| 초록 |
1. 서언 3D 프린팅은 3차원 모델 데이터로부터 복잡한 형상을 가진 광범위한 구조물을 만들어내기 위해 사용하는 적층 제조(AM, additive manufacturing) 공법을 말한다. 이 공정은 재료를 한 층씩 순차적으로 쌓아 올라가는 방법으로 부품을 제조하는 방법으로서, 1986년 Charles Hull에 의해 광조형(SLA, stereolithography) 공정이 최초로 개발되었고, 그 후 FDM, 잉크젯프린팅(inkjet prinring) 및 윤곽형상적층(CC, contour crafting) 공정 등이 계속적으로 개발되었다. 3D 프린팅 공법은 그동안 여러 가지 재료, 장비와 새로운 제조 및 작업 방법의 적용을 시도하면서 재료에 적합한 새로운 적층 공법의 개발이 점차 확대되고 있다. 적층 제조는 건설, 시제품 제작, 생체역학을 포함한 다양한 산업 분야에서 광범위하게 적용되고 있다. 3D 프린팅은 설계와 자동화가 쉽고, 폐기하는 재료의 낭비가 적은 장점이 있음에도 불구하고 건설산업에서의 활용은 특히 제한적으로 천천히 발전되고 있다. 새로운 재료와 AM 공법이 개발되면 새로운 분야로 활용이 확산된다. 이 기술이 더욱더 발전할 수 있게 된 요인 중 하나는 과거 특허들의 유효기간이 만료되면서 새로운 3D 프린팅 장비의 개발이 가능해진 것이다. 최근 3D 프린팅 장비의 가격이 낮아지면서 학교, 가정, 도서관 및 연구실로 그 응용이 더욱 확대되고 있다. 3D 프린팅은 신속하고 비용이 적게 드는 장점 때문에 최초에 건축가나 설계자들에 의해 미학적이고 기능적인 시작품을 제조하는데 널리 사용되었고, 이처럼 3D 프린팅을 적용하여 제품 개발 과정에 발생하는 부가비용을 최소화할 수 있었다. 그러나 비용이 많이 소요되는 고객맞춤형 제품을 3D 프린팅으로 직접 제조하는데 도전한 결과, AM에 의한 3D 프린팅은 상대적으로 적은 비용으로 소량의 고객맞춤형 제품을 제작할 수 있게 되었다. 특히 개별 환자마다 특수하게 소요되는 부품을 필요로 하는 생체의학 분야에서 더욱 각광을 받게 되었다. 전문가들은 수년 내 고객맞춤형 부품의 제조가 전체 3D 프린팅 활용 분야의 50% 이상을 차지하게 될 것이라고 예측한다. 이 기술은 의학 분야에서 컴퓨터단층촬영(CT, computed tomography) 이미지로부터 다양한 인체조직의 복제품을 제작할 수 있기 때문에 큰 관심을 불러일으키고 있다. 최근에는 건축분야에서도 3D 프린팅을 활용하고 있다. 예로 중국의 WinSun 등은 상대적으로 저렴한 주택(4,800달러/1채)을 하루에 제작하는데 성공하였다. 3D 적층 제조 기술을 여러 산업 분야에서 채택하는 이유는, 이 기술이 복잡한 형상의 부품을 높은 정밀도, 재료의 낭비 감소, 설계 유연성, 고객맞춤형에 적합하게 제조할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 3D 프린팅에는 금속, 고분자화합물, 세라믹, 콘크리트 등 다양한 재료를 사용할 수 있다. 복합재료 분야에는 PLA(polylactic acid), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene)와 같은 고분자복합물을 주로 사용하고, 항공 분야에는 신소재 금속 및 합금을 사용하고, 스캐폴드(scaffold)에는 세라믹을 사용하고, 건물의 적층 제조에는 콘크리트를 주로 사용한다. 3D 프린팅 적층 부품은 기계적 성질이 취약하고 비등방성 거동을 하는 약점이 있으며, 3D 프린팅 적층 부품의 정밀도는 적용하는 적층 제조 방식의 정밀도와 규모에 좌우된다. 3D 프린팅의 탁월한 장점은 고객맞춤형 대량생산이 가능하다는 점이다. 또한 고객맞춤형 제품의 제조에 필요한 몰드 및 툴링에 대한 부가비용을 절감할 수 있다. 그러나 AM 공정이 가진 고비용, 긴 공정시간과 같은 대량생산의 장애요인을 해소하기 위해, 향후 제조 속도 증대와 비용 절감을 위한 개선 노력이 필요하다. 본문은 3D 프린팅 기술의 적층 제조 방식, 사용 재료, 산업적 활용 분야 그리고 향후 도전하여야 할 과제에 대해 기술한다. 2. 3D 프린팅 적층 제조 공법 2.1. 적층 제조 방식의 종류 복잡한 구조물을 고분해 성능으로 프린팅하여야 할 요구에 대응하기 위하여 여러 가지 적층 제조 공정이 개발되었다. 그동안 급속 시작 기술, 대형 구조물을 프린팅하는 능력, 프린팅 결함의 감소, 기계적 성질의 강화 등의 개발에 의해 적층 제조 기술의 발전이 더욱 촉진되었다. 3D 프린팅에서 가장 일반적인 적층 제조(AM) 방법은 주로 고분자 필라멘트를 용융 압출시켜 적층 모델링(FDM, fused deposition modelling)하는 공법이다. 또한 분말을 용융시켜 적층하는 제조 방법(PBF, powder bed fusion)에는 SLS(selective laser sintering), SLM(selective laser melting), 3DP(liquid binding in three-dimensional printing) 공법, 그리고 잉크젯프린팅(IP, inkjet printing), 윤곽형상적층(CC, contour crafting), 광조형(SLA, stereolithography), 직접에너지적층(DED, direct energy deposition), 개체접합조형(LOM, laminated object manufacturing) 공법 등이 있다(표 1). 이 중에서 몇 가지 대표적인 적층 공법에 대해 제조 방법, 사용 재료, 활용 분야 및 향후 전망에 대해 기술한다. 주요 적층 제조 방법에 대한 사용재료, 응용분야 및 장단점 적층 제조 방법 사용재료 응용분야 장점 단점 해상도(μm) Fused deposition modelling Continues filaments of thermoplastic polymers Continuous fibre-reinforced polymers Rapid prototyping Toys advanced composite parts Low cost High speed Simplicity Weak mechanical properties Limited materials (only thermoplastics) Layer-by-layer finish 50-200 μm Powder bed fusion (SLS, SLM, 3DP) Compacted fine powders Metals, alloys and limited polymers (SLS or SLM) ceramic and polymers (3DP) Electronics Aerospace Lightweight structures (lattices) Heat exchangers Fine resolution High quality Slow printing Expensive High porosity in the binder method (3DP) 80-250 μm Inkjet printing and contour crafting A concentrated dispersion of particles in a liquid (ink or paste) Ceramic, concrete and soil Biomedical Large structures Buildings Ability to print large structures Quick printing Maintaining workability Coarse resolution Lack of adhesion between layers Layer-by-layer finish Inkjet: 5–200 μm Contour crafting: 25–40mm Stereolithography A resin with photo-active monomers Hybrid polymer-ceramics Biomedical Prototyping Fine resolution High quality Very limited materials Slow printing Expensive 10 μm 2.2. FDM 적층 제조 공법 FDM 적층 제조 공법(그림 1)은 열가소성 복합재의 필라멘트 재료를 사용하여 3D 프린팅 방법으로 적층하는 공정이다. 이 방법은 노즐에서 필라멘트를 반액체 상태로 만들어 플랫폼 또는 바로 전에 적재 |
