3차원 프린터에 관심이 많은 분을 위하여

[화평지인]

3차원 프린터에 대한 관심이 많으신 것 같고 잘못 알고 있는 정보가 많은 것 같아 소개 올립니다. 

3차원 프린터란 용어가 사용되기 이전, Rapid Prototype Machine (RP Machine)으로 일반적으로 널리 알려 졌습니다.

우리 나라에는 97~8년 부터 소개 되오다 99년 말 부터 2000년 초기에 대학과 연구 기관, 일부 대기업에 급속히

퍼지게 되었습니다. 그렇게 퍼지게 된 데에는, 몇 가지 이유가 있습니다.

1. 선진 제품 개발 기술이 적었던 한국에는 역설계를 통한 선진 제품 모방 기술이 필요한 시기 였다.

   90년대 말에 국내에는 3차원 캐드가 급속히 도입 되는 초엽 이었습니다. 대기업을 중심으로 3차원

   설계 개념의 도입이 시급 했었던 시기 였고, 이때 3차원 제품의 개발 프로세스 개선 도입은 기업의 

   경쟁력을 좌지 우지 하는 중요한 과정이기도 하였습니다. 실제 이때 삼성전자, LG 현대 , 대우 그룹등

   주요 기업은 외산 캐드 시스템을 도입 하기도 하고 자체로 개발 하려는 노력도 하였던 시기이기도 합니다.

   문제는 제품의 자체 개발 능력이 많이 떨어 지고, 또 2차원 CAD 인 오토 캐드와 기타 2D 캐드로 제품을

   개발 할때에도 외국 제품을 수입해와서(하드웨어를 모듈 형태로) 껍데기만 만들거나, 정밀 기술은

   일본이나, 독일, 미국에서 개발 했던 2차원 도면과 제조 기술을 수입 해와서 국산화 하는 방법, 

   선진 제품의 Dead Copy 밖에 할 수 없었던 시기에 3차원 캐드와 더블어 놀라운 기술이 선보이게 

   됩니다.  3차원 측정 기술 입니다. 3차원 측정 기술, 3차원 스캐너라고도 하는 이 기술이 선 보이면서

   제품의 역설계 기술로 스캐너, CAD, 3차원 프린터(RP)의 환상적 궁합이 이루어 지면서 기술의 혁혁한

   발달이 이루어 집니다.  

2. 이러한 기술의 발달 과정에 IMF로 인해 피폐 해진 경기 부양을 위한 정부의 정책이 강하게 드라이브 되던

   시기 였습니다.

    이 시기의 경제는 많은 분이 아시듯, 주요 대기업을 팔아 버려야 하고 공기업도 민영화 하는 어려운 시기

   였던 때였습니다. 이 시기에 정부는 대학과 연구 기관과 산업체의 공동 연구, 즉 산학 협력과 지역 클러스터,

   테크노 파크등 다양한 정부 지원 사업을 역동적으로 추진 하고 과감한 정부 자금을 지원 하게 됩니다. 

   이 사업의 목적은 양질의 대학 연구 인력과 산업체, 그리고 첨단 테크노 장비가 연합된 산업 발전 활성화 

   전략이었습니다. 이 사업은 주요하게 작용 하면서 대학교내에는 정부 자금과 산학 연구 개발을 위한 자금

   유치등이 활발해 지면서, 고가의 하이테크 장비들이 많은 학교와 연구 기관에 설치되고 운영 센터가 설립

   됩니다. 

 이외에 여러 부분이 있지만, 주 내용은 사실 이것이 아니기에 여기서 줄이고,

 3차원 프린터의 개념을 설명할때 제가 많이 쓰는 설명으로 먼저 설명을 드립니다.

 얇은 종이 위헤 별 모양을 만들고 가운데에 큰 구멍을 그립니다. 이것을 칼을 이용해 모양 대로 잘라내고, 다음 장을 똑같이 만들어 그 위에 붙입니다. 이렇게 계속 반복 하면 원하는 두깨의 구멍이 뚫린 3차원 별 모양이 생기 겠죠? 사실, 이러한 개념이 3차원 프린터의 출발 입니다. 실제 이렇게 종이로 하는 3차원 프린터 장비도 판매 되고

있습니다.  

 그림을 보듯이, 현재 일반적으로 많이 알려져 있고 많이 사용하는 기술들 입니다. 재료가 분말이냐 , 액상이냐, 

와이어 형태 이냐에 따라서 기술의 차이점이 보이지만, 기본적으로는 3차원 모델의 한 층을 조형하기 위하여 

사용하는 기술 입니다.

SLA 라고 표시되어 있는 기술은 큰 수조에 아크릴계열 용융된 수지가 채워져 있어 레이저로 3차원 

모델을 잘라냈을때의 형상을 레이져가 빠른 속도로 수지를 고화 시키면서 1층을 만듭니다. 조형이 완료되면

수조의 트레이가 아래로 수미크론 하강 하고, 같은 작업을 반복 합니다. 주위의 고화 되지 않은 재료는

그상태로 조형으로 쌓여져 가는 모델의 지지대 역활을 해주고, 조형이 완료되면 트레이를 들어 올리면

3차원 모델이 만들어 집니다. 

SLS 는 재료가 분말 이라는 특징으로 장비에서 얇은 두께로 층을 깔아 주고 롤로가 평탄 작업을 한 수 레이저가

형상대로 수지를 용융시켜 부착 시킵니다. 이런 과정을 반복해 3차원 모델을 만들게 됩니다. 주변의 분말은

그상태로 수지가 고화 도기전까지의 지지대 역활을 해 줍니다.

FDM 은 상기 기술과는 다르게 ABS , PC 등 다양한 플라프틱 원재료를 사용할 수 있습니다. 와이어 형태로

공급 되는 플라스틱 수지를 해드에서 용융 시켜 바로 그림 그리듯이 한줄 한줄 그려 나가듯이 3차원 모델의

한 층을 조형 합니다. 이 방법은 색연필로 그림 그리는 것과 같은 느낌이 듭니다. 외곽을 그리고 내부를 채우고

하는 것이 선형으로 움직 입니다.

 3차원으로 조형된 모델은 분말형 기술 (SLS)외에는 고화 되기 전까지의 얇과 부러지기 쉬운 지지대를 구성해 줍니다. 이것은 모델이 완전이 고화 되기 변형되는 것을 방지 하기 위해 서입니다. SLA, FDM은 모델을 지지하기 위한 지지대가 필요 합니다.

 위의 세 기술만 간단히 설명 드렸는데, 2000년 초반에 기술이 개발 되어 현재 많이 알려져 있는 기술로 잉크젯

기술이 있습니다.

 위와 같은 방법으로 조형하는 기술 인데, 마치 잉크젯 프린터로 출력을 하듯 프맅너 헤드가 한 번 움직이면

한개의 층이 조형이 완료 됩니다. 잉크젯 프린터 기술을 응용한 것 같은데, 헤드의 작은 수백여 구멍에서 

액상 수지가 수미크론으로 분사되고 이것을 자외선으로 고화 시키는 기술 입니다. 특징은, 위에 설명했던

기술들이 3차원 모델의 형태가 고화 되기  전까지 지지대의 역활을 하는 별도의 구조물이 필요한데, 폴리젯

기술은 모델이 되는 부위와 모델을 지지하는 지지대의 재료가 다릅니다. 즉, 모델을 이루는 재료는 광경화성

수지 이며, 지지대 역활을 하는 부위의 재질은, 젤 타입의 지지대로 3차원 조형시 얇게 한 층으로 동시에

분사가 됩니다.  그림에서 보면 노란색이 모델 재질 이고, 하얀색 부분이 지지대 입니다. 이 지지대는 조형이

완료되고 고화 되면 손이나 기구, 워터젯으로 분사해 제거 합니다. 

 지지대가 있는 3차원 프린터는 지지대 역활을 하는 별도의 구조 물을 제거 해 주는 작업을 해야 하는데, 이작업이

또한 만만치 않은 기술이 필요 합니다. 

 폴리젯의 특징중 또 다른 접은 위 우측 그림 처럼 2가지 다른 재질과 서포트를 동시에 조형 할 수 있고, 

두 재질을 혼합 하거나, 같이 조형 할 수 있다는 것입니다.

 3차원 프린터는 방송에 보여 주는 것처럼 완벽한 것은 아닙니다. 현재 많은 기술이 개발 되고 있고 설명 되지

않은 기술도 많지만, 기본 개념은 위의 기술과 거의 유사 합니다. 재질이 무엇인가, 고화 시키는 방법, 정밀도 등의 차이 입니다. 3차원 프린터를 많이 활용하는 이유는 제품을 개발 하여 테스트, 마케팅, 디자인 검토등 다양한 용도에 사용하여 양산에 들어 가는 장비와 금형 제작의 오류를 최대한 줄이고자 하는 것입니다.

실 제품으로 바로 활용하는 단계로 가기에는 재료와 강도, 환경등 다양한 기술이 발전 해야 합니다.

여기에 3차원 프린터가 있게 가능 한 것은 3차원 CAD 기술 입니다. 3차원 CAD 기술의 발달이 공작 기술의 

눈부신 발전을 보였던 것처럼 3차원 CAD의 발전은 3차원 프린터가 있을 수 있는 원동력이었다고 

생각 합니다. 3차원 CAD 없이, 3차원 프린터는 없습니다.

 3차원 프린터는 전자, 자동차, 항공, 조선등의 산업 분야 뿐만 아니라, 의료 분야, 치기공, 건설 분야, 문화재 복원등 다양한 분야로 그 활용 분야를 넓혀 가고 있습니다. 

 이정도로 기본적인 3차원 프린터 설명을 드리고 마칩니다. 

 3차원 프린터로 조형 가능한 샘플 들

[치우엔진]

좋은 정보 감사합니다. 향후에 보급형 3D프린터의 기능은 뭐가 있을까요? 비행기 모형정도는 될까요??

[아놔 키스트]

고맙습니다..

[정론직필]

좋은 글 감사합니다.

글씨 크기를 11~12 포인트로 조정해주시면
읽기에 더 편할 것 같습니다.

[知天命]

감사합니다~~

[산미구엘]

샘플용이나 소비재 외에 이방법으로 제작이 필요한 경우가 있을지 모르겠네요... 주물단조 CNC등 기존방법보다 원가가 적게들것같지도않고..

[써니뱅크]

와 전문가의 설명이 자세하시군요!
저는 몇달전 호주의 체널 7 에서 3 디 photocopy machine의 자세한 설명을 하는 전문가의
방송을 보았었습니다.

Additive manufacturing 이라고 하면서 캐드 그러니까 computer aided design에서 현실화 시킨
실제적인 불루 인쇄라고 소개하는걸 들었습니다.

저분처럼 자세한 설명이 아니라서 손에 만진것 같진 않았지만 그 원리는 적분(integration)을 이용한
x y z 세개의 축을 세밀하게 슬라이스(slice)해서 복사한다음 입력하여 그다음은 위의 본문처럼
재료들을 사용한다고 하더군요.
쓰이는 곳은 호주에선 메디칼 분야에 적극 활용하고 있다고 하더군요.
stl file 같은 전문용어도 나오니깐 어렴

[화평지인]

STL 파일은 3차원 CAD 데이터의 변환 파일 입니다. 개념적으로는 볼륨이 있는 3차원 모델을 작은 4면체로 수없이 분할 하고, 그 정보를 저장 한다고 합니다. 파일 내용에는 아마도 좌표와 4면체의 볼륨 정보 등이겟죠. 이 파일의 목적은, RP 조형에 활용하기 위해서였는데 후에는 이 파일 자체를 직접 수정하고 편집하는 소프트웨어도 많이 개발
되었고, CAE 해석을 직접 활용하는 소프트웨어도 많이 생겼습니다.

[써니뱅크]

풋하게 이해했는데 가장 이해하기 쉬웠던건 슬라이스 하고 분해해서 정보를 입력한다는 것에서는
이해를 했습니다.
그런데 저작권법에 따른 문제로 인해서 소송이 많이 되고 있다고 하더군요

우리 한국말이 확실히 어렵군요

[써니뱅크]

우리나란 1997년부터 소개되다가 2000년이 되어서야 본격화 되었군요.
이게 원랜 1980년대 일본놈들 연구소에서 출간 발표된거라고 했는데

[화평지인]

아, 그리고 97년 이라고 이야기 하는 것은 사실 근거는 없습니다. 그 전 부터도 소개 되어진 것이지만, 이때쯤에
스캐너, 프린터, 캐드등에 대한 통합 프로세스에 대한 제안이 시작 되기 시작한 때여서 그때 쯤이라고 개인적인
추정 입니다. 그리고 특허 문제가 풀리면서, 중국산, 국내산으로 저가형 제품도 많이 나오고 있습니다. 백여 만원에서 수백만원 정도의 가격도 유통 되고 있는 것으로 알고 있습니다.

[johnson]

벌써 십년도 더 되었지만 그때 모 대기업 다닐때 모형샘플 저런 식으로 만들어내서 참 세상 좋아졌구나 했었는데... 아직 비싸긴 하지만 이제 일반에까지 보급되기 시작할정도니 정말 세상의 변화는 빠르네요.

[파루시아]

재료공학의 발달을 촉진시키겠구먼요... 나노분자 정도의 사출능력이 있다면 실물을 제조할 수 있을 거 같습니다만.

[화평지인]

재료 중에는 왁스로 프린트 하는 3차원 프린터가 있습니다. 이 재료를 사용하여 진공 주조 기술로 정밀 주조가 가능 합니다. 항공기 부품을 개발 할때도 왁스로, 블레이드나, 터빈 부품을 왁스로 형을 뜨고, 이 왁스에 세라믹을 도포한 후 고열로 태우면 왁스가 녹아 사라지고 중공 상태의 틀이 만들어 집니다. 이 부위에 용융된 고온의 특수 합금을 붓고 냉각 시키면
부품이 완성 됩니다. 완성된 부품은 추가적인 가공, 폴리싱, 연마, 혹은 정밀 가공 (5축 CNC)으로 완성 부품을 만듭니다.
반지나, 금장 장신구도 유사 방법으로 제작이 가능 합니다.

[화평지인]

3차원 프린터의 기술에 본질적인 문제, 재료 , 강도 문제 뿐만 아니라 실제로, 응용 기술 분야까지 본다면, 새로운 세계가
열립니다. 북한의 역설계에 의한 개발을 이야기 한다면, 결국 이러한 과정을 거치지 않았을까 하고 추측해 봅니다.

부품 입수, 3차원 스캐닝, CAD 를 이용한 3차원 화/수정 및 편집, 3차원 시제품 (3차원 프린터 혹은 CNC), 테스트용
실 부품 제작, 테스트, 개발 완료 , 다종의 모듈 개발 ,,,

[화평지인]

시제품을 만들기 위해 CNC도 많이 활용하지만, 제품의 구조에서 볼때, CNC로 100퍼센트 구현이 불가능한 제품이 너무
많습니다. 두깨가 너무 얇거나, CNC 축을 아무리 조정해도 공구가 들어 갈 수 없는 구조라면 CNC 로 조형이 어렵겠죠.

[화평지인]

아이언맨의 소품들을 3차원 프린터로 제작하여, 사용하기도 하고, 아바타의 캐릭터를 연속 동작의 동작 하나하나를 만들어
동영상을 만들기도 합니다. 에니 메이션, SF 영화에도 많이 활용되고 있습니다.

[써니뱅크]

ㅈ지인님
한가지만 더 질문하는데요 제가 평면에 그린 그림을 삼차원으로
바꾸는 프로그램도 있는가요?

[화평지인]

그런 프로그램은 없습니다. 평면 그림에 그린 개념도를 만들기 위해, 3차원 캐드 프로그램을 이용해 모델링 하여야 합니다. 형상을 보아야 겠지만, 일반적으로 자동차를 개발 한다고 하면 디자이너가 그린 개념도에서 추출 할 수 있는 곡선이나 윤곽선등을 활용하기도 하지만, 자동으로 3차원화 시킬 수는 없습니다. 말하자면, 평면상에서 그린 그림은 그림 일 뿐이고, 그것을 다시 3차원 CAD를 이용해 완성해 나가는 방법으로 구현 한다고 할 수 있습니다.