됩니다. |
| 부품 구조 | 전통적인 통합 제조 공정은 다음을 채택합니다. 볼트 연결 그리고 리벳팅. 접합 구조는 조인트가 많고 부품이 많으며 조립이 복잡합니다. | 전체 구조가 직접 조립되어 부품 수를 줄이고, 구조물의 무게를 줄이며, 조인트가 적고, 밀봉이 우수합니다. 조립이 간단하고 생산 효율이 향상됩니다. |
| 부품 성능 | 부품은 도구에서 제거한 후 변형 및 구부러지기 쉽습니다. | 직접 성형, 부품의 굽힘 변형 없음 |
| 제품 디자인 | 제조 가이드 설계, 공정 절삭 및 모델 제작의 타당성에 따른 제품 설계. | 설계 가이드 제조를 통해 공정 절삭 및 모델 제작의 난이도를 고려하지 않고도 대담한 표면 및 캐비티 설계가 가능합니다. |
| 부품 수리 | 피팅 치수를 재측정하고 새 부품을 제조하여 교체합니다. | 수리를 위해 손상된 부품에 재료 추가 |
1980년대에 적층 제조 기술은 유럽과 미국에서 폭발적으로 성장하기 시작했습니다.
3D 프린팅 기술의 적용은 1986년 미국의 찰스 헐이 개발한 3차원 광경화(SLA) 기술로 거슬러 올라갑니다.
이후 20년 동안 적층 고체 제조(LOM), 용융 증착 성형(FDM) 등 수많은 3D 프린팅 기술 특허가 잇달아 나왔습니다.
한편 유럽과 미국에서는 3D 시스템, 스트라타시스, SLM 솔루션과 같은 혁신적인 3D 프린팅 기업이 점차적으로 생겨나고 있습니다.
3D 프린팅 기술은 유럽과 미국에서 일찍 시작되었기 때문에 30년 이상의 개발 기간을 거쳐 SLA(입체 광경화), SLS(선택적 레이저 소결) 및 기타 기술이 비교적 성숙해졌습니다.
고온 금속 소재 및 장비의 연구개발과 제조에 비교적 완벽합니다.
21세기 이후 적층 제조 기술은 디지털 광처리(DLP), 다중 제트 기술(Ployjet) 등 다양한 하위 분야에서 더욱 발전했습니다.
특수 3D 프린팅 재료와 3D 프린팅 장비도 등장했습니다.
현재 전 세계 3D 프린팅 산업은 기본적으로 원자재, 부품, 프로세스, 장비 및 서비스를 포괄하는 완전한 산업 체인을 형성하고 있습니다.
일부 주요 기업은 단일 장비 제조업체에서 설계부터 최종 부품 제조에 이르는 종합 솔루션 제공업체로 업그레이드되었습니다.
1986년 미국의 과학자 찰스 헐(Charles hull)이 최초의 상업용 3D 프린팅 기계를 개발했습니다.
1993년, MIT는 3D 프린팅 기술 특허를 획득했습니다.
1995년 Zcorp는 MIT로부터 유일하게 적층 제조 기계에 대한 허가를 획득하고 개발을 시작했습니다.
2005년, 업계 최초의 고해상도 컬러 적층 제조 기계인 Spectrum Z510을 성공적으로 개발했습니다.
2010년, 미국의 짐 코(Jim Kor) 팀은 세계 최초로 적층 제조 기계로 인쇄된 자동차 우비를 만들었습니다.
2011년, 영국 연구진이 세계 최초의 3D 초콜릿 프린터를 개발했습니다.
2011년 사우샘프턴 대학교의 엔지니어들은 세계 최초로 적층 재료로 만든 항공기를 개발했습니다.
2012년 스코틀랜드의 과학자들은 처음으로 적층 제조 기계를 사용하여 인간 세포를 이용해 인공 간 조직을 인쇄했습니다.
2013년, 텍사스 오스틴에 위치한 적층 제조 회사인 Solid Concepts는 적층 제조 금속 권총을 설계하고 제조했습니다.
2018년 러시아 우주비행사들은 국제우주정거장에서 3D 바이오 프린터를 사용하여 무중력 상태에서 실험용 쥐의 갑상선을 출력하는 실험을 시도했습니다.
2019년 샌디에이고 캘리포니아 대학교에서는 처음으로 쾌속 적층 제조 기술을 사용하여 중추 신경계 구조를 모방한 척수 발판을 제작했습니다.
신경 줄기세포를 심각한 척수 손상을 입은 쥐의 척추에 이식한 결과, 쥐의 운동 기능 회복에 성공했습니다.
복잡한 소형 금속 정밀 부품, 금속 크라운, 의료용 임플란트.
항공기의 복잡한 대형 금속 부품
항공우주 복합 금속 부품, 의료용 임플란트;
항공우주 대형 금속 부품
관련 읽기: 3D 레이저 프린팅: 적층 제조 공정 및 적용 가능한 재료
산업 제품 디자인 및 개발, 혁신적이고 창의적인 제품 생산, 정밀 주조용 왁스 몰드.
산업 제품의 설계 및 개발, 혁신적이고 창의적인 제품 생산.
항공우주용 엔지니어링 플라스틱 부품, 자동차 및 가전제품 주조용 샌드 코어, 의료용 수술 가이드 및 정형외과용 임플란트.
산업 제품 디자인 및 개발, 주조용 샌드코어, 의료용 임플란트, 의료용 모델, 혁신적이고 창의적인 제품, 건축.
산업 제품, 의료용 임플란트, 혁신적이고 창의적인 제품, 주조용 왁스 몰드의 설계 및 개발.
3D 프린팅 재료는 3D 프린팅 기술 발전의 중요한 물적 기반이며, 재료는 3D 프린팅 발전의 중요한 제약 조건입니다.
가 2019년 발표한 3D 프린팅 다운스트림 응용 산업 통계에 따르면, 자동차 산업이 16.4%로 가장 큰 비중을 차지했습니다;
가전제품과 항공우주 분야가 15.4%와 14.7%로 2위와 3위를 차지했습니다.
다운스트림 분야의 제품 특성에 따라 금속 및 복합 소재에 대한 수요가 많아 3D 프린팅 소재의 '티핑 포인트'가 될 것으로 예상됩니다.
일반 3D 프린팅에 사용되는 원료는 3D 프린팅 장비 및 공정을 위해 특별히 개발되어 일반 3D 프린팅과는 다릅니다. 금속 소재플라스틱, 석고, 수지 등입니다. 일반적으로 분말, 필라멘트, 층상, 액체 등의 형태가 있습니다.
적층 제조 기술은 다음과 같은 관점에서 분류할 수 있습니다. 재료 속성:
예를 들어, 액체 감광성 수지 재료는 광조형(SLA)에 사용됩니다;
적층 고체 제조(LOM)에는 종이 및 플라스틱 필름과 같은 시트 재료가 필요한 반면, 선택적 레이저 소결(SLS)과 선택적 레이저 용융(SLM)에는 주로 금속 및 세라믹 분말 재료가 사용됩니다.
| 몰딩 재료 | 3D 프린팅 및 성형 기술 |
| 열가소성 플라스틱 종이, 금속 필름, 플라스틱 필름 석고, 세라믹 파우더 액체 감광성 수지 금속, 합금, 열가소성 플라스틱, 세라믹 분말 | FDM LOM 3DP SLA\DLP\Ploy Jet SLS\DMS\SLM\EBM |
중공업 제품은 일반적으로 고온 및 부식에 강한 금속 소재.
중공업 제품의 요구를 충족하기 위해 3D 프린팅은 금속 분말에 가장 먼저 개발되고 가장 많이 투자되었습니다.
금속 분말은 일반적으로 고순도, 우수한 구형도, 좁은 입자 크기 분포, 낮은 산소 함량을 요구합니다.
현재 3D 프린팅에 사용되는 금속 분말 재료는 주로 티타늄 합금, 코발트 크롬 합금, 스테인리스 등이 있습니다. 강철 및 알루미늄 합금 재료와 보석 인쇄에 사용되는 금, 은 및 기타 귀금속 분말 재료를 추가합니다.
티타늄 합금 는 강도가 높고 내식성이 우수하며 내열성이 높아 항공기 엔진의 콜드 엔드 압축기 부품과 로켓, 미사일, 항공기의 다양한 구조 부품에 널리 사용됩니다.
또한 스테인리스 스틸 파우더는 내식성으로 인해 널리 사용됩니다. 3D 프린팅된 스테인리스 스틸 모델은 강도가 높아 대규모 품목을 프린팅하는 데 적합합니다.
현재 유럽과 미국은 소형 스테인리스 스틸, 초합금 및 기타 부품의 레이저 직접 성형을 실현하고 있습니다.
앞으로는 초합금과 티타늄 합금으로 만든 대형 금속 부품의 레이저 고속 성형이 주요 기술 방향이 될 것입니다.
엔지니어링 플라스틱은 산업용 부품이나 외피 재료로 사용되는 산업용 플라스틱으로 강도, 내충격성, 내열성, 경도 및 내노화성이 우수한 플라스틱을 말합니다.
엔지니어링 플라스틱은 현재 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 재료로 ABS 소재, PC 소재, 나일론 소재 등이 있습니다.
PC-ABS는 가장 널리 사용되는 열가소성 엔지니어링 플라스틱 중 하나입니다.
ABS의 인성과 PC 소재의 높은 강도 및 내열성을 가지고 있어 자동차, 가전, 통신 산업에서 주로 사용됩니다.
이 소재로 만든 샘플의 강도는 기존 부품보다 약 60% 더 높습니다.
산업에서 PC-ABS 소재는 일반적으로 개념 모델, 기능적 프로토타입, 제조 도구 및 최종 부품과 같은 열가소성 부품을 인쇄하는 데 사용됩니다.
PC-ISO는 의료 및 보건 인증을 통과한 흰색 열가소성 플라스틱 소재입니다.
강도가 높아 수술 시뮬레이션, 두개골 수리, 치과 및 기타 전문 분야와 같은 제약 및 의료 기기 산업에서 널리 사용됩니다.
감광성 수지는 일반적으로 액체이므로 특정 파장의 자외선 아래에서 즉시 중합 반응을 일으켜 경화를 완료할 수 있으며 고강도, 고온 내성 및 방수 소재를 만드는 데 사용할 수 있습니다.
Somos 19120 소재는 특수 주조 소재인 분홍색입니다.
성형 후 정밀 주조의 왁스 필름 프로토 타입을 직접 대체하고 금형 발생 위험을 피할 수 있으며 회분 유지율이 낮고 정밀도가 높은 특성을 가지고 있습니다.
Somos의 다음 소재는 흰색 소재입니다. 인성이 매우 우수한 새로운 유형의 PC 소재입니다. 기본적으로 선택적 레이저 소결(SLS)로 만든 나일론 소재의 성능을 충족할 수 있으며, 정확도와 표면 품질이 더 우수합니다.
이 소재로 만든 부품은 정교한 가공, 정확한 크기, 아름다운 외관 등 광경화 3차원 모델링 소재의 장점을 유지하면서 현존하는 최고의 강성과 인성을 갖췄습니다.
주로 자동차, 가전제품, 전자 소비재 분야에서 사용됩니다.
고강도, 고경도, 고온 저항성, 저밀도, 우수한 화학적 안정성, 내식성 및 기타 우수한 특성을 가지고 있으며 항공 우주, 자동차, 생물학 및 기타 산업에서 널리 사용됩니다.
기존 기술에서는 복잡한 세라믹 부품을 금형으로 성형해야 하는데, 이는 가공 비용이 높고 개발 주기가 길며 지속적인 제품 업데이트 요구를 충족하기 어렵습니다.
3D 프린팅에서는 세라믹 분말을 처리하는 데 선택적 레이저 소결(SLS)을 사용하여 번거로운 설계 단계를 없애고 신속한 제품 프로토타입 제작을 실현할 수 있습니다.
이 소재에는 특정 결함이 있습니다. SLS는 레이저 소결 세라믹 분말과 특정 바인더 분말을 혼합하여 사용합니다.
레이저 소결 후 세라믹 제품은 후처리를 위해 온도 제어 용광로에 넣어야 합니다.
또한 세라믹 분말을 레이저로 직접 빠르게 소결하면 액상의 표면 장력이 높고, 급속 응고 과정에서 큰 열 응력이 발생하여 더 많은 미세 균열이 형성됩니다.
최근에는 컬러 석고 소재, 인공 뼈 분말, 세포 생물학적 소재, 설탕과 같은 식품 소재도 3D 프린팅 분야에 적용되고 있습니다.
컬러 석고 소재는 풀컬러 3D 프린팅 소재입니다.
파우더 미디어에 층층이 인쇄하는 성형 원리에 따라 3D 프린팅 제품 가공 후 표면에 바위처럼 보이는 미세 입자 효과가 나타나고 곡면에는 고리 모양의 미세한 텍스처가 나타날 수 있습니다.
따라서 애니메이션 인형 및 기타 분야에서 주로 사용됩니다.
미국 펜실베니아 대학교에서 인쇄한 신선육은 실험실에서 배양한 세포 배지를 사용하여 신선육과 유사한 대체 물질을 생성하고, 수성 솔을 결합제로 사용한 다음 특수 당 분자와 결합하여 만들어집니다.
아직 개념 단계에 있는 인간 세포로 만든 생물학적 잉크와 동일한 특수 생물학적 종이도 있습니다.
인쇄할 때 생물학적 잉크는 컴퓨터의 제어하에 생물학적 종이에 분사되어 결국 다양한 장기를 형성합니다.
식자재 측면에서 현재 설탕 3D 프린터는 가열 된 설탕을 분사하여 다양한 모양의 디저트를 아름답고 맛있게 직접 만들 수 있습니다.
기존 적층 제조용 특수 소재에는 금속 소재, 무기 비금속 소재, 유기 고분자 소재, 바이오 소재 등이 있습니다.
그러나 적층 제조 기술의 적용은 단일 재료의 수가 적고 성능이 충분하지 않아 심각한 제약을 받고 있습니다.
현재 업계 리더와 일부 소재 기업은 특수 소재 분야를 차례로 개척하여 새로운 폴리머 복합 소재, 고성능 합금 소재, 생체 활성 소재, 세라믹 소재 및 기타 특수 소재를 돌파했습니다.
관련 기업은 나노 재료, 탄소 섬유 재료 및 기타 재료를 기존 재료 시스템과 결합하고 다기능 나노 복합재, 섬유 강화 복합재, 무기 충전재 복합재, 금속 충전재 복합재, 폴리머 합금 및 기타 복합재를 개발하여 재료에 다기능 특성을 부여 할뿐만 아니라 적층 제조 기술의 적용 분야를 넓혀 복합재를 특수 재료의 개발 트렌드 중 하나로 만듭니다.
재료를 줄이는 전통적인 제조 방법 (재료를 제거하는 가공 방법)에 비해 절단 도구), 적층 제조(적층 가공)에는 많은 장점이 있습니다:
전통적인 방법으로 모델을 만드는 데는 모델의 크기와 복잡성에 따라 일반적으로 며칠이 걸리는 반면, 3D 프린팅 기술을 사용하면 프린터의 성능과 모델의 크기와 복잡성에 따라 시간을 몇 시간으로 단축할 수 있습니다.
기존 금속 제조 기술에 비해 적층 제조 기계는 금속을 제조할 때 부산물이 적게 발생합니다.
인쇄 재료의 발전으로 '그물 모양' 제조는 보다 환경 친화적인 가공 방법이 될 수 있습니다.
기존의 환원 소재 제조는 공정에 한계가 있습니다. 복잡한 모양 적층 가공은 복잡한 구조물을 제조하여 제품 성능을 향상시킬 수 있으며 항공 우주, 금형 가공 및 기타 분야에서 비교할 수 없는 장점을 가지고 있습니다.
1984: 찰스 헐이 최초의 3D 프린팅 기술 SLA를 개발했습니다.
1986: LOM 기술 개발 및 3D 시스템 구축
1988: FDM 기술 형성
1989년: SLS 기술 개발, 스트라타시스 및 EOS 설립
1992년: 3DP 기술이 개발되고 3D 시스템에서 최초의 3차원 광경화 성형기를 제조했습니다.
2002년: 최초의 인체 장기인 신장을 3D 프린팅했습니다.
2006년: 최초의 SLS 프린터 탄생
2009년: 메이커봇에서 제작한 3D 프린터 키트 출시
2011년: 머티리얼라이즈사가 최초로 금은 주얼리 프린팅 서비스를 제공합니다.
2012: 3D 프린팅 대기업 스트라타시스와 오브젯의 합병
2013: 중국 최초의 3D 프린팅 항공기 티타늄 합금 대형 메인 베어링 부품 개발
2016: 2016년: GE가 두 개의 3D 프린팅 대기업인 Concept laser와 Arcam을 인수했습니다.
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.
KO 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU