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안녕하세요 오늘은 우리가 실 생활에서의 3D프린팅이 미치는 영향의 장점과 단점에 대해 알아봅니다.
3D 프린팅은 10년쯤 전부터 폭발적인 관심을 갖게 된 기술로 국내외를 불문하고 기업 단위에서 개인 단위까지 해를 거치며 상용화되고 있습니다.
3D 프린터 기술은 삼차원 형상 구현을 가능하게 하는 전도유망한 기술로. 종이에 텍스트를 인쇄하는 것과는 달리 입체로 모양을 만들 수 있다는 점에서 의미가 깊습니다.
컴퓨터 속의 2D자료를 3D입체로 만들기 위해서는 먼저 3D 도면이 있어야 합니다.
이 도면은 FUSION360 프로그램으로 작업하여 3D프린팅 기계에 입력한 후 필라멘트를 이용하여적층 방식으로 출력하게 됩니다.
적층 방식은 한 층 한 층 레이어를 쌓는 방식으로 층이 쌓여 형태를 만들어내는 방식입니다.
레이어 위에 새로운 레이어가 쌓아 올리는 방식입니다.
적층제조방식 : 적층제조(Additive Manufacturing)는 3D프린팅 기술을 제조업에 접목한 것으로써, 제조산업의 원자재, 부품, 제품을 생산하는 것을 말 합니다.
적층제조는 고밀도 열원을 이용해 형상을 3차원적으로 쌓아 올리는 제조기법 입니다.
3D 프린터를 활용한 개인별 제조방식의 시대가 도래하고 있으며, 이를 ‘제조업의 민주화’라 일컬 습니다.
3D프린터 저변화는 전자, 항공, 자동차, 의료,교육 등 기술집약형 산업의 재도약 기회를 부여할 것으로 전망 되고, 디지털데이터화가 이루어지는 디지털 시대의 개막과 함께 제조업과 정보통신 기술 융합을 통한 새로운 산업형태 출현을 예고하고 있습니다.
제품을 직접 제작, 생산, 소비하는 프로슈머(Prosumer)가 촉진되며, 수요처에서 즉시 생산을 하는 소비지 생산방식 확산에 의한 컨슈팩쳐러(Consufacturer)가 확산될 것으로 전망 됩니다. 더불어, 온라인 또는 공용제작 공간에서 소통해 창의적 결과물을 산출하는 집단지성 협업문화의 확산될 것으로 전망됩니다.
적층제조(Additive Manufacturing)는 3D프린팅 기술을 제조업에 접목한 것으로써, 제조산업의 원자재, 부품, 제품을 생산하는 것을 말 합니다.적층제조는 고밀도 열원을 이용해 형상을 3차원적으로 쌓아 올리는 제조기법 입니다. 또 적층제조방식은 기존의 제조방식과 대비하여 아래와 같은 장점 및 단점이 있습니다. 적층제조의 고도화 및 첨단화를 달성하기 위하여 아래의 기술 개발이 필요합니다.
3D 프린팅은 다양한 분야에서 실생활에 큰 영향을 미치고 있으며, 그 장점과 단점이 뚜렷합니다.
장점
- 개인화와 맞춤형 제작: 의료, 패션, 인테리어 등 여러 분야에서 개인 맞춤형 제품을 손쉽게 제작할 수 있습니다. 예를 들어, 환자 맞춤형 의료 기기나 보철물, 자신만의 디자인이 반영된 장식품 등을 제작할 수 있습니다.
- 비용 절감, 다품종소량생산 : 전통적인 제조 공정에서 필요한 금형이나 복잡한 설비 없이, 필요한 제품을 바로 제작할 수 있어 비용을 절감할 수 있습니다. 다품종소량생산가능으로 소량 제작에 적합한 방식이기 때문에 1, 2개의 제작도 가능합니다. 외관 디자인 테스트 등으로 양산 전 샘플 단계에서도 적용할 수 있습니다.
- 복잡한 형상 제작 : 복잡한 형상도 층별로 쌓아올리기 때문에 제한 없이 제작 가능합니다.
- 빠른 프로토타이핑: 아이디어를 즉각적으로 시제품으로 만들 수 있어, 제품 개발 주기를 단축시킬 수 있습니다. 이를 통해 신제품의 시장 반응을 빠르게 확인하고 개선할 수 있습니다.
- 환경적 이점: 필요한 만큼의 재료만 사용하기 때문에 폐기물이 줄어들며, 중간 유통 단계 없이 바로 제작이 가능해 탄소 배출도 줄일 수 있습니다.
- 소재 사용 효율성
절삭 가공 방식인 CNC와 비교했을 때 3D 프린팅은 소재 사용의 효율성이 높습니다. 절삭은 큰 덩어리에서 잘라내기 때문에 소재의 낭비가 큰 편이지만 적층 방식은 원하는 모양에만 소재를 녹여 층층이 쌓아 올리기 때문에 원하는 모양을 만들기에 필요한 양만 소재를 사용하게 됩니다.
- 기술 접근성 향상: 이제는 가정용 3D 프린터도 보급되어 누구나 원하는 물건을 설계하고 제작할 수 있는 기회가 늘어나고 있습니다.
- 쉬운 수정 : 3D 설계 변경으로 새로운 모양을 인쇄할 수 있기 때문에 간단하게 제작할 수 있습니다.
단점
- 제한된 재료와 내구성: 3D 프린터로 사용할 수 있는 재료가 제한적이며, 대부분의 경우 금속이나 고강도 재료로 된 전통적인 제품보다 내구성이 낮은 경우가 많습니다. 일부 재료는 환경에 해롭기도 합니다.
- 제작 시간: 대량 생산에는 적합하지 않으며, 복잡한 물체나 크기가 큰 물체는 시간이 많이 걸립니다. 하나의 제품을 만드는데 수 시간이 걸릴 수 있습니다.
- 저작권 및 보안 문제: 누구나 쉽게 물건을 복제할 수 있기 때문에, 특정 디자인이나 브랜드의 저작권 침해 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 저작권이 있는 물건을 무단으로 복제하는 사례가 늘어날 위험이 있습니다.
- 비용 문제: 가정용 3D 프린터는 비교적 저렴하지만, 산업용 3D 프린터나 고성능 장비는 여전히 고가입니다. 또한 고품질 재료나 소프트웨어를 사용하는 경우에도 상당한 비용이 듭니다.
- 전문성 요구: 3D 프린팅 기술을 사용해 좋은 품질의 결과물을 얻기 위해서는 CAD 소프트웨어 사용 능력, 3D 모델링, 기계 조작 등 전문 지식이 필요합니다.
3D 프린팅 기술은 실생활에서의 활용도를 높여주고 많은 가능성을 제공하지만, 여전히 해결해야 할 과제들이 남아 있습니다. 장점을 극대화하고 단점을 보완하는 방향으로 기술이 발전할 것으로 기대됩니다.
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소량 생산을 하기 위한 3D 프린팅, CNC 작동 원리 및 비교
틀의 형태를 제작해서 같은 모양으로 여러번 만들어내는 금형 방식과는 달리 3D 프린팅 기술은 츨력방식이기 때문에 대표적인 다품종 소량 제작 기술로 알려져 있습니다.
제조 과정에서 소량 제작 방식인 CNC 가공방식도 소량 제작에 특화되어 있지만 큰 금형을 깎아가면서 모양을 만들어낸다는 아주 큰 차이점이 있습니다.
프린팅은 한층 한층 층을 쌓아서 모양을 만드는 적층 원리(addictive manufacturing)이지만
CNC는 깎아내면서 모양을 만드는 절삭 원리(subtractive manufacturing)입니다.
두가지 모두 각각 장단점을 가지고 있습니다.
. 3D 프린팅이 재료 사용과 시간 측면에서 효율이 더 높기는 하지만 CNC 가공은 정밀도가 높고 강도도 높은 편입니다.
각각의 상황에 맞는 작업 방법을 선택해야 할 것입니다.
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3D 프린터에 사용되는 소재는 다양하며 각각의 특성과 용도가 다릅니다.
주요 3D 프린터 소재는 다음과 같습니다:
- PLA (Polylactic Acid): 생분해성이며, 사용하기 쉽고 환경 친화적입니다. 주로 프로토타입 제작이나 장식용 모델에 사용됩니다.
- ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): 내열성이 뛰어나고 강도가 높아 실용적인 부품 제작에 많이 사용됩니다. 다만, 출력 시 유독한 가스를 발생할 수 있어 통풍이 잘 되는 공간에서 사용하는 것이 좋습니다.
- PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol): 강하고 내구성이 좋으며, 화학적 저항성이 뛰어납니다. 식품 접촉이 가능한 경우도 있어 용기 제작에 적합합니다.
- TPU (Thermoplastic Polyurethane): 유연하고 신축성이 뛰어나며, 고무와 같은 느낌을 줍니다. 주로 기능성 부품이나 케이스 제작에 사용됩니다.
- Nylon: 내구성과 강도가 높으며, 마모 저항성이 뛰어나기 때문에 기계 부품에 적합합니다. 그러나 수분 흡수에 주의해야 합니다.
- Resin (레진): SLA(광경화 수지 인쇄)에 사용되며, 고해상도의 상세한 출력이 가능합니다. 주로 주얼리나 의료용 부품에 사용됩니다.
3D 프린팅은 광범위한 응용 분야에서 신속하고 비용 효율적인 프로토타입 제작과 파트 생산으로 생산성을 향상할 수 있는 기술입니다. 그러나 적절한 3D 프린팅 공정을 선택한다고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아닙니다. 궁극적으로 원하는 기계적 물성이나 기능적 특성, 외형을 갖춘 파트의 생산 가능 여부는 대부분 소재에 달려 있습니다.
플라스틱 소재의 유형
플라스틱에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
- 열가소성 플라스틱은 가장 흔하게 사용되는 유형입니다. 이 유형이 플라스틱과 열경화성 플라스틱을 가르는 주요 특성은 용융과 응고 주기를 수도 없이 거쳐도 되는 능력입니다. 열가소성 플라스틱을 가열하면 원하는 형태로 성형할 수 있습니다. 화학 결합이 일어나지 않아 가역적인 과정이며 재활용하거나 녹여서 재사용할 수 있습니다. 용융, 재응고, 재용융이 가능한 열가소성 플라스틱은 일반적으로 버터에 비유합니다. 각 용융 주기에 따라 특성이 약간 변합니다.
- 열경화성 플라스틱(열경화성 수지로도 지칭)은 경화 후 영구적으로 고체 상태가 됩니다. 열경화성 소재 중 폴리머는 열이나 빛, 적절한 방사선으로 경화하는 과정에서 가교 결합을 일으킵니다. 열경화성 플라스틱을 가열하면 녹는 대신 분해되어 냉각하더라도 다시 응고하지 않습니다. 열경화성 플라스틱은 재활용하거나 소재를 기본 구성 성분으로 되돌릴 수 없습니다. 열경화성 소재는 케잌 반죽 같아서 한 번 케잌으로 굽고 나면 다시 녹여서 반죽으로 만들 수 없습니다.
플라스틱 3D 프린팅 공정
다음은 오늘날 가장 인정받는 플라스틱 3D 프린팅 공정입니다.
- 용융 적층 모델링 방식(FDM) 3D 프린터는 열가소성 플라스틱 필라멘트를 용융한 후 압출하며 프린터 노즐이 빌드 공간에 압출된 플라스틱을 레이어 형식으로 한 겹 한 겹 적층합니다.
- 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터는 레이저를 사용하여 액체 레진을 경화 플라스틱으로 경화하며 이 프로세스를 광중합(photopolymerization)이라고 합니다.
- 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린터는 열가소성 플라스틱 분말 소자를 용융하는 데 고출력 레이저를 사용합니다.