3D프린팅 기술 비교

1. 3D프린팅 7대 기술 분류

 

3D 프린팅은 3차원 물체를 출력하여 적층하는 방식에 따라 분류할 수 있는데, 3D 프린팅 적층 방식을 ISO/ASTM 52900에 따르면 7가지로 분류하였습니다. 적층 방식은 Powder Bed Fusion, Material Extrusion, Binder Jetting, Photo Polymerization, Material Jetting, Direct Energy Deposition, Sheet Lamination 방식으로 분류됩니다.

 

Material Extrusion 방식은 열가소성 재질의 와이어 또는 필라멘트를 노즐 안에서 녹인 다음 압출을 통해 출력하고 상온에서 고체화하여 적층합니다. 대표적인 기술로는 FDM 기술이 있다. 사용되는 재질은 대표적으로 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PLA(Poly Lactic Acid), 나일론 등이 있으며 시멘트, 세라믹, 음식 등 여러 가지 재질을 사용할 수 있습니다. 출력 속도가 빠르고 재질의 비용이 저렴하다는 장점이 있지만 정밀성이 상대적으로 좋지 않고 표면의 품질이 불량하여 후처리가 필요하다는 단점이 있습니다.

 

Photo Polymerization 방식은 광경화성수지에 액체 상태의 빛을 비추고 경화시켜 3차원 물체를 만드는 방식입니다. 대표적인 기술로는 SLA와 DLP가 있습니다. SLA는 액체 상태의 광경화성 수지가 담겨 있는 수조 안을 자외선 레이저가 투과하면서 수지를 경화시켜서 적층 제조하는 기술이고, DLP는 빔 형태의 빛을 이용해 액체 상태의 광경화성 수지가 담겨 있는 수조 안을 투과시켜서 적층 제조하는 기술입니다. Photo Polymerization 방식은 표면이 매끄러운 출력물 제작과 높은 정밀성을 갖습니다. 하지만 사용할 수 있는 재료의 수에 한계가 있고 직사광선으로 인해 변형이 발생할 수 있는 단점이 있습니다.

 

Powder Bed Fusion 방식은 레이저 또는 전자빔을 분말 재료에 선택적으로 조사(照射)하여 분말을 소결시켜서 3차원 물체를 출력하는 방식입니다. 대표적으로 SLS(Selective Laser Sintering) 기술이 있고 사용되는 분말의 종류로는 수지 및 금속이 있습니다. Powder Bed Fusion 방식은 베드에 도포된 분말 표면에 레이저 혹은 전자빔을 조사하여 분말이 소결되고 롤러가 그 위를 다시 도포하여 적층하는 것을 볼 수 있습니다. 이 방식의 경우 출력 품질이 우수하고 복잡한 구조의 출력물을 출력할 수 있다는 장점이 있고 다양한 재료를 사용할 수 있습니다. 하지만 고도의 숙련된 기술이 필요하고 공정 과정이 복잡하다는 단점이 있습니다.

 

Material Jetting 방식은 한 개 혹은 다수의 잉크젯 헤드가 이동하며 광경화성 액상 재료를 분출하고 자외선 광을 분사된 재료에 비춰 경화시켜 출력하는 방식입니다. 이 방식은 전반에 걸쳐 층이 경화되기 때문에 균질한 층이 적층되고 재료를 혼합해 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 출력물의 경도가 약하고 재료비용이 높다는 단점이 있습니다.

 

Binder Jetting 방식은 SLS와 유사한 방식이나 SLS와는 다르게 분말 표면에 자외선 광선이 아닌 접착제를 분사해 분말 입자를 결합시켜 형상을 출력하는 방식입니다. 대형 출력물을 빠르게 출력할 수 있는 장점이 있고 나선형이나 경사가 있는 형상의 출력에 강점이 있습니다. 그러나 Material Jetting 방식의 출력물보다 정밀도가 낮고 출력물을 표면 처리하는데 어려움이 있습니다.

 

Direct Energy Deposition 방식은 재료의 공급과 동시에 고출력 레이저 또는 전자빔을 가해 용융 및 접착시켜 출력하는 방식으로 주로 금속 분말을 재료로 사용합니다. 비용과 생산 시간 절감의 장점이 있으나 출력물 표면의 품질과 정확성이 낮은 단점이 있습니다.

 

Sheet Lamination 방식은 접착제로 종이, 금속 시트 등을 접합해 적층하는 방식으로 재료 접합 후 조형을 통해 3차원 물체를 제작합니다. Sheet Lamination 방식은 큰 구조물의 제작은 가능하지만 복잡한 구조 제작에는 한계가 있습니다.

 

<표. ISO TC 261 3D프린팅 7대 기술 분류>

명칭	기술 분류	설명	재료
Binder Jetting	3DP(CJP) Ink-jetting S-printer M-printer	파우더 형태의 재료를 접착제를 분사시켜 결합하여 물체를 형성	금속, 폴리머, 세라믹
Material Jetting	PolyJet Ink-jetting Thermojet MJM(MJP)	액상재료를 프린팅 노즐을 통해 분사시켜 자외선으로 경화하여 물체를 형성	폴리머, 왁스
Material Extrusion	FDM(FFF)	고체 재료를 열을 이용해 노즐을 통해 분사시켜 물체를 형성	폴리머, 나무 등
Direct Energy Deposition	Direct Metal Deposition Laser Deposition Laser Consolidation Electron Beam Direct Melting	레이저나 전자빔으로 재료를 직접 증착 또는 녹여 물체를 형성	금속(파우더), 와이어
Powder Bed Fusion	DMLS(DMP) SLM EBM SLS	파우더 재료를 베드위에 놓고 레이저나 전자빔을 조사하여 선택적으로 소결, 녹여 물체를 형성	금속, 폴리머, 세라믹
Photo Polymerization	SLA DLP	광, 레이저 조사로 액상 재료를 경화하여 물체를 형성	폴리머, 세라믹
Sheet Lamination	Ultrasonic Consolidation LOM	얇은 필름 형태의 재료를 칼이나 레이저로 가공하여 접착제 등으로 붙여 물체를 형성	Hybrids, Metallic, 세라믹

 

 

2. 3D프린팅 적층제조 방법의 장점과 단점

 

3D프린팅 적층제조 방법의 장점과 단점은 아래의 표와 같습니다.

 

<표. 3D프린팅 적층제조 방법의 장점과 단점>

명칭	장점	단점
Material Extrusion	낮은 재료비 빠른 출력 속도	정밀도가 비교적 낮음 표면 불량으로 후처리 필요
Photo Polymerization	매끄러운 표면 높은 정밀도	제한된 재료로만 사용 가능함 직사광선에 의한 변형
Powder Bed Fusion	우수한 품질 복잡한 구조 출력 가능 사용 가능한 다양한 재료	숙련된 기술이 필요함 복잡한 과정
Material Jetting	균일한 적층 재료를 혼합 사용가능함	약한 경도(Hardness)로 출력됨 고가의 재료비
Binder Jetting	빠른 출력 속도로 대량 생산함 나선형, 경사형의 모델 출력에 좋음	낮은 정밀도
Direct Energy Deposition	빠른 출력 속도	출력물 표면이 좋지 않음
Sheet Lamination	큰 구조의 출력 가능	복잡한 구조의 한계