3D 프린팅이란 무엇인가? (1)

3D 프린팅은 디지털 디자인에서 실제적인 제작물을 만드는 제조 공정입니다.
인쇄할 수있는 다양한 3D 인쇄 기술과 재료가 있지만,

3D 프린팅은 위와 같은 동일한 원리로 제작이 되는데요,

디지털 모델은 재료를 레이어별로 추가해 단단한 3차원 개체로 변환됩니다.
이번 연재는 3D 프린팅의 여러가지 방법, 재료, 시작 방법 등에 대해서 다뤄보겠습니다.

3D 프린팅의 세계에 다이빙을 시작하기 전에
1편은 기본적인 부분에 대해서 짚어 보겠습니다~

3D 프린팅은 어떻게 작동합니까?

모든 3D 인쇄는 실제 물체에 대한 청사진과 같은
디지털 3D 디자인 파일에서부터 시작됩니다.

디자인 파일없이 인쇄하는 것은
텍스트 파일없이 종이에 문서를 인쇄하는 것과 같습니다.

디자인 파일은 개체를 얇은 레이어로 슬라이스한 다음 3D 프린터로 전송합니다.

재료에 따라서 다르겠지만 통상적으로 3D 프린팅의 과정이라고 하면,

플라스틱 소재를 녹여서 인쇄 플랫폼에 올리거나, 금속 분말 재료를 뿌려가며 만들게 됩니다.

인쇄는 크기에 따라 완료하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있으며

인쇄 된 대상물은 종종 마감 처리가 필요하기도 합니다.

사용 가능한 재료는 플라스틱에서부터 고무, 사암, 금속 및 합금에 이르기까지 다양한 종류가 있으며

매년 시장에 점점 더 많은 재료가 등장하고 있습니다.

 

 

3D 인쇄의 간략한 역사

3D 프린팅은 일반적으로 새로운 ‘미래 지향적’인 기술 같아보이지만
사실 발명된지 30년이 넘는 기술입니다.


1983 년 Chuck Hull이 발명 한 최초의 3D 프린터 인 SLA-1

 

Chuck Hull은 1983 년에 ‘stereolithography’라고 불리는
최초의 3D 프린팅 프로세스를 발명했습니다.

stereolithography라는 과정은 ‘자외선 경화 재료의 얇은 레이어를
다른 레이어 위에 겹겹히 쌓아 제작’이라는 개념으로 특허로 제출했는데요,

이 특허는 광 경화성 액체로 인쇄에만 초점을 맞춰져있지만,

Hull이 회사의 3D 시스템을 설립 한 후에
곧 그의 기술이 액체에만 국한되지 않고

‘응고되거나 가능할 수있는 재료의 물리적인
상태를 바꾸는 기술’로 특허를 수정했습니다.

이를 통해 그는 오늘날의 적층가공(AM : Additive Manufacturing)
또는 3D 프린팅으로 우리가 현재 알고있는 기반을 구축했습니다.

하지만 30년 전에 만들어진 기술이 왜 오늘날에서야 크게 부상하기 시작했을까요?


2007 년부터 2015 년까지 연간 3D 프린터 판매 예상. 출처 : Wohler 's Report 2015; Gartner

 

2009년까지 3D 인쇄는 주로 산업용으로만 사용되었지만

가장 일반적인 3D 인쇄 기술 중 하나인
FDM(fused deposition modeling)에 대한 특허가 만료되었기 때문입니다.

또한 RepRap 프로젝트를 통해서 최초의 데스크탑 3D 프린터가 탄생했습니다.

점점 더 많은 제조 업체들이 따라오면서
2000 달러 이하의 가격으로도 3D 프린터가 판매될 수 있었고

가정용 3D 인쇄 시장은 비로소 2009년부터 시작되었습니다.

2009년까지 3D 인쇄는 대부분 산업용으로 제한되었지만
이제는 특허가 만료되어 누구나 기술을 활용할 수 있습니다 !
3D 프린터 판매가 그 후 계속 증가하고 있으며,
부가적인 제조 특허가 만료되고 있기 때문에3D 프린팅은 앞으로 수년간 더 많은 혁신이 기대되는 기술입니다.

 

3D 인쇄의 장단점

3D 프린팅은 급속하게 발전하는 기술이라는 것을
이해하는 것이 중요합니다.

3D 프린팅의 기술은 전통적인 제조 방식에 뒤지지 않습니다.
하지만 아직 보완이 필요한 단점도 있지요,

3D 프린팅의 장,단점에 대해서 알아봅시다.

복잡한 디자인만들기
3D 인쇄를 통해 디자이너는 복잡한 모양과 부품을 만들 수 있습니다.
그 중 대부분은 기존의 제조 방법으로는 생산할 수 없었습니다.

적층제조, 3D 프린팅은 제작품이 복잡하다고 해서 가격이 높아지지는 않습니다.

복잡한 디자인 기능을 갖춘 정교한 제품 디자인을
기존의 전통적인 제조방식으로 만드는 것은 불가능하거나
필요치않은 많은 비용이 듭니다.

모든 것을 사용자 맞춤으로 
우리는 왜 맞춤형이 아닌 표준 사이즈의 옷을 살까요?

전통적인 생산 방법을 사용하면
소비자에게 저렴한 가격으로 제품을 만들고 판매하기만하면 됩니다.

3D 프린팅을 활용하면 손쉬운 맞춤형 제작이 가능합니다.

최종 제품을 생산하는 데 필요한 추가 공구 또는
기타 고가의 제조 프로세스 없이

디지털 설계를 변경하면 됩니다.

그 결과, 각 항목은 추가 제조 비용없이
사용자의 특정 요구 사항에 맞게 제작할 수 있습니다.

공구, 금형에 비해서 고정비용이 필요없다
금속 주조 또는 사출 성형의 경우,
각 제품의 각 부분마다 새로운 금형이 필요합니다.

이 때문에 제조 원가는 빠르게 늘어나게 되지요.

이러한 제조 비용을 회수하기 위해
대부분의 회사는 판매되는 동일한 품목의 가격에 의존합니다.

반면, 3D 인쇄는 “단일 도구”프로세스이기 때문에
프로세스의 어떤 부분도 변경할 필요가 없으며

객체를 복잡하거나 단순하게 만드는 데 추가 비용이나
리드 타임이 필요하지 않습니다.

궁극적으로 이것은 고정 비용을 상당히 낮추게됩니다.


빠른 속도와 용이성, 빠르고 위험도가 적은 시장 진출 경로
3D 인쇄를 통해 물체를 만드는 데
필요한 고가의 금형이 없으므로

특히 시장 테스트 또는 소규모 생산 실행을 원하는
디자이너 또는 기업가에게 비용 효율적인 방법입니다.

심지어 Kickstarter와 같은 크라우드 펀딩 사이트를 통해
제품을 출시 할 수도 있습니다.

제품 설계 단계에서 단점을 발견했을 때,
설계 변경이 이루어지기 쉽습니다.

따라서 3D 인쇄는 제품 아이디어를 제작하는 사람들을 위해
시장에 출시하는 덜 위험한 경로를 제공합니다.

적은 낭비
많은 기존의 제조 공정은 복잡한 단계를 거칩니다.

재료 블록으로 시작하여 절단하고 기계 가공 한 다음
의도 한 설계로 가공 하고, 때로는 밀링 가공도 더해집니다.

비행기용 브래킷과 같은 많은 제품의 경우
이 과정에서 재료의 90%가 손실됩니다.

3D 인쇄는 깎아 내는 것이 아니라
쌓아올리는 방식의 추가 공정입니다.

레이어별로 원료 레이어에서 객체를 생성합니다.
당연히 이 방법으로 대상물을 제조 할 때, 재료를 절약할 수 있겠죠.

절약된 재료는 재활용되어 더 많은 3D 인쇄물로 재생산 될 수 있습니다.

대량생산시 높은 비용
3D 프린팅 제조의 모든 이점에도 불구하고

기존의 대규모 제조 프로세스와
아직 본격적인 경쟁을 하고 있지는 않습니다.

제조 프로세스를 3D 프린팅으로 전환하기 위해서
디자인, 원자재, 생산 갯수의 영향이 크기 때문입니다.

그러나 프린터 및 원자재 가격이 계속 하락함에 따라
효율적인 생산 범위가 더욱 확대 될 것으로 예상됩니다.

재료, 색상, 마감의 선택 폭이 좁다
현재 이용할 수 있는 재료는 600가지가 넘는데도 불구하고
대부분 플라스틱 및 금속으로 만들어지고 있습니다.

기존의 제품 재료, 색상 및 마감재에 비해
여전히 실질적인 선택의 폭이 좁기 때문입니다.

그러나 이 분야는 급속히 보완, 성장하고 있으며
3D 인쇄 팔레트에 추가되는 새로운 재료의 수는

목재, 금속, 복합 재료, 도자기 및 초콜릿을 포함하여
매년 빠르게 증가하고 있습니다.

제한 강도와 내구성을
일부 3D 프린팅 기술에서는 층별 제조 공정으로 인해
부품 강도가 균일하지 않습니다.

따라서 3D 인쇄 된 부품은 전통적으로 제조 된 부품보다 약한 경우가 많습니다.
반복성에도 개선이 필요합니다.

그러나 Carbon3D 와 같은 새로운 연속 3D 인쇄 프로세스에 대한
기술적 개선이 계속 이루어지기 때문에 이러한 한계는 가까운 미래에 사라질 것입니다.

낮은 정밀도
iPhone과 같이 첨단 기술을 가진 3D 인쇄물을 인쇄할 수는 없지만

3D 인쇄는 여전히 약 20-100 마이크론의 정밀도까지 제작이 가능하며
A4 한 장의 용지 높이 정도의 물체를 만들 수도 있습니다.

허용 오차 및 디자인 세부 사항이 거의없는 객체를 만드는 사용자를 위해
3D 인쇄는 제품을 실제로 구현하는 좋은 방법입니다.

하지만 iPhone의 자동 스위치와 같이 더 많은 작동 부품과
미세한 디테일을 필요로하는 물체의 경우에는

특정 제조 공정의 고정밀 기능과 경쟁하기가 어렵습니다.

3D 인쇄를 사용하는 사람은 누구입니까?

3D 인쇄의 가장 큰 장점 중 하나는 산업이나 직업에 관계없이
누구에게나 유익할 수 있다는 것입니다.

사람들이 3D 인쇄를 사용하는 방법과 특정 유스 케이스의 제조 방법을 선호하는
프로토 타입으로 기술을 선택한 이유를 보여주는 몇 가지 공통 예제를 살펴봅시다.

자동차 제조업체

프로토 타입뿐만 아니라 완성품에 이르기까지 자동차 산업에서도 많이 활용됩니다 .

경량화에 적합할뿐 아니라 하이퍼 카(hypercar) 연소,
까다로운 경주장에서의 악조건에서도 견딜 수 있습니다.

의사들

대부분의 보청기는 3D 프린팅되어 있다는 것을 알고있었나요?
의료 및 보철 분야는 3D 인쇄의 채택으로 인해 큰 장점을 얻었습니다.

보청기와 같은 사용자 맞춤에는 더 이상 수작업이 필요하지 않으며
3D 인쇄는 버튼 클릭만으로 수행 할 수 있습니다.

 치과 의사

보청기와 유사하게, 보철 및 기타 보조 의료 기기는
최종 사용자의 요구에 맞게 특수 설계되었습니다.

예전에는 각 제품을 수동으로 생산하는 데
필요한 시간과 에너지로 인한 문제를 가져왔습니다.

치과 및 치열 교정 분야에서 3D 인쇄가 도입됨에 따라
많은 문제를 해결할 수 있습니다

오늘날 치과 의사 또는 교정 치과 의사는
클라이언트의 턱과 치아를 3D로 스캔하고

최종 사용자에게 고유한 맞춤형 제품을
디지털 방식으로 제작하고 제조 할 수 있습니다.

치과 산업은 전체적으로 3D 프린팅을 대부분 선택했으며,
치과 용기구 및 금형 제조용으로 특별히 고안된 전용 3D 프린터 모델도 있습니다.

보철

아마도 3D 인쇄가 어떻게 많은 사람들의 삶에 혁신을 가져 왔는지에 대한
가장 확실한 예 중 하나가 e-NABLE 인공 삽입물의 형태가 될 것입니다.

자유롭고 제작하기 쉬운 3D 인쇄 인공 보철기구는
보철 장치가 필요한 아동을 위해 쉽게 설계 할 수 있습니다.

e-NABLE 프로젝트가 혁명적인 다른 이유 중 하나는
아이들이 성장함에 따라 보철 장치가 성장하기 때문입니다.

기존의 제조 방법을 통해 생산되는 경우
성장속도에 맞춰 보철 장치를 교체하면 수만 달러의 비용이 발생할 수 있습니다.

3D 프린팅을 통해 맞춤형 보철 장치를 만들고
매우 저렴한 가격으로 제작할 수 있습니다.

항공기 제조 업체

GE Aviation과 Safran은 제트 엔진용
3D 노즐을 인쇄하는 방법을 개발했습니다.

이 기술을 사용하여 엔지니어는 복잡한 어셈블리를 기존 설계보다
가벼운 단일 부품으로 교체 할 수 있으므로

무게를 줄이고 제트 엔진의 연료 효율을 최대 15 %까지 높일 수 있습니다.
GE의 새로운 LEAP 엔진은 19 개의 3D 인쇄 연료 노즐을 구현하고

보잉 737MAX 및 에어 버스 A320neo와 같은
새로운 좁은 몸체 비행기에 동력을 공급합니다.

항공 우주기업 

Elon Musk의 상용 우주 회사 인 SpaceX는 3D 인쇄를 사용하여
SuperDraco 엔진 용 엔진 챔버를 제조했습니다.

엔진 챔버는 고성능 초합금 인 인코넬 (Inconel)을 사용하여 인쇄되었으며
성공적으로 수십 번 테스트되었습니다.

prop 제조자

영화의 초기부터 영화에 사용 된 소품은
대형 영화 스튜디오에서 손으로 일하는 전문가의 영역이었습니다.

그러나 3D 인쇄가 도입되면서 소품 제작은
누구나 쉽게 이용할 수 있고 저렴하게되었습니다.

위의 특별한 소품은 로스 앤젤레스 기반의
디지털 제작 스튜디오 인 Factor 31과

공동으로 캘리포니아의 컨셉 디자이너 인
Vitaly Bulgarov에 의해 만들어졌습니다.

제품 디자이너

모듈 형 벽 예술을 창출하는 중소기업 인 Mak Products는 새로운 제품 컨셉을 위한
고품질 프로토 타입을 제작할 수있는 솔루션이 필요했습니다.

선택적 레이저 소결 (SLS)을 사용하여 회사는
사용자 테스트 그룹으로부터 귀중한 피드백을 얻는 데

사용 된 4,000 개의 짧은 생산 작업을 3D 인쇄가 필요했습니다.
이 단계에서보다 정형적이고 고가의 기존 제조 주문을하기 전에
설계를 개선하고 문제를 해결하는 것이 쉬웠습니다.

건축가

건축 분야에 3D 인쇄가 도입되기 전에 스케일 모델을 생성하는 것은
건축가가 디자인 의도를 전달하는 데 있어
매우 힘든 시간을 소비하는 과정이었습니다.

오늘날에는 기존 CAD 데이터에서 직접 3D 인쇄 된
축척 모델을 빠르고 쉽게 만들 수 있습니다.

건축 분야에 3D 인쇄가 도입되기 전에 스케일 모델을 생성하는 것은
건축가가 디자인 의도를 전달하는 데 있어 매우 힘든 시간을 소비하는 과정이었습니다.

원하는 통신 레벨에 따라 이러한 3D 인쇄 모델을 다양한 재료와
사실적인 색상으로 인쇄 할 수 있습니다.

학생
3D 인쇄는 여러 분야의 학생들이 설계 과정의 초기 단계에서
자신의 개념을 현실적으로 구현할 수있는 저렴한 솔루션을 제공합니다.프로토 타입을 반복적으로 사용함으로써
학생들은 모델에서 빨리 배우고,이를 수정하고,이상적인 설계 솔루션 개발에 대한 실제 경험을 얻을 수 있습니다.

3D 인쇄는 여러 분야의 학생들이 설계 과정의 초기 단계에서
자신의 개념을 현실적으로 구현할 수있는 저렴한 솔루션을 제공합니다.

프로토 타입을 반복적으로 사용함으로써
학생들은 모델에서 빨리 배우고,이를 수정하고,
이상적인 설계 솔루션 개발에 대한 실제 경험을 얻을 수 있습니다.

이 특별한 자전거 프로젝트는 Fontys Technical University of Industrial Science의
산업 공학 학생들이 디지털 디자인을 3D 인쇄 된 스케일 모델로 번역 한 것입니다.

디자인 기업가

디자인 기업가로서 오마르 라다 (Omar Rada)는
가정 요리사의 예산에 전문 요리사 칼을 만드는 것을 목표로
Misen Kitchen Knife를 설립했습니다.

Kickstarter에서 13,116 명의 후원자에게  $ 1,083,344 USD를 투자 받았습니다.

디자인 과정에서 3D 인쇄를 사용하여 오마르와 그의 디자인 팀은
저렴한 비용으로 제조 할 수있는 적절한 디자인으로 칼을 정제하여 소비자에게 전달했습니다.

3D 인쇄를 활용해  최종 재료 프로토 타입을 위한 참고 자료를 준비하고
모든 것을 결합하여 최종 칼 디자인을 만들었다고 합니다.

엔지니어

좋은 디자인을위한 눈을 가진 엔지니어로서,
Rob Halifax는 일반적인 제품 카테고리가 보편적으로 아름답지 않다고 느꼈습니다.

그의 공학 지식으로, 그는 자신의 손에 문제를 제기할 수 있었고
자신의 면도날을 재 설계하는 과정을 시작했습니다.

3D 인쇄를 사용하여 최고라고 느낀 디자인 솔루션에 도달 할 때까지
그는 여러 번의 반복 작업을 할 수있었습니다.

얼마 후, 그는 자신의 아이디어를 성공적인 킥 스타터 캠페인으로 전환하여
지속 가능한 비즈니스로 이끌었습니다.

Halifax는 “3D 인쇄는 내 아이디어를 사업으로 전환시키는 데 중요한 역할을했습니다.
“비용 절감을 위해 관리하는 동안 우리가 지금까지 할 수 있었던 다른 방법은 없습니다.”라고 말합니다.

드론 매니아

산업 디자이너 인 Ken Giang은 자유 시간에
취미로 3D 인쇄 무인 비행기를 설계하고 있습니다.

“3D 인쇄를 사용하면 얻을 수있는 이점 중 하나는
전자 제품을 제외하고는 외부 공급 업체에 의존하지 않고
무제한으로 예비 부품을 생산할 수 있다는 것입니다.

“또한, 나는 나의 특별한 필요에 맞춰 멀티 헬기 디자인을
개발하고 커스터마이징 할 수있다. 이것은 내가 부품을 디자인하고
창의적으로 새롭고 더 나은 개념을 개발하도록 동기를 부여합니다. ”

신발 제조업체

소비재의 대량 맞춤화는 3D 인쇄를 통해 더욱 나아지고 있습니다.

최초의 3D프린팅을 신말 제조에 도입한 아디다스는
개별 최종 사용자의 요구에 맞는 제품을 제작하며
주문형으로 제조 할 수 있으므로 선적, 공장 및 과도한 원자재에서 벗어났습니다.

곧, 아디다스는 각각의 독특한 신발 디자인을 “대량 생산”할 수있는 속도로
맞춤화하고 구축 할 수있었습니다.

소비자 제품 제조사

3D로 인쇄 된 소비자 제품의 첫 번째 예 중 하나는 Print + 헤드폰입니다.

이 제품은 본체와 귀 쿠션을 포함하는 키트로 배송이 되고,
나머지 부품은 고객에게 디지털로 전송되어 3D로 인쇄하거나 3D로 인쇄 할 수 있습니다.

최종 제품은 완벽하게 사용자 정의가 가능하고 업그레이드가 가능하며 수정하기 쉬워졌습니다.