3D 프린터는 다양한 형상을 제작할 수 있는 새로운 유형의 가공 장비로, 최근 몇 년 동안 그 응용 분야가 점점 더 광범위해지고 있습니다. 그러나 처리에 적합하지 않은 단점과 상황도 있습니다. 3D 프린터는 어떤 상황에서 제 역할을 할 수 있으며, 어떤 상황에서 기존 가공이 더 적합합니까? 3D 프린터의 특징과 커팅 가공과의 차이점은 다음과 같습니다.
3D 프린팅이란 무엇입니까?
3D 프린터는 3D 데이터를 얇게 잘라 2차원 형상을 만든 후, 2차원 형상을 쌓아 올려 3D 데이터의 형상과 동일한 3차원 모델을 만드는 장치이다. 재료를 제거하는 절단 가공, 성형된 재료를 형상화하는 소성 가공, 변형 가공과 달리 적층 가공이라고도 하는 적층 가공은 재료를 첨가하여 가공하는 관점에서 고려됩니다. 3D 프린터의 가공특성은 '모델링'과 '레이어링'으로 나타나며, 이는 모델링 방식과 모델링 재료의 종류에 따라 크게 다음과 같은 범주로 나누어진다.
레이어링 방식에 따른 분류
FDM(Fused Deposition Modeling): 핫멜트 재료를 노즐에서 분사하는 레이어링 방식으로 비교적 저렴한 개인용 모델부터 상업용까지 다양한 제품 라인을 갖추고 있습니다. 모델링 재료는 주로 수지이지만 금속상을 위한 재료도 있습니다. 예를 들어, 일부 열가소성 수치 제품의 경우 실제로 사출 성형에 사용되는 재료와 동일한 재료를 사용하여 성형할 수 있습니다.
UV성형법 : 액상수지에 자외선을 조사하여 경화시킨 후 재료를 증착시키는 공법입니다. UV 조사는 UV 프로젝터와 레이저 등을 사용하여 달성할 수 있습니다. 기본적으로 수지 재료의 성형에만 사용됩니다. 사용된 재료는 특수재료입니다. 층성형 방식에 의한 분말소결층은 레이저나 기타 방법을 이용하여 분말재료의 얇은 층에 조사하고 이를 가열하여 분말재료를 용해, 고화시키는 방법이다. 그 위에 재료분말을 얇게 깔고 다시 레이저 조사를 합니다. 이러한 레이어링 방법을 분말 소결 레이어링 모델링이라고 합니다. 일반적으로 소재와 첨가제를 혼합하여 사용하는데, 첨가제의 기능은 소재를 녹여 접착시키는 역할을 합니다. 이 방법에 적용할 수 있는 재료도 특화되어 있습니다.
재료 분류에 따르면
수지 소재
금속재료
3D 프린터는 수지 및 금속 재료를 가공할 수 있습니다. 다양한 모델의 장비로 가공할 수 있는 재료가 다르기 때문에 설계 목적에 따라 다양한 모델의 장비를 사용해야 합니다.
3D 프린터는 흔히 사람들에게 어떤 형상이든 쉽게 가공하고 제작할 수 있다는 인상을 주지만, 현실적으로 고품질의 모델링과 가공에는 방법과 축적된 경험이 필요합니다. 이러한 유형의 장비는 모든 것을 마음대로 생산할 수 없습니다. 또한, 형상 안정화를 위해 사용되는 클램핑 성형 부품을 제거하는 등 성형 후 후처리에 더 많은 시간이 필요한 경우도 있습니다. 많은 회사들이 이러한 유형의 전문 서비스를 제공하고 있으며, 우리는 이를 달성하기 위해 이러한 접근 방식을 우선시해야 합니다.
3D 프린팅과 커팅 가공의 차이점
3D 프린팅과 커팅의 가장 큰 차이점은 가공 방식이며, 이 외에도 많은 차이점이 있습니다.
처리방법의 차이
3D 프린터: 원하는 모양을 얻기 위해 재료를 추가하는 적층 가공입니다.
절단가공 : 블록 등의 소재에서 불필요한 부분을 제거하고 가공하여 가공 가능한 형상을 구별하는 것.
3D 프린터 : 2D 단면 형상을 기반으로 적층하여 속이 빈 구멍, 매달린 구멍, 곡선 구멍 등을 가공할 수 있습니다. 반면, 두꺼운 고기, 속이 비어 있지 않은 덩어리 등은 이러한 방식에 적합하지 않습니다. 더 많은 재료가 필요하기 때문입니다.
절단 가공: 속이 빈 구멍이나 내부가 구부러진 구멍은 가공할 수 없습니다. 또한 오버행 홀과 횡홀 가공의 경우 가공 공정 중 공작물을 여러 번 클램핑하고 고정해야 하므로 가공할 수 있는 형상의 자유도가 그리 높지 않습니다. 반면에 이 방법은 블록 재료에서 모양을 잘라내어 벽이 두꺼운 형상을 더 쉽게 생성할 수 있습니다.
처리에 필요한 데이터의 차이
3D 프린터: 3D 디자인 데이터뿐만 아니라 3D 프린팅 데이터도 필요합니다. 또한, 형상에 따라 지지대 설계가 필요할 수 있으며, 이는 특화된 소프트웨어나 STL, STEP, IGS 등의 3D 데이터를 중간 데이터로 필요로 할 수 있습니다. 이를 위한 데이터를 생성하는 데 시간이 오래 걸릴 수 있습니다.
절단가공 : 공작기계를 사용하여 절단을 하면 2D도면을 사용할 수 있습니다. 최근에는 NC "자동 가공"이 점차 주류가 되어 NC 프로그램을 자동으로 작성하는 응용프로그램(CAM)이 널리 사용되고 있습니다. DXF와 같은 일반적인 2D 데이터 형식 외에도 특히 복잡한 형상의 경우 STEP 및 IGS와 같은 3D 데이터 형식을 인식하여 NC 프로그램을 생성할 수도 있습니다. 이를 통해 처리 목표를 달성하기 위한 데이터를 쉽게 생성할 수 있습니다.
가공 가능한 재료의 차이점
3D 프린터에는 일반적으로 특수 재료가 필요합니다. 따라서 특수재료는 선택재료에 대한 제한 외에도 일반 재료에 비해 가격이 비싸다는 단점도 있다.
절단가공 : 금속뿐만 아니라 플라스틱 등 다양한 소재를 가공할 수 있습니다.
커팅 가공에 비해 3D 프린팅에 더 적합한 예
각 처리 방법에는 장점과 단점이 있습니다. 다음은 절단 가공보다 3D 프린팅이 더 적합한 경우입니다.
3D 크리에이티브 확인: 제품 기획 단계에서 제품의 외관을 확인해야 하는 경우 이 방법을 효과적으로 활용할 수 있습니다. 사양, 도면, 일러스트레이션과 비교해 실제 사물처럼 눈앞에 전시될 수 있어 더욱 명확하고 직관적인 경험을 제공할 수 있습니다.
중공 구조 및 내부 곡선 구멍: 이 방법은 무게를 줄이기 위해 중공 구조를 구현하려는 경우 또는 제품 내부에 복잡한 곡선 구멍 모양을 구현하려는 경우 매우 적합합니다. 특히 내부에 곡선형 구멍을 생성하는 경우 절삭에는 두 방향에서 구멍을 가공하고 이를 교차시키는 작업이 포함되므로 R 각도의 직선형 구멍만 생성할 수 있습니다. 그러나 3D 프린터는 복잡한 곡선 및 곡선 구멍을 만들 수 있습니다.
시제품 제작: 특히 플라스틱 제품의 경우 시제품을 제작하기 위해서는 절단 가공 시 시제품을 제작해야 합니다. 하지만 3D 프린터는 금형이 필요하지 않기 때문에 저렴한 비용으로 시험생산이 가능하다. 또 다른 방법은 시제품 자체가 아닌 사출성형이나 스탬핑에 사용되는 금형을 출력하는 것이다.
건설 및 건축 모델: 3D 프린터는 복잡한 곡선 구조를 만드는 데 적합합니다. 또한 중공형상 가공에도 능숙하여 건축모형의 스타일링에 더욱 적합합니다. 절단 공정에서는 중공형상을 얻기가 어려우므로 여러 부분으로 나누어 제조 및 조립하여야 한다. 해외에서는 3D프린팅을 활용해 건물 자체를 제작하는 현상이 점차 늘어나고 있지만 재료비, 부품 조합의 정밀도 등의 문제는 여전히 존재한다.
다품종 소량생산: 3D 프린터의 장점은 금형이 필요 없고 자유롭게 출력할 수 있다는 점입니다. 따라서 3D 프린터는 이미 절판된 보철물이나 제품의 재현은 물론 생산 라인에 사용되는 치구 등 다양한 형태의 소규모 생산에 적합합니다. 또한 맞춤형 자동차 부품과 같이 다양한 고객 요구를 충족하는 제품을 처리하는 데에도 사용할 수 있습니다. 그리고 데이터가 있는 한 똑같은 일이 즉시 이뤄질 수 있어 미판매 및 잉여 재고에 대한 리스크도 제거됩니다.
3D 프린팅과 커팅 가공을 효과적으로 구분
3D 프린팅의 가장 큰 과제는 낮은 가공 정확도입니다. 다른 부품과 조합하여 사용하기 위해서는 가공이 필수적입니다. 나사 등 다른 부품과 정밀하게 결합되는 부품의 형상은 적합하지 않습니다. 3D 프린팅은 커팅에 비해 가공 속도가 느리고, 재료를 포함한 운영 비용도 높아 대규모 생산에는 적합하지 않다. 따라서 소수의 다품종 생산을 제외하고 일반적으로 샘플, 시제품, 시험 등에 사용되는 금형의 가공 및 제작에 사용됩니다. 최근에는 자동차나 항공 산업에서도 3D 프린터로 만든 제품을 직접 최종 제품으로 설치하는 사례가 있지만, 아직 기존 가공 장비를 대체하는 수준에는 이르지 못했다. 프로토타입이라 하더라도 여전히 정밀도와 표면 거칠기 문제, 금속 재료의 열 변형이 어렵다는 문제가 남아 있습니다.
따라서 이상적인 접근 방식은 일부 제한된 응용 분야(예: 시험 생산)에서 3D 프린팅을 사용하고 정밀 시험 생산 및 대량 생산 단계에서 절단 가공을 채택하는 것입니다. 또한, 양산품과 동등한 수준의 성능평가가 요구되는 상황에서는 3D프린터가 양산품과 동일한 소재를 사용하지 못할 수도 있다. 이 시점에서는 이를 달성하기 위해 절단 장비를 사용할 필요가 있습니다.
재료를 제거하는 절단 공정과 달리 3D 프린터는 적층 가공을 위해 원하는 모양을 얻기 위해 재료를 추가하는 가공 장비입니다. 3D 데이터 조각의 2D 모양을 원하는 모양으로 쌓고 레이어링합니다. 3D 프린팅은 적층방식에 따라 용융증착모델(FDM), 자외선 모델링, 분말소결 적층모델 등으로 나눌 수 있으며, 사용하는 재료에 따라 레진과 메탈로 나눌 수 있다. 오버행, 가로 구멍, 내부 곡선 구멍 등 절단으로 얻을 수 없는 형상도 가공할 수 있지만, 현재 3D 프린팅의 정확도는 절단에 비해 낮아 특수 재료가 필요하고 가공 시간이 더 깁니다. 따라서 대량 생산에 비해 3D 프린터는 시험 생산 및 기획 과정에서 특별히 제한된 목적에 더 적합합니다.