3차원 인쇄(3D Printing)

3차원 인쇄 (3D Printing)

3차원 인쇄 (3D Printing)는 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술이다. additive manufacturing이라고도 한다.

 

3차원 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌 기존 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물로 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다. 단점으로는 현재 기술로는 제작 속도가 매우 느리다는 점과 적층 구조로 인해 표면이 매끄럽지 못하다는 점 그리고 위험한 총기와 같은 물건을 마음대로 인쇄할 수 있다는 점, 지식재산권을 침해할 수 있다는 점 등이 있다.

 

3차원 인쇄 기술은 제4차 산업 혁명으로 불리며, 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 예상되고 있다.

3차원 인쇄 기술은 1981년 일본 나고야시 공업 연구소의 고마다 히데오가 처음 이론화 하였고 1986년 미국의 찰스 훌 (Charles W.Hull)이 특허를 얻어 설립한 3D 시스템스 (3D Systems)사에서 처음으로 제품화를 하였다.

3D 프린터의 안전성 문제

3D 프린터의 발달로 인해 3D프린팅의 건강 및 안전 문제에 대해 연구가 새롭게 대두되고 있다. 2017년 유럽 안전청 (European Safety Agency for Work)은 3D 인쇄와 관련된 프로세스 및 자료, 산업 안전 기술의 함의를 논의하고 위험 요소를 제어할 수 있는 방법을 다룬 논문을 출간하였다. 대부분의 논의 대상은 가스 및 특정 물질의 노출 정도이다. 특히 나노물질, 정전기, 움직이는 부품 및 압력에 초점을 맞추고 있다.

 

NIOSH (National Institute of Occupational Safety abd Health) 연구에 따르면 융합 필라멘트의 입자 방출은 인쇄가 시작된 후 몇 분 후 최고점에 이르렀으며 인쇄가 끝난 지  100분 후에 기준선 수준으로 되돌아갔다. 융합 된 필라멘트 프린터의 배출물에는 수많은 초 미세 입자 및 휘발성 우기 화합물 (VOC)이 포함될 수 있다고 밝혀졌다. 배출물의 독성은 입자의 크기, 화학적 성질 및 방출 입자의 양 및 원료에 따라 다르다. VOC에 과도하게 노출되면 눈, 코, 목구멍의 통증을 유발하며, 두통, 조정 능력 상실, 메스꺼움 및 천식과도 관련이 있다. 동물 연구에 따르면 융합 필라멘트 프린팅에 사용되는 탄소 나노 튜브 및 탄소 나노 섬유는 나노 입자 크기에서 염증, 육아종 및 폐 섬유증을 유발할 수 있다고 밝혀졌다.

 

탄소 나노 입자 배출 및 분말 금속을 사용하는 공정은 가연성이 높으며 분진 폭발 위험성을 높인다. 실제로, 융합 필라멘트 인쇄에 사용되는 금속 분말로 인한 폭발로 심각한 부상을 입은 사례도 발견된 일이 있다. 또한 기타 안전 문제로는 UV램프 및 인쇄 헤드의 발열 문제, UV 램프의 고전압, 자외선 및 움직이는 부품으로 인한 기계적인 부상의 가능성이 있다.

 

건강과 안전에 대한 위험 요인은 인쇄 작업이 끝난 후 처리 작업에서부터 존재한다. 이러한 후처리 활동에는 인쇄 된 형상을 수정하기 위한 드릴링, 밀링 또는 선삭과 같은 일반적인 감산 (subtractive) 제조기술뿐만 아니라 화학 색욕, 샌딩 (sanding), 연마 또는 표면 마감을 정련하기 위한 증기 노출도 포함된다. 마스크 또는 보호경과 같이 적절한 개인 보호 장비를 사용하지 않으면 인쇄된 작업물에서 분진을 제거하는 과정에서 호흡기에 흡입되거나 눈에 상해를 입힐 수 있는 입자에 노출될 위험이 있다.

작동 원리

일반적으로 가공방식은 크게 두가지로 나뉜다.

 - 적층제조 (additive manufacturing)

가루나 액체 형태의 재료를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 방식이다. 비교적 복잡한 모양을 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다는 장점이 있다. 다만 완성품의 표면 처리를 위해 후처리 공정이 필요할 수 있다. 3차원 인쇄가 이에 포함된다.

 

- 절삭제조 (subtractive manufacturing)

재료를 공구로 깎아가며 모양을 만드는 방식으로, 공구의 모양과 절삭 방법에 따라 만들 수 있는 기하 형태에 한계가 있다.

 

- 제작 프로세싱

  1. 모델링 (modeling)

일반적으로 CAD 또는 3차원 모델링 소프트웨어를 이용하여 3차원 데이터를 완성하며, 3D 스캐너를 이용해 3차원 데이터를 얻을 수도 있다. CAD와 기기 간의 표준 데이터 인터페이스는 일반적으로 STL 파일 형식이다. 3D 스캐너로 생성된 파일은 보통 PLY형식을 쓴다.

 

 2. 프린팅 (Printing)

기계가 모델링 과정에서 만들어진 도면을 이용해 물체를 만들어내는 과정이다. STL파일을 읽어 들여 CAD 모델에서의 가상적인 단면을 만들어내 액체나 분말 등의 재료의 연속적인 층을 생성한다. 인쇄 과정은 사용방법과 모델의 크기와 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠 정도의 시간이 소요될 수 있다.

 

 3. 후처리 (Post-processing)

인쇄된 결과물에 대해서는 필요할 경우 마무리 공정이 추가되기도 한다. 사포로 연마하거나, 색칠하거나, 인쇄된 파트들을 조립하는 공정이 추가될 수 있다.

 

- 해상도

3D 프린터는 기존 잉크젯과 동일한 구동방식을 이용해 적층 방식으로 찍으므로, XY축XY 축 해상도와 함께 각 층의 두께로 해상도가 정해진다. 즉 한 층의 두께와 XY축의 해상도를 DPI(dots per inch)로 표현하게 된다.