한 눈에 정리하는 3D 프린터의 원리

4차산업의 혁명을 주도할 기술 중 상업적으로 많이 주목받는 기술은 단연 3D 프린팅일 것이다. 

하지만 우리는 3D 프린터의 원리에 대해서 얼마나 알고 있는가? 이 기술을 접하는 일반인들도 이해하기 쉽도록 3D 프린터 기술의 원리에 대해서 정리해 본다.

3D 프린터의 원리

기존의 X,Y축으로 운동했던 2D 프린터에 상하축인 Z축 운동을 추가하여 입체적인 물품을 만들어 내는 것이 3D 프린터의 기본 원리이다. 여기에 3D 프린터의 작동 원리에 따라 쾌속조형방식과 3D조각기방식으로 나뉘어 진다.

1) 쾌속조형방식

3D 설계를 한 물건에 대해 가로로 수천~수만 개 이상 잘라서 분석한 후, 가루나 액체를 굳힌 얇은 막(레이어)을 여러겹 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성하는 방법이다. 재료에 따라 실(FDM), 파우더(SLS), 액체(SLA) 등으로 나뉜다.

<출처 : Pixabay>

레이어의 두께는 0.1mm ~0.08mm 수준으로 종이 한 장보다 얇으며, 레이어가 얇을수록 형상의 정밀도는 높아진다.

2) 3D 조각기방식

3D로 설계된 형상에 대해 커다란 합성수지 덩어리를 둥근 날로 깎아 물건을 제조하는 방식이다. 

적층으로 제조하는 쾌속조형방식에 비해 곡선부분을 매끄럽게 인쇄할 수 있다는 장점이 있지만, 날이 안쪽으로 들어갈 수 없어 컵이나 병과 같이 안쪽으로 들어간 모양은 구현해 낼 수 없다. 때문에 최근에는 쾌속조형방식이 더 선호되는 추세이다. 

쾌속조형방식의 구분

3D 프린팅 방식에서 가장 많이 쓰이는 쾌속조형방식(Rapid Prototyping)은 재료에 따라 구분된다. 

1) FDM (Fused Deposition Modeling) : 열경화성 플라스틱을 실처럼 만들어 내어 실타래처럼 감아둔다. 

<출처 : Wikipedia>

이 줄을 프린터 노즐에 통과시키면서 노즐에 고열을 가하면 원하는 형태로 하나씩 쌓아서 형상을 만들 수 있다. 현재 가장 보편화된 방식이기도 하다. 

2) SLS (Selective Laser Sintering) : 재료는 분말 형태의 플라스틱, 유리, 금속, 석고 등으로 다양한 소재를 파우더로 만들어 사용할 수 있다. 프린터 헤드에 가루를 담아 헤드가 지나가면 바인더라는 접착제를 뿌려 적층시킨다. 플라스틱을 활용한 FDM 방식과는 달리 금속, 세라믹, 고분자 소재 등 다양한 소재를 이용할 수 있다는 것이 장점이다. 

3) SLA (Stereo Lithographic Apparatus) : 광경화성 플라스틱을 녹인 액체를 재료로 하며, 이를 레진이라고 한다. 빛이 닿으면 굳는 광경화성 플라스틱의 성질을 이용하여, 접착제 대신 빛을 쏘여준다. 

4) 그 외 : 레이저를 이용한 방식, 잉크젯 방식 등 다양한 재료와 다양한 방식으로 쾌속조형방식의 발전은 현재도 진행 중이다.