3D 프린팅(2) : 공정

드론/쿼드콥터/3D 프린팅 2014. 12. 5. 14:58 Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

이 글은 위키피디아의 내용을 번역한 것입니다. 잘 이해가 안되는 부분은 제 맘대로 번역을 했으므로, 내용이 의심스러운 부분은 원문을 참조하시기 바랍니다.


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공정(Process)


1970년대 후반부터 여러가지 3D 프린팅 공정이 개발되었다. 대부분의 프린터는 크기가 크고 가격도 비싸며, 생산품목도 한정되었다.



현재는 다양한 적층식 공정이 존재한다. 공정간의 차이점은 주로 부품을 생산하기 위해 레이어를 쌓아올리는 방법과 재료이다. SLM(selective laser melting, 선택적 레이저 용융법), DMLS(direct metal laser sintering, 직접 금속 레이저 소결법), SLS(selective laser sintering, 선택적 레이저 소결), FDM( fused deposition modeling, 용융증착모델링법) 등은 재료를 녹이거나 부드럽게 하여 적층을 하는 반면, SLA(stereolithography)과 같은 경우에는 여러가지 복잡한 기술을 사용하여, 액체 재료를 경화시킨다. 


LOM(laminated object manufacturing, 박층 물체제조)는 (종이나 폴리머, 금속 등) 얇은 층을 원하는 형태로 잘라서 서로 붙이는 방식이다. 각각의 방식은 장단점이 있으며, 따라서 분말형 재료와 수지형 재료를 모두 제공해주는 회사도 있다. 또 어떤 회사는 표준 업무용 종이를 사용하여 견고한 프로토타입을 제작하기도 한다. 3D 프린터를 선택할 때는, 프린터의 속도 및 가격, 부품 제작비용, 재료의 비용 및 종류, 색상 사용가능성 등을 고려해야 한다.


금속을 사용할 수 있는 프린터는 가격이 높다. 그러나 경우에 따라서는 저렴한 프린터로 주형을 제작하고 이를 사용하여 금속부품을 제작하는 방법을 사용한다.


TypeTechnologiesMaterials
Extrusion
압출
Fused deposition modeling (FDM)Thermoplastics (e.g. PLAABS), HDPEeutectic metals, edible materials, Rubber (Sugru), Modeling clay,PlasticineRTV siliconePorcelainMetal clay (including Precious Metal Clay)
RobocastingCeramic MaterialsMetal alloycermetmetal matrix compositeceramic matrix composite

Wire

Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3)Almost any metal alloy

Granular
입자식

Direct metal laser sintering (DMLS)Almost any metal alloy
Electron-beam melting(EBM)Almost any metal alloy including Titanium alloys
Selective laser melting(SLM)Titanium alloysCobalt Chrome alloysStainless Steel, Aluminium
Selective heat sintering(SHS) [29]Thermoplastic powder
Selective laser sintering(SLS)Thermoplasticsmetal powdersceramic powders
Powder bed and inkjet head 3D printing
분말-잉크젯
Plaster-based 3D printing (PP)Plaster
Laminated
박층
Laminated object manufacturing (LOM)Paper, metal foilplastic film
Light polymerised
감광성 수지
Stereolithography (SLA)photopolymer 광폴리머
Digital Light Processing(DLP)

photopolymer 광폴리머


압출 층착법(Extrusion deposition)


FDM(Fused deposition modeling, 용융적층모델링)은 1980년대 후반 S. Scott Crump에 의해 개발되었으며, 1990년 Stratasys에서 상업화하였다. 이 기술에 대한 특허가 말소된 후, 오픈소스 개발그룸이 많이 생겨났으며, 이러한 형태를 활용한 상업적 및 DIY 를 막론하고, 다양한 제품이 등장하였다. 그 결과 이 기술의 가격은 최초에 비해 1/100 수준으로 떨어졌다.


FDM 방식은 원재료를 아주 가늘게 압출하여 즉시 굳히는 방식으로 모델/부품을 제작한다. 코일에 감겨져 있는 열가소성 필라멘트나 금속선이 풀리면서 압출 노즐 헤드로 공급된다. 노즐헤드에서는 원재료를 가열한다. 일반적으로 스텝모터나 서보모터를 사용하며 압출헤드를 이동시키고 압출량을 조절하게 된다. 헤드는 수평 및 수직방향으로 이동할 수 있는데, 마이크로콘트롤러에서 작동되는 CAM(computer-aided manufacturing) 소프트웨어를 사용하여 콘트롤 하는 것이 일반적이다.




재료로서는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PC(polycarbonate), PLA(polylactic acid), HDPE(high density polyethylene), PC/ABS, PPSU(polyphenylsulfone), HIPS(high impact polystyrene) 등 여러가지 폴리머가 사용된다. 일반적으로 폴리머는 수지(resin)을 가공하여 필라멘트 형태로 사용한다. 오픈소스 그룹에서는 일반 플라스틱 폐기물을 플라스틱으로 처리하기 위한 여러가지 프로젝트가 진행중이다. 플라스틱을 조각으로 분쇄한 뒤 필라멘트로 압출하는 기계가 사용된다.


FDM은 제작할 수 있는 형태가 다소 제한적이다. 예를 들어 FDM 방식으로는 제작중 지지를 받을 수 없어서 종유석형태의 구조물은 만들 수 없다. 이 경우, 얇은 지지물을 구조물과 함께 출력한 후, 마무리 과정에서 떼어내는 방법을 사용한다.


과립형 입자의 용융(Binding of granular materials)


또 다른 방법으로는 판에 깔려진 과립 재료를 선택적으로 용융하는 방식이 있다. 하나의 층을 녹여붙인 뒤, 작업대를 아래로 내리고, 과립형의 레이어를 추가한 후, 용융시키는 절차를 반복하게 된다. 이 방식에서는 보조 지지대가 필요 없다. 대부분 레이저를 사용하여 재료를 소결시켜 고체로 만든다. 금속 및 폴리머(PA, PA-GF, Rigid GF, PEEK, PS, Alumide, Carbonmide, elastomers 등)를 사용할 수 있는 SLS(selective laser sintering 선택적 레이저 소결)와, DMLS(direct metal laser sintering, 직접 금속 레이저 소결) 등이 그 예이다.


The CandyFab 과립식 프린터The CandyFab 과립식 프린터. 뜨거운 공기로 과립설탕을 녹이는 방법으로 식용 예술품을 생산한다.


SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결법)은 1980년대 중반 텍사스 오스틴 대학교의 Carl Deckard 박사와 Joseph Beaman 박사가 개발하여 특허를 취득하였다. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, 방위 고등 연구 계획국)의 지원을 받았다. 1979년 R. F. Housholder는 비슷한 절차에 대해 특허를 받았으나, 상업화되지는 않았다.


SLM(Selective laser melting, 선택적 레이저 용융)의 경우, 분말과립을 융합할 때 소결이 아닌, 고에너지 레이저를 사용해 분말을 용융시켜 물질을 완전히 압축함으로써, 일반적인 금속 제조법과 비슷한 정도의 기계적 특성을 가지도록 하는 방법이다.

 

EBM(Electron beam melting, 전자빔 용융법)은 금속 부품(예: titanium alloys) 에 대한 적층식 제조공정과 비슷하다. EBM은 고진공 상태에서, 전자빔으로 금속 분말을 용융시켜 부품을 제조한다. 금속의 녹는점 이하에서 이루어지는 금속 소결기법과는 달리, EBM으로 생산된 부품은 완전히 치밀하고 빈공간이 없어, 매우 강하다.


또 다른 방법으로는 잉크젯 3D 프린팅 시스템이 있다. 이 프린터는 먼저 분말(석고나 수지)를 한층 뿌린후, 잉크젯과 비슷한 방식으로 그 단면부에 해당하는 접착제(binder)를 뿌리는 방식으로 3D 모델을 제작한다. 이러한 방식을 반복하여 모든 레이어를 출력한다. 이 기술은 컬러 모형, 합성고무 등도 출력할 수 있다. 출력후 왁스나 열경화성 수지를 침투시키면 강도를 높일 수 있다.


합판식(Lamination)


일부 프린터는 종이를 사용하므로, 비용을 낮출 수 있다.1990년대에 몇몇 회사에서는 특별한 접착제가 코팅된 종이를, 이산화탄소 레이저로단면을 잘라내고 합판식으로 접착하는 프린터를 판매하였다.


2005년 Mcor Technologies Ltd에서는 일반 사무용지를 사용하는 다른 공정을 개발했다. 여기에서는 텅스텐 카바이드 칼날로 형상을 잘라내고, 선택적으로 접착제를 살포한후, 압착시키는 방식으로 모형을 제작하였다.


현재 얇은 플라스틱이나 금속판을 사용하여 합판식으로 물체를 프린트하는 제품이 여러가지 시판되고 있다. 


광중합(Photopolymerization)


SLA(Sterolithography, 스테레오리소그래피)는 1986년 Chuk Hull에 의해 개발되었다. SLA에서 기본적으로 사용되는 광중합은 액체로부터 고체부품을 생산한다. 이 공정은 1860년대 François Willème (1830–1905)가 개발한 "photosculpture"법 으로부터 1974년 미쯔비시의 마쓰바라가 개발한 광중합 공정에 이르는 여러가지 기존의 공정을 획기적으로 재정의하였다. "photosculpture" 법은 여러가지 등거리 각으로부터 물체를 사진을 찍고, 각각의 사진을 스크린에 투사한뒤, 팬터그래프(확대/축소기)를 사용해 모델용 진흙에 외곽선을 추적하는 여러가지 공정으로 구성되었다.


광중합 공정에서는 빛을 잘 조절하여 액체폴리머에 노출한다. 노출된 폴리머는 경화된다. 그 다음 작업대를 조금 내리고, 또다시 액체 폴리머를 빛에 노출시킨다. 이와 같은 과정을 반복하면 모델이 완성된다. 그후 액체 폴리머를 빼내면 고체 모델만 남게 된다. EnvisionTEC의 Perfactory는 DLP 방식의 고속 프로토타이핑 시스템의 예이다.


Stereolithography apparatusStereolithography apparatus


OBjet PolyJet 과 같은 잉크젯 프린터 시스템은 광폴리머 재료를 아주 얇게(약 16-30 µm)를 살포하는 방식으로 부품을 제조한다. 각각의 광폴리머 층은 살포된 즉시 자외선에 노출시켜 경화시킴으로써, 제조가 끝난 부품은 후처리를 하지 않아도 즉시 사용할 수 있다. 복잡한 형태의 물체를 출력할 때, 지지부분에는 겔과 비슷한 지지용 재료를 살포하고, 완성된 후 손이나 물로 제거한다. 이 방식은 합성고무(elastomer)에도 적용할 수 있다.

다중광 광중합에 사용되는 3D 마이크로제조기법을 사용하면 극히 작은 물체도 만들 수 있다. 이 방법론은 초점을 맞춘 레이저를 사용하여 젤 덩어리내에 원하는 3D 물체를 추적하는 방식이다. 광여기(photo excitation)가 비선형적이기 때문에 레이저의 초점이 맞춰진 곳만 겔이 경화되어 고체가 되고, 나머지 겔은 공정이 완료된 후 씻어내면 된다. 엊물려있고 동작이 되는 복잡한 구조뿐만 아니라, 100nm 이하의 극소형 물체도 쉽게 만들 수 있다.


합성레진을 LED를 사용하여 경화시키는 방법도 있다.


Mask image 투사 기반의 스테레오리소그래피


이 기법은 우선 3D 디지털 모델을 여러개지 수평면으로 분할한다. 각각의 분할면은 2차원의 마스크 영상으로 변환한다. 이 마스크 영상이 광감성 액체수지 표면에 투사한뒤, 빛을 수지에 투사하여 대항 레이어의 형태로 경화시킨다. 이 기법은 경화되는 속도가 다른 여러가지 물질로 구성된 물체를 제작할 때 사용된다. 어떤 연구용 시스템에서는 빛을 아래쪽에서 투사하여 수지가 균일하고도 얇은 층으로 퍼지도록 하여 생산시간을 크게 줄였다. Objet Connex와 같은 상업용 시판 제품의 경우, 수지를 작은 노즐을 통해 도포한다. 


바이오 프린팅(Bioprinting)


3D 바이오프린팅이란, 세포나 응축된 재료를 사용하여 3D 구조물을 생산하는 공정을 말한다. 3D 바이오프린팅은 의학적 응용이 무궁무진하여, 코넥대학교와 같은 학술기관이나, Organovo와 같은 회사에서 집중적으로 연구하고 있다. 중요한 연구분야로는 재생의학분야에서 조직생성분야이다. 3D 프린팅 자체가 갖고 있는 복잡성에 더해, 3D 바이오프린팅은 재료나 세포유형, 성장률 선택등에서 훨씬 더 고려할 사항이 많다. 이러한 추가적인 고려사항으로 인해, 바이오프린팅 연구는 학제를 뛰어넘는 노력이 필요하여, 재료과학, 세포생물학, 모든 종류의 설계 및 약학 등 많은 분야의 연구자들이 함께 참여하고 있다.


3D 바이오프린팅은 여러가지 종류의 인체조직을 생성하는 분야에서 일차적인 성공을 거두고 있다. 피부나 뼈, 연골, 기도, 심장 조직등이 그 예이다. 이와 같이 결정적으로 중요하지는 않은 조직 구조에서는 일차적 성공을 거두었으나, 현재는 대동맥 심장 판막과 같이 완벽하게 기능하는 기관이나 조직을 생성하기 위한 방향으로 심각한 연구가 진행중이다.


코넬 대학교 공과대학 Jonathan Butcher 연구실에서는 살아있는 심장판막을 바이오프린트하는 방법을 개발하고 있다. PEGDA(폴리에틸렌 글리콜디아실레이트,Polyethylene glycol-diacrylate)가 기반폴리머로 사용된다. 생학적 적합성과 쉽게 변경되는 기계적 특성 때문이다. PEGDA의 해결책으로는 교차결합시 기계적 경직성의 차이에 따른 두가지가 있다. 좀더 딱딱한 쪽은 대동맥 뿌리벽??(aortic root wall)에 사용되며, 유연한 폴리머는 판막 날개에 사용된다. 이러한 해결책을 사용하여, 기계적 이질성을 가지면서도 세포적합성이 있는 판막을 생성할 수 있다. 이것이 심장 대독맥 판막 인쇄공정의 미래 개발 기반이 될 것이다.


코넬대학교 로렌스 보나사 연구실에서는 연골부 형태를 3D 프린팅하는 연구를 수행해 왔다. 이중에는 추간판을 "Tissue Engineered-Total Disk Replacement constructs"로 대체하는 연구도 있다. Tissue engineered 추간판은 세포를 종자로한 constructs로 프린팅된후, 쥐에 이식되었다.


Printerinks와 미국의 Organova가 공동으로 3D 프린팅기술로 인간의 조직을 개발하고 있다. 생체검사에서 얻어진 세포조직을 배양하여 개조된 프린트카트리지에 장착한다.이 결과물질을 바이오잉크라고 한다.


나노사이즈 3D 프린팅


3D 프린팅 기술은 나노급 물체를 제작하는데도 사용될 수 있다. 이렇게 프린트된 물체는 전형적으로 실리콘액과 같은 고형배양기에서 증식된다. 프린팅된 직후에는 너무 작고 부서지기 쉽기 때문이다. 3D 나노 구조물은 대부분 정적인 스텐실 마스크를 통해 물질을 쌓아올리는 방법으로 생성하지만, 3D 나노 구조물은 물질을 적층하는 과정에서 스텐실 마스크를 물리적으로 움직여서 프린트한다. 압력구성방식(piezo-actuator)으로 조종하는 스텐실 마스크를 통해 금속 증기를 살포하는 방법으로 폭 최소 10nm이고 높이가 조정가능한 나노 구조물을 생산하였다.  아울러 금속 증기 기법은 기존의 방법에서 사용되는 열이나 화학물질에 민감한 표면에 사용될 수 있는 장점이 있다. 








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