3D 프린터의 원리
제조업에서 제품을 제조하는 방식은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫째는 대량생산에서 가장 많이 사용되는 주조방식으로, 금속이나 물질을 녹여 틀에 붓고 응고 시켜 제품을 만드는 방법이다. 이때 틀을 주형이라고 부르고, 재질이 금속인 주형을 통해 생산하는 방식을 금형 주조, 재질이 모래인 경우 사형 주조라고 부른다. 두 번째 방법은 공작기구를 통해 재료를 깎아 내는 방식인 절삭 가공 방식이다. 소재를 회전시켜 깎아 내리는 선반, 공구를 회전시켜 깎는 밀링 머신, 구멍을 뚫는 드릴링 머신 등을 통해 제품을 만드는 형태다. 불규칙하고 복잡한 면을 깎거나 드릴의 홈, 기어의 이빨을 깎을 수 있는 장점이 있어 크기가 있는 자동차, 항공기 등의 부품과 정교한 가공이 필요한 부품을 제작하는데 활용된다. 마지막은 재료를 추가하고 더하는 적층 가공 방식이다. 원료를 여러 층으로 결합시키거나 쌓아가면서 입체적인 형상을 만들어가는 방식으로 3D 프린터가 이에 해당한다. 제품을 만드는 과정에서 각각에 맞는 주형이나 공작 기구 등이 필요 없고, 3D 프린터와 제품의 원료만이 필요하기 때문에 제품의 제작 기간 및 비용의 효율성을 높여 준다. 수십 년 전부터 시작품 제작 등에 활용되어 왔지만 비용 등의 이유로 대중에게 관심을 받지 못한 ‘비운의 역사’가 있다. 그러다 2000년대 초 주요 특허들이 만료 되면서 급속도로 기술이 발달하게 돼, 제조업의 새로운 혁명을 가져오고 있다.
3D 프린터를 통한 제조 과정은 크게 모델링, 프린터, 후처리로 나뉜다. 가장 기본이 되는 과정은 3D 모델링, 3D 캐드와 같은 프로그램을 이용해 모델링을 하는 것이다. 물체를 스캔해 복제하는 형태로 모델링 할 수도 있다. 이렇게 모델링 된 이미지들은 미적분의 원리를 이용하여 층별로 쪼개진다. 이때 나뉘는 층의 개수에 따라 출력물의 해상도 차이가 발생한다. 즉, 층을 얼마나 더 잘게 쪼개고 세밀하게 표현해 내느냐에 따라 출력물의 해상도가 결정되는 것이다. 2D 프린터는 DPI처럼 일정 단위에 찍히는 점의 수와 같은 단위로 해상도를 측정하지만, 3D 프린터는 층과 입자의 두께가 해상도를 나타낸다.
3D 프린터에는 잉크 대신 합성 수지, 고무, 금속과 같은 원재료가 들어 있어 본격적인 프린팅에 들어가면 설계도에 맞게 재료들을 층층이 아주 얇게 쌓아 올려 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다. 대부분의 3D 프린터는 디자인에 따라 프린터 압출기의 움직임을 통해 위치를 조절하여 쌓아 올린다. 이렇게 만개 이상의 얇은층을 잘게 쪼개서 쌓아 올리다 보니 멀리서 보면 일반 곡선처럼 부드럽게 보이지만 자세히 들여다 보면 계단 형식의 질감이 느껴진다. 성능이 낮은 프린터일 수록 제품의 표면이 거칠게 나올 수 있다. 이러한 점을 보완하기 위하여 마무리 작업인 피니싱이 필요하다. 최근에는 표면을 깎는 절삭 가공의 일종인 CNC기술과 접목한 하이브리드형 3D 프린터가 출시돼 이러한 단점을 해결하고자 하고 있다.
출처: HP, 3D시스템즈