지은이 : 크리스토퍼 바넷

옮긴이 : 길이훈, 김상태

한빛비즈

구입 : 알라딘서점


이 글은 3D 프린팅 넥스트 레볼루션을 읽고 필요한대로 정리한 글입니다. 제 전공과 관련이 없는 바이오프린팅(BioPrinting) 등은 아얘 정리하지 않는 등 마음대로 첨삭을 했으므로 참고하시기 바랍니다.


3D 프린팅 기술은 지금 이 순간에도 계속 발전하고 있습니다. 그래도 이 책은 3D 프린팅 기술에 대해 전반적으로 이해하는데 많은 도움이 되었습니다. 관심있는 분들은 읽어보시길.


민, 푸른하늘

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1장 차세대 혁명이 시작된다.


3D 프린팅 기술의 종류


- 반고체상태의 열가소성수지를 압출하여 제작

- 레이저 혹든 다른 광원에 반응하는 광폴리머(Photopolymer)으로 물체 제작

- 매우 고운 분말을 굳히는 방식


왜 3D 프린팅인가?


- 더 우수한 제품 : 설계 검증을 위한 프로토타입 생산, Rapid Prototype - MakerBot

- 생산에 변혁 : 3D 금형 주조(Sand casting) - Solidscape

- 완성품 제작 : 직접 디지털 제조(DDM) - 조립이 필요없는 기어박스. 

- 개인 취향, 대량주문생산(Mass Customization) - Cubify.com

- 소량 생산 : 

- 디지털 저장 운송 - Thingiverse

- 공유 발전

- 소매의 유형이 변한다. 주문제작 : The Buildshop, i.materialise.com

- 바이오프린팅

- 환경에 좋음 - 재료 소비량이 줄고, 쓰레기 발생량 준다.


2장 3D 프린팅 기술의 모든 것


플라스틱 적층방식


재료 - 열가소성수지, 금속, 콘크리트, 세라믹, 음식, 세포

필라멘트 - 프린터 헤드 - 200~250도로 용융 - 압출 - 헤드가 평평하게 만듦 - 빌드 플랫폼 이나 헤드의 움직임으로 한게이의 층을 생성 - Z방향으로 이동 - 다시 다음 층 생성 

FDM(용융증착모델링, Fused Deposition Modelling, 스트라타시스)

FFM(용융필라멘트 모델링, Fused Filament Modelling)

FFF(용융필라멘트 제조, Fused Filament Fabrication)

FDM(용융증착법, Fused Deposition Method)


ABS - 사출에 사용되는 열가소성수지. (일반적인 플라스틱... 볼펜등)

PLA(Ploylactic acid) - 바이오 플라스틱. 투명도와 색상이 다양함. 

기타 PC(PolyCarbonate), ABS-PC, ABSi 등도 있음


한계 - 표면이 계단식으로. 연마작업 필요. 열응력으로 휘어질 수 있음. 돌출부에 지지대가 필요할 수 있음(고가의 경우 물에 녹는 재료로 지지대를 생성)


금속 출력 - FDMm(Fused Deposition Modelling of metals, 금속용융증착모델링)

                WAAM(Wire and Arc Addictive Manufacturing, 와이어와 아크 적층제조)

MJS(Multiphase jet solidification, 다상 분사 응고법) 세라믹/금속등을 결합제와 합쳐 필라멘트로 제작. 

     - 압출후에는 화학적, 열가공 등으로 결합제 제거후 높은 온도로 성형. 

     - FDC(Fused Deposition of Ceramic, 세라믹 용융증착) 

목재 필라멘트

콘크리트. Contour crafting, 등고선 공예법. 2004년. 

초콜릿


레이저 - 광폴리머


압출방식의 한계 - 대형제품 제작에 불리. 정밀한 제품 불가. 

스테레오리소그라피(StereoLithography) - 액체상태의 광폴리머를 레이저에 노출하여 하나의 층 생성. 빌드플랫폼이 아래로 이동. 두번째 층 생성 - 반복.- 용제에 세척 - 자외선 오븐에서 결합공정, 광택처리, 블래스팅(표면연마) 등의 후공정이 필요할 수 있음. 

   - 표면이 매끄러움. 기계 1억-5억 정도. Asiga에서 2011년 7백만원, Formlabs에서 Form1(12cm 크기)

   - 돌출 구조물의 경우 지지대가 필요함.

   - 고무성질, ABS등을 대체물, 투명플라스틱 등 다양한 광폴리머가 존재함.


DLP(Digital Light Processing) 투사방식의 프로젝터로 3D 프린터...방식은 동일

  - 치과용, 의학용, 불투명 등 다양함. 재료가격은 높지만, 품질은 매우 우수하다. 


나노스크라이브, 2PP(Two Photo Polymerization, 광전자에 의한 플라스틱화) - 원리는 비슷. 펨토초 펄스식 레이저. 100-200 nm정밀도. 박테리아 크기도 출력가능. 개발중.


액체 분사식. - 잉크젯 비슷한 방식으로 액체를 분사 - 자외선으로 응고.. 후처리 공정 필요없음. 여러가지 재료를 사용할 수 있는 제품도 있음. 예) 스트라타시스의 코넥스 - 120가지 재료 사용가능. 1m x 80cm x 50 cm. 0.016 mm두께. 


입자재료 바인딩법(Granular Materials Binding)


바인더분사 - 접착제/결합제 사용방법 - 잉크젯 방식. 분말베드(Powder Bed)에 분말을 한층깔고 롤러로 민뒤 프린터헤드가 바인더용액 분사하여 굳힘 - 분말베드를 아래로 내림 - 반복. 약 한시간정보 방치해야 함. - 분말 제거후 재활용. 주로 컨셉모델이나 예술작품에 사용됨.

1993년 MIT에서 개발됨. 1995년 Z corporation에서 독점 - 3D 시스템즈에서 합병.

장점 - 지지대 필요없음. 속도가 빠름. 저렴함. 색상을 지원(이경우 바인더+컬러잉크 분사)

예 : Z corporation ZP150등, VoxelJet VX4000


사형주조 : 모래틀. 특수한 공학용 모래를 사용. 매우 복잡하고 큰 금형을 생산가능. 비용절감


금속 - 금속분말에 바인더 용액 분사. 가열램프로 건조. 매우 깨지기 쉬우므로, 오븐에서 결합과정 필요. 그후에도 공극이 있어 금속을 침투시키는 공정. - 후공정으로 연삭 필요. 금속 3D 프린팅중 가장 저렴함. 


세라믹 - 알루미나, 실리카, 세라믹등. 완료된후 유약, 하소, 소결공정을 거치면 세라믹제품. 꽃병, 접시, 컵등. 독특한 식기 제작가능


유리 - 도 가능.


분말베드 용융법


SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결법) - 바인더 분사법과 비슷하나, 레이저로 입자를 굳히는 방법. 플라스틱, 금속, 세라믹, 사형주조용 모래, 왁스(모형... 금형재료로 사용)


DMLS(Direct Metal Laser Sintering, 직접금속레이저 소결법) - 금속을 더 빨리 굳힐 수 있음. 매우정교하며, 매우 견고함. 항공기부품 제작


DED(Directed Energy Deposition, 직접 에너지 증착법) - 금속을 레이저로 직접 녹여 증착(증기로 만들어서). 프린트헤드에서 금속 증기를 내보맨. 중간에 금속을 바꿀 수 있음(스테인레스, 구리, 니켈, 코발트, 알루미늄 등). 기존의 제품의 수리도 가능함. 

예: Optomac. 


EBM(Electron Beam Melting, 전자빔 용융법) - 진공상태에서 각층별로 금속물체 생성. 완전 고밀도(100% 고체)의 금속부품을 정확하게 생산. 현재는 티타늄, 코발트 크롬등 고가의 재료에만 적용. 의학용 임플란트. 

예 : ARCAM


선택적 가열 소결법. - 분말베드 용융 3D 프린팅. 가열가능한 프린터헤드로 분말을 굳힘. 가열 소결법. 

예: 블루 프린터(Blue Printer)



LOM(Laminated Object Manufacturing, 합판식 물체 제조)



종이, 플라스틱, 금속박판 등으로 물체 제조. 박판을 올림 - 접착제 첨가 (또는 롤러로 압착) - 레이저로 윤곽을 따라 박판을 잘라냄 - 플랫폼을 아래로 이동 - 반복. 

가장 낭비가 심함. 

예 : Herisys (현재 사라짐). Solid3D, Mcor(A4 복사용지 사용. 층별로 컬러 잉크 분사. )


3D 프린터가 찍어내는 세상


- 3D 프린터로 생산도구를 제작. 상품이나 개인적 물건을 중간과정없이 직접 생산

- 사우스햅튼 대학 UAV를 3D 프린팅. - SULSA(the Southampton University Laser Sintered Aircraft)

- Urbee - Kor EcoLoic 의 Jim Kore가 개발한 최초의 운행가능한 3D 프린팅 자동차. 스트라타시스 장비


3D 프린팅과 예술


- 현재 3D 프린팅은 상대적으로 작고 고부가가치인 제품 생산에 경쟁력이 있다. 

- Nervous System - 자연적인 패턴에 영감을 얻어 디지털 모델로. n-e-r-v-o-u-s.com 에서 판매. Shapeways 에서 대행 출력. 



- 밧세바 그로스맨(Bathsheba Grossman) 머티리얼라이즈와 쉐이프웨이즈에서 다양한 금속과 플라스틱으로 조각품과 보석류를 세작하고 bathsheba.com 에서 판매. 매력적인 수학적 형태의 금속조각 Zarf 제작. 

- 금이나 은으로 직접 금속 레이저 소결하는 방법이 유명할 것.



디자이너만의 3D 프린팅


- FOC(Freedom of Creation) - 3D 프린팅 디자이너 작품 판매. - 레이저 소결법. 흰색 플라스틱 

- 3D 시스템스 인수. Cubify에서 판매됨.


- Protos Eyewear - 3D 프린터로 제작한 선글라스 제작 및 판매 - SLS(선택적 레이저 소결법)

  - 가격, 재표, 품질이 기존 제조법과 필적한 만한 위치에 도달했다...


- MakieLab. Makie... 10인치 움직이는 인형. 앱을 통해 디자인 가능. SLS로 나일론으로 프린팅. 



- Thatsmyface.com - 정면/측면 사진 -> 3차원 모델 생성. 표준규격의 인형에 부착. 바인더 분사방식의 Z 프린터를 이용하여 출력. 


- Kidmechano. - 자세를 바꿀 수 있는 3D 프린팅 인형 모드보츠(Modibots)


- Bespoke Invations - 의수 의족. 3D 시스템스에 병합. 환자의 다리를 3D 스캔하여 맞춤식 의족. 


- ClearCorrect - 투명한 플라스틱 치아교정기 제작. 스트라타시스의 재료분사방식의 3D 프린터로 제작


산업용 부품


- C&A Tool. 디젤연료 주입장치와 기타 부품을 레이저 소결법을 이용하여 생산. 주문제작. 

- Mercury Customs - 주문식 오토바이

- Kelly Manufacturing - 항공기구. 

- TDF(Trainer Development Flight) - 안테나등 제작

- DSI(Deep Space Industries) - 소행성을 개척하기 위하여... 우주암석으로 금속부품 제조. 부서진 부품을 녹여서 새로운 부품도 만들 수 있다.


- D-Sahpe - 건물을 만들 수 있는 거대한 3D 프린터.  6m x 6m 까지 제작. 각층은 5-10mm 경화에 24시간 소요. 달 기지 구축 가능성 검토. 


현장에서 뛰고 있는 기업들


3D 프린터 제조회사


- 3D 시스템즈. - 1984 년 Charles Hull. 액체 광폴리머, 자외선 램프. 1985년 특허획득. 회사설립. 최초의 산업용 3D 프린터 SLA-250 출시. stl 파일 형식 개발. 기타 열가소성수지 압출. 선택적레이저소결(SLS), 직접 금속 레이저 소결법(DMLS), 재료 분사법, 바인더 분사법 등 다양한 기술의 3D 프린터 판매중. 


3D 시스템즈는 바이더분사법의 Z 코퍼레이션을 합병하는 등, 20여개의 3D 프린팅 벤처회사를 인수. 

Cubify 운영. - 3D 프린터 판매, 3D 디자이너가 디자인을 올리면 대행제작하여 판매.

                     CityScape - 도시를 설계하면 3D 모델을 다운로드 받을 수 있음

                     360Heros - GoPro 360 파노라마 비디오.



- Stratasys - 1988년 Scott Crumps. 글루건으로 장난감 개구리 만들다가... 회사 설립. FDM(용융증착모델링) 특허. 합병. 2012년 Objet 합병. 

  Mojo, Dimension, Fotus, uPrint 등의 3D 프린터 판매

  RedEye on Demand - 3D 프린팅 대행서비스

  Polyjet Matrix - 재료분사식. 120개의 다양한 재료. 

   - 주로 고급 제품만 제작 판매. 


- 아르캠 - 스웨덴. 미세한 금속분말을 진공상태에서 녹여 제품을 생산. 티타늄. 코발트 크롬 등 고가의 재료 사용. 순수한 재료로 매우 정교한 제품을 생산. 


- 엑스원 - 청동, 스테인레스, 모래, 유리 등 바인더 분사방식. 모래는 사형(거푸집) 제작


- 오르가노보 - 세포를 출력하는 노보겐(NovoGen MMX) 생산. 바이오 프린팅


- 엔비전텍 - 2002년 창업, DLP 투사기술로 액체 광폴리머 응고. Perfactory - 비전문가용. 울트라... 바이오프린팅 및 대형기기. 


- EOS - 1989년 설립. 선택적 레이저 소결법. 분말로 제품출력. 사형 생산 가능


- 컨셉 레이저 - 독일. 레이저 쿠징... 금속분말로 정확하게 최종제품 출력


- SLM 솔루션즈 - SLM(선택적 레이저 용융법) 


- 복셀젯 - 분말 바인더 분사식. VX4000 (4m x 2m x 1m 제작). 


- 델타 마이크로 팩토리 - 중국. PP3DP. 열가소성수지 압출


- 옵토맥 Optomec - 직접 에너지 증착법. 레이저로 녹인 금속 분말을 부착. (LENS 라고 부름) 마모되고 손상된 부품을 수리하는데도 사용할 수 있음. (기존 망가진 부품에 녹인 금속을 부착) 에어로졸 제트 3D 프린터는 다른 제품의 표면위에 전자제품을 출력 (예 : 태양전지위에 안테나를 출력)


- Makerbot Industries - 리플리케이터. 전세계 3D 프린터 시장의 20%. 오픈소스인 RepLab 에서 독립하여 저가형 프린터 생산 판매. 싱기버스 운영. 



- 아시가 - 2011. 7000불 이하의 데스탑형 소테레오리소그라피 제품. 액체 광폴리머.


- 폼랩 - 아시가와 비슷. 125mm x 125mm x 165mm까지 출력가능. 


- 앰코 - 종이로 출력. 


3D 프린팅 소프트웨어


- Autodesk - 3D 설계 프로그램. STL로 변환가능.  Autodesk 123D - 사진을 3D 모델로 변환. 


- 사쏘 시스템즈 - 다쏘 항공에서 분사... Solidwork. 


- Trimble - 무료 SketchUp. 


3D 프린팅 서비스


- 현재 3D 프린팅서비스 회사는 수백개 이상. 

- Shapeways - 업로드할 수 있는 웹사이트 운영. 물건을 배송. 디지털 모델을 만들 수 있는 프로그램도 제공. 쉐이프웨이즈샵 - 창작품을 판매하려는 디자이너에게 중개역할. 

Itty Bitty Sad Keanu Reaves 미니어처. 

ABS, 알루미늄, 세라믹, 광폴리머, 스테인레스, 은 등 30여가지 재료.

- Materialize : 벨기에. 의학과 공학 분야에 특화된 프로그램개발. 

   기업서비스 - 프로토타입제작,제품생산 컨설팅.

   MGX - 3D 프린팅 서비스. 

ABS, 알루미나, 청동, 세라믹, 금, 광폴리머, 은, 스테인리스, 티타늄 등. 


- 스컬프테오 - 3D 프린팅 설계를 업로드하고 여러가지 재질로 출력된 제품을 배송. 라이츠웨티브, 트루스페이스와 같은 중저가의 프로그램으로도 3D 모델 제작, 업로드 가능.


차고에서 시작하는 3D 프린팅


- 오픈소스 3D 프린팅


- RepRap - Replicating Rapid Prototyping - 자기복제형 기계 - 열가소성수지 압출식. 

  플라스틱은 출력하여 사용. 모터, 전자회로 등은 RepRapPro.com 에서 키트 형태로 구매. 

  모델 - Darwin -> Menthel Max. 200x200x140까지 제작가능

  오픈소스 - 메이커봇도 RepRap을 기반...




- Fab@Home - 재료를 주사기로 짜내는 방식으로 건조/가열/자외선 등으로 굳힘. FabEpoxy, 실리콘, 치즈, 점토, 석고 등 가능. 세라믹 점토. 초콜릿

  Model1 - 2007, 200x200x200까지 출력

  Model2 - 조립비용 저렴. 작업 목적에 따라 프린터 헤드 교환. 8개의 주사기


- DLP 투사법을 이용한 3D 프린터 오픈소스 설계. 광폴리머. - 정교한 물건 제작 가능. 

    Lemon Currie - 오픈소스 DLP 3D 프린터 설계 공개

    Lunavast XG2 - 




- 현재 저가형 3D 프린터는 한계가 있다.

   - 3D 시스템즈의 Cube

   - 메이커기어 M2 - 200 x 250 x 200

   - Portabee - 휴대용. 

   - 프린트알봇 - 합판으로 만들어진 저렴한 3D 프린터 

   - Solidoodle - 

   - Up!


지속가능한 발전


- 지역 생산성... 가까운 곳에서 생산 (현재는 운송비가 1/7)

- 디지털 운송 - UPS, 7Eleven. 과잉생산 방지

- 재료낭비가 줄어듦.가볍고 밀도가 낮은 부품 생산. EADS, 금속레이저 소결법. 제트엔진 커버용 힌지 생산. 금속 사용량 절반. 내부가 비거나, 벌집 구조의 부품. 

- 오래된 것 수리. 100년전의 자동차부품 제작. 

- 플라스틱 쓰레기 재활용. 필라봇- 그라인더 압출기, 감는장치로 구성. - 3D 프린터용 필라멘트 제작


- 나노기술, 합성생물학. - KAIST에서 옥수수등의 유기물로 바이오 플라스틱 PLA를 생성하는 박테리아 개발


부작용


- 불법적 물건 제조 - 열쇠복제, 무기제조.  Disfence Distributed - AR-15 자동총 3D 프린팅. 설계 공개

- 지적재산권 종말 - 3D 스캐너. 

- 건강과 안전. 

- 고용에 미칠 충격







Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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