3D 프린터로 좀 쓸만한 걸 만들어 봤습니다. 여기서 쓸만하다는 것은 우리 안주인께서 좋아한다는 뜻입니다.


이번에 제작한 것은 Voronoi 램프입니다. 아래 사진입니다.


Voronoi 램프에서 보이는 기하학적 패던은 기본적으로 3차원 Voronoi 분할을 이용한 것입니다. Voronoi 분할 이라는 것은 임의의 점이 분포할 때, 가까이 있는 두 점간의 수직이등분선(3차원의 경우는 수직이등분면)을 생성하여 면을 분할 하는 방법입니다. 좀 복잡하죠. ㅎㅎ



이 램프는 Thingiverse에서 다운로드 받았습니다. 이 모델의 원래 높이는 30cm 인데, 훨씬 정교한 원본도 있다고 되어 있답니다.


하지만, 저는 17cm 로 출력했습니다. 출력시간은 44시간 걸렸고요. 사실 이 녀석은 4번째인가 5번째 만에 성공한 겁니다. 그중 하나는 지금도 가지고 있는데 18cm 로 출력하는 바람에 제 프린터의 한계를 살짝 넘어가서 에러를 일으켰었습니다.


그리고 워낙 크다보니, 바닥면과 밀착도 문제였습니다. 식으면서 축소되어서 밑바닥이 둥글게 말리고, 결국엔 바닥이 분리되어 망친 경우가 2-3번 있었습니다. 이 때문에 바닥을 잘 붙일 수 있는 방법을 여러가지로 시험을 했는데, 결국에는 3M 에서 생산하는 마스킹 테이프, 정확하게는 SkotchBlue 2090 Painter's Tape를 별도로 구매하고, 이 테이프를 바닥면에 붙인 상태로 그대로 출력하는 방법을 사용했습니다.


이 테이프를 붙이고 그대로 출력하면, PLA 필라멘트가 아주 잘 붙습니다. 워낙 잘 붙어서 나중에 모델을 떼어내면 테이프가 파손될 정도입니다. 그래서 큰 모델은 이렇게 사용하고, 작은 모델의 경우에는 딱풀을 발라 사용하고 있습니다. 이건 기회가 있으면 나중에 따로 정리하겠습니다.


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보로노이 램프가 조명등이다보니, 안에 넣을 광원이 필요했습니다. 가장 좋은 건 역시 고휘도 LED 플래시입니다. 그래서 아는 분께 여쭤봤더니 아래 모듈을 추천해 주시더군요. 서울반도체에서 제작한 것이고... 색온도는 3000K 로 하기로 했습니다. 


- 광원 : http://www.ic114.com/AJAXWWW/SITE/sc/00V0.aspx?ID_P=P0077440



그런데 이걸 넣으려면... 정전류모듈 (HS-711N, HS-1117-2)도 필요하고... 

- DC 파워잭 : http://www.ic114.com/AJAXWWW/SITE/sc/00V0.aspx?ID_P=P0036424



이런 것도 필요할 수 있고... 무엇보다 회로를 만들어야 한다길래... (그분은 아주 간단한 회로라고 했지만) 저로서는 머리에 쥐나는 수준이라 고민을 했습니다.


그런데... 다른 분이 USB LED를 사용하면 어떻겠냐고 추천을 해주셨습니다. USB 선은 많으니까 그냥 USB에 꽂으면 불 들어오는 게 간단할 거라고요. 그래서 뒤적거려 찾은 게 아래 물건입니다. 구입처는 여기



결론적으로... 이 녀석하고 USB 충전기와, USB 연장선을 구입해서 해결했습니다. 가격은 총 5천원 정도니 싸지는 않습니다만... ㅠ


아래가 그 결과 입니다. 왼쪽 아래가 플래시, 오른쪽 까만게 USB 충전기. 그러니까 이 플래시를 Voronoi 램프 가운데 비어있는 공간에 넣어주기만 하면 됩니다.



그런데... 내부 공간이 아무 지지대가 없어서, 간수하기가 쉽지 않더군요. 그래서 내부 지지대를 만들기로 했습니다. 아래가 제작한 서포트입니다. 가운데 네모난 부분이 USB 연장선 끝부분이 들어갈 부분이고, 동그랗게 파낸 부분은 선이 들어갈 부분입니다. (편의상 위 아래를 뒤집어 출력했습니다.)



이 모델은 OpenSCAD 를 사용해 만들었습니다. 아래가 그 파일입니다. 참고하세요.


voronoi_support.scad


마지막으로 이 지지대를 꽂아본 모습입니다. 선이 들어오는 부분은 오른쪽 위에 아주 작은 못으로 박아서 고정했습니다. ㅎㅎ



그 결과... 이렇게 알흠답게 한자리를 차지하게 됐네요. 너무 기쁩니다. ㅎㅎㅎ



이상입니다. 3D 프린터랑 조금씩 더 친해지면서 참 편리하다는 생각이 듭니다. 특히 자작을 하다 보면 부품이 모자라서 중간을 메울게 필요한데, 3D 프린터가 있으면 그냥 쉽게 해결됩니다. 앞으로도 정말 많이 활용할 것 같네요.


민, 푸른하늘

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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지금까지 3D 프린팅을 위해 3D 모델을 만들때는 거의 Sketchup을 사용해 왔습니다. 


Sketchup의 강점은 무엇보다 쉽다는 것입니다. 대충 마우스로 클릭클릭한 후 Extrusion 도구를 선택하고 드래그만하면 3D 모델이 만들어지니, 간단한 모델이라면 초등학생들도 쉽게 만들 수 있습니다.


그래도 3D 모델을 만드는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 특히 Sketchupd으로는 곡면을 만드는 건 거의 불가능에 가깝습니다. 그러다 보니 저를 포함해서 3D 모델링이 쉽지 않은 사람들은 Thingiverse같은 사이트에서 다른 분들이 만들어 놓은 파일들을 찾아 약간 변형해서 사용하는 경우가 많습니다. 


며칠 전부터 제가 찾고 있던 모델은 아래와 같은 겁니다. http://www.thingiverse.com/thing:418207 입니다. 바람이 불때 등등 문이 원하지 않게 닫히는 걸 방지하도록 문 아래에 끼워두는 겁니다. Door Stopper로 검색해 보면 이것 말고도 여러가지 모델을 찾을 수 있습니다.



그런데 이 모델에는 일반적으로 3D 프린팅에 사용되는 .STL 파일외에도 .scad 파일도 함께 들어 있습니다. 잠깐 읽어보니, 3D 모델링한 원본 파일이라고 되어 있더군요. OpenSCAD 라는 오픈소스 3D 모델링 소프트웨어로 모델링한 것이라는 겁니다.



스케치업도 근근히 사용하고 있는 중인데, 새로운 프로그램을 배워야 한다는 게 내키지 않아서 그냥 약간만 읽어보려고 했는데, 이 프로그램이 아주 재미 있었습니다. 스케치업은 형태 위주로 화면에서 직접 편집을 해야 하는데, (아마 다른 3D 소프트웨어도 비슷할 것 같습니다.) 이 OpenSCAD는 프로그램을 짜는 방식으로 3D 모델링을 한다는 점이 완전히 달랐습니다. 예들 들어, 제가 저위에 보여드린 MouseStop.scad 파일은 그냥 텍스트 파일에 불과합니다. 이걸 텍스트 에디터에서 열어보면 아래처럼 생겼습니다. 



그러니까... 프로그램을 짤 줄 아는 사람들은, 특히 java나 C 계통 프로그램을 짜본 사람들은 몇가지 기본 함수만 알면 어렵지 않게 3D 모델을 제작할 수 있습니다. 프로그램을 못짜는 사람들에게는 그림의 떡이겠지만요. ㅎㅎ


기본적으로 OpenSCAD는 구, 육면체, 원기둥 과 같은 간단한 모델(Primitives)을 조합하여 3D 모델을 만드는 방식입니다. 합집합, 교집합, 차집합 등의 연산도 지원하므로 간단한 모델들을 먼저 만든 후, 이를 조합하여 최종적인 3D 모델을 제작할 수 있습니다. 필요하다면 if 와 같은 조건문, 그리고 for와 같은 반복문도 사용할 수 있고요.


그래서 오늘 하루 종일 OpenSCAD를 공부했습니다. 그래서 대충 무엇이 들어 있는지는 이해를 했습니다. 말씀드린 것처럼 프로그램의 원리를 알면 그다지 까다로울 게 없습니다.


그리고 나서는 원래 다운받았던 MouseStop.scad 파일을 약간 수정했습니다. 제일 필요했던게...  원본은 높이가 너무 낮아서 원래 기능을 할 수 없었던 것을 높이를 높여서 해결했고요, 등부분에 골을 파서 미끄럼을 방지했습니다. 수염도 3개로 만들었네요. 이렇게 수정하다보니 원래 모델이 동작하는 부분들을 약간씩 수정했고요. 아래는 그 결과입니다.



최종 파일은 아래에서 다운 받으시면 됩니다.


http://www.thingiverse.com/thing:1242018


아래는 이 모델을 STL로 출력해서 3D 프린터로 제작한 것입니다. 



문틈에 끼워봤습니다. 크기는 잘 맞네요. 우리 마눌님은 귀엽다고 아주 좋답니다. ㅎㅎ 다만 밑바닥이 너무 미끄러워서 뭔가 조치를 해야 할 것 같네요.



다음은 제작과정. 제 Ares 프린터는 TimeLapse 제작기능이 있습니다. 모델을 출력하면 자동으로 동영상이 저장됩니다. 


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다만, OpenSCAD로는 예술적으로 예쁘게 렌더링 한더던가 하는 기능은 제한적입니다. 그런 기능을 원하면 다른 도구를 찾으라고 되어있네요. 대신 정확한 모델을 만들 때, 예를 들어 기계 부품을 만들 때 등에서는 아주 최고의 도구가 될 수 있습니다.


아무튼 재미있는 도구를 발견해서 기분이 좋네요. 앞으로 스케치업을 사용할 일이 많이 줄어들 것 같습니다. 게다가 오픈소스이니... 어둠의 경로를 살필 필요도 없겠고... 훨씬 더 기분이 좋네요~~ ㅎㅎ


민, 푸른하늘

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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버락 오바마대통령은 2013년 연두 국정연설에서 "거의 모든 제품의 제작 방식을 혁신할 잠재력을 가졌다"라고 강조할 만큼 3D 프린팅에 대해 관심이 많기로 유명합니다. 


이번에는 백악관에서 스미소니언 박물관과 함께 3D 프린팅 크리스마스 트리 장식을 공모했다고 합니다.

(이 글의 원문은 여기에 있습니다. 저는 제 마음대로 수정/추가 했습니다.)


원래 백악관의 Blue Room 이라는 곳이 백악관에서 공식적으로 크리스마스 트리를 장식하는 곳인데, 올해는 3D 프린팅을 한몫을 하게 되었습니다.


지난 10월에 스미소니언 박물관과 함께 3D 프린팅 크리스마스트리 장식 공모(3D Printed Ornament Challenge)를 시작했답니다. 그 후 수백개의 작품이 응모되었는데, 20개가 최종 후보로 선택되었고, 이중 5개가 최종적으로 백악관 크리스마스 트리를 장식하게 되었다네요.


아래는 유투브영상입니다. 앞부분엔 당선작이 등장하고, 뒷부분엔 3D 프린팅 작업과정을 볼 수 있습니다.



백악관에서는 이와 비슷한 행사를 여러번 개최했었습니다. 올해 최초로 열린 백악관 DIY 대회(White House Maker Faire) 도 그중 하나로, 이 행사가 열리는 동안 오바마 대통령은 "오늘의 D.I.Y. 는 내일의 Made in America" 라고 여러번 강조했다고 합니다. 또 얼마전에는 3D 스캐닝과 3D 프린팅을 통해 제작한 오바마 대통령의 흉상이 공개되기도 했죠. (참고 : YTN 기사)



미국내 다른 기관들도 3D 프린팅 기술에 많은 관심을 갖고 있습니다. 예를 들어 NASA에서는 며칠전에 무중력상태에서 작동할 수 있는 3D 프린터를 우주정거장에 설치하여 시험에 성공하기도 했습니다. (참고 : 기사) 또 미국립보건원(National Institute of Health)에서는 연구 및 교육용 인체모델을 자유롭게 공유할 수 있는 3D 모델 공유사이트(3D Print Exchange)를 개설한 바 있습니다.


최종 선정된 5개의 모델은 아래 그림처럼 백악관 크리스마스 트리에 실제로 장식되어 있습니다.



아울러 스미소니언 박물관에서 운영하는 3D X Platform 에도 올려져 있습니다. 저도 이중 하나쯤 프린트해보고 싶었는데... 유감스럽게도 입체형이라서 필라멘트 방식의 보급형 3D 프린터로는 아무래도 한계가 있을 듯 하여 포기했습니다.



참고로... 아래는 오바마 미국 대통령의 2013년 연두교서 중에서 3D 프린팅을 언급했다는 부분입니다. 


(이 바로 앞은 미국내 일자리를 늘리겠다... 포드와 인텔, 애플 등이 미국내 생산을 늘리고 있다는 내용)


There are things we can do, right now, to accelerate this trend. Last year, we created our first manufacturing innovation institute in Youngstown, Ohio. A once-shuttered warehouse is now a state-of-the art lab where new workers are mastering the 3D printing that has the potential to revolutionize the way we make almost everything. There’s no reason this can’t happen in other towns. So tonight, I’m announcing the launch of three more of these manufacturing hubs, where businesses will partner with the Departments of Defense and Energy to turn regions left behind by globalization into global centers of high-tech jobs. And I ask this Congress to help create a network of fifteen of these hubs and guarantee that the next revolution in manufacturing is Made in America.


이러한 경향을 가속화할 수 있도록 지금 우리가 할 수 있는 것이 있습니다. 지낸해 우리는 오하이오주 영스타운에 최초의 제조 혁신 연구소를 설립했습니다. 한때 문을 닫았던 창고가 이제는 최신의 연구시설이 되어, 새로운 노동자들이 3D 프린팅을 배우고 있습니다. 3D 프린팅은 우리가 만들고 있는 거의 모든 방식을 혁신적으로 변화시킬 잠재력이 있습니다. 이와 같은 것이 다른 도시에는 안될 이유가 없겠죠. 그래서 오늘밤 저는 이러한 제조 허브를 세개 더 설치할 것을 선언합니다. 이곳에서 여러 기업과 미국방성, 에너지성 등과 협력하여 세계화에서 뒤떨어진 지역이 하이테크의 글로벌 센터로 바뀌게 될 것입니다. 아울러 저는 이러한 15개의 허브 네트워크를 설치할 수 있도록 협조하여, 제조업의 다음 혁신은 미국에서 이루어지도록 보장해 주실것을 의회에 요청합니다.


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프랑스의 디지털 예술가 질 아자로(Gilles Azzaro)는 바로 이 부분을 3D 모델로 만들어 출력했습니다. 흠... 아마도 퓨리에 변환한 결과를 3D 모델로 만든 것 같은데... 흥미롭네요. 자세한 내용은 XYZist 를 참고하세요.



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미국에서는 대통령부터 앞장서서 3D 프린팅 기술 보급에 노력하고 있습니다. 물론 우리나라에서도 올 4월 미래부와 산업부 공동으로 '3D 프린터 산업 발전전략'을 수립하고, 정책적으로 지원해주기 위한 여러가지 방안을 마련하고 있습니다. (기사 : Blotter


물론 문화가 다르기 때문에 동일선상에서 평가는 할 수 없지만, 오바마대통령이 사상 최초로 프로그램을 직접 짜는 대통령이 되었다는 기사를 보니 참 부럽네요. 물론 정치적인 행위겠지만... 그래도 이런 모습은 보는 사람이 즐겁지 않나요? ㅎㅎ


민, 푸른하늘

Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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우리 회사에 보급형 3D 프린터가 있습니다. 이걸 사용해서 크리스마스 트리에 달 수 있는 장식을 몇개 제작했습니다.


우리 회사에 있는 3D 프린터는 3DISON에서 1년전쯤 나온 3DISON+ 라는 제품입니다. 3DISON 에서 나온 제품들은 모두 FDM(용융적층모델링, Fused Deposition Modelling) 방식입니다. 플라스틱필라멘트를 녹여서 작은 구멍으로 압출시키는 기술이죠. 현재 시중에 나와있는 보급형 제품들은 거의 대부분 FDM 방식이라고 보면 됩니다.


단, 3DISON+는 필라멘트를 두개 쓸 수 있는 장점이 있습니다. 즉 두개의 색을 동시에 쓸 수 있습니다. (물론 섞어쓰는 건 안됩니다.) 크기는 225x145x150 까지 출력이 됩니다.



원래 저는 지형을 3차원으로 출력하는 것을 시험해 보기 위해 이것을 구입했습니다. 그런데... 여러가지 장애가 좀 있었습니다. 


먼저 지형자료를 구해서 3D 프린터에 맞게 편집하는 소프트웨어로 스케치업을 사용했는데, 생각만큼 편하지 않아서 여러가지 시행착오를 거쳐야 했습니다. 다음으로 만들어진 3D 모델을 프린터로 보내서 출력하는 과정도 여러가지 단계를 밟아야 해서 누구나 쉽게 사용할 수 있는 정도는 아니었구요, 마지막으로 3D 프린터가 FDM 방식이다보니 제한이 많고, 출력하다가 일부가 끊어지는 등 여간 신경이 쓰이는 게 아니었습니다. (이 과정은 언젠가 시간이되면 따로 작성하겠습니다.)


소프트웨어 부분은 다른 종류도 있을테고 기능도 점점 나아질 수 있으니 별 문제는 아니라고 생각합니다만, FDM 방식의 프린터는 아무래도 "아줌마들도 쓸 수 있는" 수준이 되기는 힘들 것 같다는 생각이 들었습니다.


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아무튼... 놀고 있는 3D 프린터를 사용해서 크리스마스 장식을 만들어보기로 했습니다. 


먼저, 3D 프린팅을 하려면 우선 3D 모델이 필요한데, 직접 만들 수도 있지만, 가장 편한 것은 아무래도 다른 분들이 만든 것을 가져다가 쓰는 것이겠죠. 3D 모델 공유/판매 사이트로는 ShapewaysThingiverse, MyMiniFactory, Threeding 등이 있습니다.


아래는 Thingiverse 사이트에서 Xmas라고 검색한 결과입니다. 아주 여러가지 모델이 올려져 있습니다. 대부분은 연습용에 가깝지만, 가끔은 아주 멋진 모델도 있습니다.



여기에서 다운로드 받은 파일은 .STL 형식입니다. STL은 3D Systems에서 개발한 포맷으로 3D 프린팅에서는 거의 표준으로 사용되는 포맷입니다. 그렇지만, 이 파일을 3D 프린터에 출력하기 위해서는 GCode로 변환하고 다시 기계가 사용하는 포맷으로 변환해야 합니다. 3Dison에서는 이런 목적으로 CreatorK 라는 소프트웨어를 제공하고 있습니다.


아래는 CreatorK에 이번에 출력할 나비모양 장식 파일을 띄워본 것입니다. 파일은 여기에 들어가면 있습니다.



다음은 Gcode 생성을 누르면 나타나는 화면입니다. 여기서 여러가지 사항을 설정할 수 있습니다. 



여기에서 채우기(%)는 3D 입체 모형 내부를 어떻게 채울지 지정하는 것으로, 저는 100% 모두 채우라고 지정을 했지만, 50%나 80% 정도로 설정하면 내부가 약간 덜 채워져서 가볍게 만들어집니다. 재료도 절약되겠죠.


레이어 높이는 모델을 정밀도를 결정하는 중요한 요소입니다. 높이를 낮게 설정하면 표면이 깨끗하게 나오지만, 출력시간은 그에 비례해 늘어나게 됩니다. 


쉘(shell)은 껍질의 두께를 말합니다. 특히 내부 채우기가 100%가 아니면 반드시 필요하다고 합니다.


기타 출력속도/여유시간속도/출력온도 등은 필요에 따라 바꿔주면 됩니다.


원래 PC에 3D 프린터가 연결되어 있다면, CreatorK를 통해 직접 출력할 수도 있지만, 그냥 .x3g 파일로 변환한 후, 그 파일을 SD 카드에 넣어서 출력하는 게 더 좋답니다. 


아래는 이렇게 출력한 결과물입니다. 



일단 형태는 마음에 듭니다. 단, 크리스마스와는 별로 관계없다는 게 함정. :) 그런데... 아래쪽 그림에서 오른쪽을 보시면... 상태가 별로입니다. 높이도 고르지 않고 인쇄가 안된 곳도 있고... 



아래 그림은 최악의 결과입니다. 레이어 높이를 0.5로 설정하고, 채우기를 80% 정도로 둔 것 같은데, 차마 눈뜨고 보지 못할 정도네요.



아래는 실패를 거울삼아 새로 출력한 것들입니다. 꽤 쓸만하게 나왔네요. ㅎㅎ


아무튼... 결론적으로 적어도 FDM 방식의 기계는 가정용으로는 적합하지 않은 것 같습니다. 이것저것 배워야 할 것도 많고, 설정을 조금 달리하면 원하는 결과물이 안만들어지고... 가끔은 필라멘트가 잘 안들어가는 바람에 일부가 비기도 하고요.


HP에서 내년봄에 출시한다는 분말바인더 방식의 Multi Jet Fusion, 그리고 AutoDesk 사에서 개발중인 STL(StereoLithography) 방식의 Ember 가 기다려지는 이유입니다.


민, 푸른하늘


Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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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. 








Posted by 푸른하늘 푸른하늘이

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