기구쟁이 초보를 위한 기구설계 꿀팁
8. 3D 프린팅
3D 프린팅은 이런 복잡하고 자연에 가까운 형상을 만들 때 최고죠.뭔가 가공방법을 고려하지 않고 형상에 제약 없이 임시로 빠르게 일단 만들어 보고 싶거나 간단한 무언가를 만들어보고 싶을 때가 있을 겁니다. 그럴 때에는 3D 프린팅이라는 방법을 사용해 보는 것도 좋은 방법입니다.
3D 프린팅.. 이거 요즘 정말 흔해졌죠? 최근에는 학생들도 3D프린팅을 많이 배우고 있고 가정용으로 가지고 계신 분들도 많은 것 같습니다. 일단 간단히 정리하면 다음과 같습니다.
3D 프린팅은 디지털 데이터를 현실세계에 1층씩 쌓아서 만드는 방법을 말합니다.
지금까지 인간이 무언가를 만들 때에는 단일 부품은 모두 같은 재질로 되어있는 것이 기본 전제였습니다. 그래서 최적설계를 하고 나면 디자인적인 요소보다는 어떤 힘을 버틸 수 있는 것에 더 초점이 맞추어진 형상이 되었습니다. 또한 제작방법에 따라 형상이 어느 정도 정해져 버리는 것도 있었습니다.
그러나 최근 3D 프린팅 기술은 단일 부품을 제작하더라도 각 좌표(x, y, z) 별로 다른 재질을 사용하여 제작이 가능한 수준까지 도달하였습니다. 이렇게 되면 외관은 그대로 유지하더라도 힘을 많이 받는 부분은 내부적으로 더 강한 재질로 구성할 수 있게 됩니다. 혹은 단일 부품이더라도 원하는 부분의 탄성을 다르게 구성하여 특정 부분만 탄성값을 다르게 구성할 수 있습니다.
물론 이런 방법은 아직 비용이 매우 높고 제작하는데 많은 시간이 걸리기 때문에 당장 양산에 적용하기는 어렵습니다. 하지만 비용이 낮아지고 보편적인 것이 된다면 지금 우리의 시각과는 전혀 다른 시각으로 설계를 해야 할지도 모릅니다.
3D 프린팅 종류
FDM(압출형/고체방식)
SLA(광조형/액체형)
SLS(소결형/파우더형)
먼저 FDM(Fused deposition modeling) 방식은 일반적으로 많이 사용되고 저렴한 방식입니다. 필라멘트를 고온의 노즐을 통해 녹여 쌓아 올리는 방식입니다. 1개 층이 완성이 되면 모델링이 만들어지는 판이 아래로 1 step씩 내려가게 됩니다. 물론 노즐이 위로 올라가는 프린터도 있습니다. FDM방식은 다른 방식보다 많이 느리고 정밀도가 낮다는 단점이 있습니다. 또한 공중에 떠있는 부분은 쓰러지지 않도록 지지대 형상이 필요합니다.
SLA(Stereolithography Apparatus) 방식은 액체상태의 광경화성 재료에 빛을 이용하여 한 층 씩 굳히는 방법으로 만듭니다. 따라서 FDM보다 정밀하고 매끄러운 표면을 만들 수 있습니다. 그래서 주얼리 산업이나 의료, 외관이 중요한 프로토타입을 만들 때 사용합니다. 하지만 완성 후 세척과정이 필요하고 비용이 높으며 열에 약하다는 단점이 있습니다.
SLS(Selective Laser Sintering) 방식은 분말형태의 재료를 1층씩 쌓으면서 레이저를 이용해 원하는 부분만 순간적으로 녹여 붙이는 방법입니다. 플라스틱뿐만 아니라 금속재료도 가능한 방법입니다. 금속을 사용할 경우에는 후처리로 열을 가해주면 강도가 더 높아지게 됩니다. 그러나 비용이 매우 높다는 단점이 있습니다.
한때 3D 프린터가 세상을 다 바꾸어 놓을 것 같이 알려지던 때가 있었습니다. 그러나 아직까지 대부분의 제조업에서는 3D프린터로 양산을 하기에는 어렵습니다. 여기서는 현재 주로 사용되는 FDM 방식을 기준으로 정리하도록 하겠습니다.
3D 프린팅의 장점
3D 프린팅은 제조방식 자체가 1층씩 쌓아서 만드는 것이기 때문에 별도의 형틀이 필요 없으며 거의 대부분의 형상을 실제로 제작할 수 있습니다. 지금까지 정리했던 가공방식으로 구현할 수 없거나 비용이 너무 높은 형상도 모두 제작이 가능합니다. 과거에는 표면의 품질이 낮고 소재도 플라스틱만 가능했으나 최근에는 색상도 다양하고 심지어는 투명하고 매끄러운 표면도 구현이 가능합니다. 또한 탄성이 있는 소재도 프린팅 할 수 있어 고무나 실리콘 성형품을 검토할 때 금형을 제작하지 않고도 미리 검토가 가능해졌습니다.
3D 프린팅의 단점
같은 플라스틱을 사용하는 사출방식에 비해 생산 속도가 너무너무 느리고 정밀도나 강도가 좋지 않기 때문입니다. 적게는 10분, 많게는 수십 시간이 걸리며 크기가 커질수록, 밀도가 높을수록 제작 시간은 비례하여 증가하게 됩니다. 또한 3D 프린팅은 플라스틱 소재를 녹여서 쌓기 때문에 이 과정에서 발생한 유해가스는 건강에 악영향을 주기도 합니다. 또한 계속해서 장비를 유지보수를 해주고 점검을 잘해주어야 지속적으로 사용이 가능하다는 단점이 있습니다.
사용하기 적합한 분야
그럼 3D프린팅을 어디에 활용하면 좋을까요?
프로토타입
각종 지그
판금물 금형, 간이 사출금형
제품의 프로토타입을 만들거나 생산을 위한 지그 정도로 활용하기에는 아주 적합합니다. 즉 정밀함이 요구되지 않는 다품종 소량생산에 적합합니다. 최근에는 정밀도와 강도가 좋아져서 판금물의 금형이나 간이 사출금형으로 사용하기도 합니다. 하지만 그런 수준의 출력물을 만드는 장비는 고가이고 재료값도 비싸다는 단점이 있습니다.
리드타임
3D 프린팅은 3D 데이터만 있으면 바로 출력이 가능합니다. 출력시간만 생각해 보면 FDM 방식의 3D 프린팅은 출력물의 밀도 설정에 따라, 외관 크기에 따라 시간이 변하게 됩니다. 보통 50%의 밀도로 뽑았을 때 스마트폰만 한 크기가 2~3시간 정도 걸립니다.
