3D 프린터의 소재에 따른 분류에는 다양한 종류가 있지만, 크게 분류하자면 액체, 파우더, 고체 기반의 3가지 종류로 나눌 수 있습니다. 이 방식들은 각각의 장단점을 가지고 있으며, 방식들의 조형 속도와 조형의 품질에 따른 차이와 색상을 표현 할 수 있는 방식도 있습니다. 최근 등장하는 3D프린터들은 다양한 방식의 장점을 결합한 형태의 제품들이 등장하고 있으며, 브랜드마다 다양한 방식들이 만들어 지고 있습니다.
고체 기반 방식
고체 기반 방식은 고체 상태의 재료를 절삭 하거나 녹여서 조형하는데, 원료의 가공 형태에 따라 다양한 방식으로 분류합니다. 주변에서 쉽게 볼 수 있는 3D프린터가 주로 고체 기반 방식의 3D프린터에 해당합니다. 특히 고체 방식 중에서도 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 개인용 3D프린터의 90% 이상을 차지하고 있습니다.
일반적인 FDM 방식은 고체형태의 플라스틱 소재(필라멘트)를 고온의 노즐을 통과 시키고, 그렇게 녹은 재료를 빠르게 경화시켜 한층씩 쌓아가며 조형하는 방식입니다.
고체 방식 중에 LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식은 종이 형태의 얇은 원료를 한 장씩 쌓아올린 후, 레이저 또는 칼을 사용해서 형상에 맞춰 절단합니다. 그리고 절단 된 재료를 접착제를 사용해 접착하는 작업을 반복하여 조형하는 방식입니다. LOM의 방식은 제조비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 내구성이 약하다는 단점이 있습니다.
액체 기반 방식
주로 액체 기반의 방식들은 빛에 노출시키면 경화되어지는 성질을 가진 광경화성 수지를 사용해 조형하는 방식입니다. 액체 기반 방식의 대표적인 방식은 SLA(Stereolithography, SL) 방식과 PJ(Photopolymer Jetting)방식이 있으며, 최근에는 기존 프린터보다 100배 가량 빠른 프린터로 소개된 ‘카본 3D(Carbon 3D)’의 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 방식 등이 있습니다.
액체 기반 방식의 SLA(Stereolithography, SL) 방식은 그림처럼 광경화성 수지가 담긴 수조에 UV레이저를 투사하여 광경화성 수지를 경화시켜 나가면서 조형하는 방식입니다. SLA방식의 출력물은 높은 수준의 정밀도와 우수한 표면조도를 얻을 수 있는 장점이 있습니다. 단점으로는 재료의 비용이 일반적인 FDM방식의 3D프린터의 필라멘트에 비해 가격이 높고, 광경화성 수지의 특성으로 인해 시간이 지나면 내구성이 떨어지며, 조형 시간이 느린 단점이 있습니다.
액체 기반 방식 중 하나인 PJ(Photopolymer Jetting) 방식은 잉크젯 프린터처럼 종이에 잉크방울을 분사하는 대신, 헤드에서 액상수지를 분사하며 UV램프로 경화 시키며 조형하는 방식입니다. PL방식의 가장 큰 장점은 다양한 색상 및 다양한 재료를 하나의 출력물에 분사하여 조형할 수 있다는 점입니다. 물에 녹는 소재를 서포트(지지대)로 사용하면 서포트의 제거가 매우 편해집니다. SL방식처럼 광경화 수지를 사용하는 특성으로 인해 시간이 지나면 내구성이 떨어지는 단점이 있습니다.
CLIP, Continuous Liquid Interface Production) 방식은 미국의 카본3D가 개발한 기술입니다. CLIP의 핵심 기술은 액체재료가 담긴 수조 바닥에 부착된 산소투과창입니다. 산소투과창은 콘택트 렌즈처럼 산소와 자외선(UV)을 모두 투과하며, 자유롭게 조절할 수 있습니다. 바닥의 프로젝터에서 조형할 모형의 형상을 자외선으로 투영하고, 자외선에 의해 액체재료는 경화됩니다. 빈 공간에는 산소를 통해 경화를 억제하며 제작이 진행됩니다.
액체재료가 담긴 수조에는 산소로인해 데드존(dead zone)이 생성되며, 데드존 위로는 자외선이 투과되지 않아 경화가 이루어지지 않습니다. 데드존 아래의 재료는 액체 상태를 유지하며, 경화가 진행되어 기존 3D 프린터의 적층방식을 탈피하였습니다. 연속적인 조형이 가능해 CLIP는 기존 3D 프린터 보다 100배 정도 빠른 조형이 가능합니다.
파우더 기반 방식
SLS(Selective Laser Sintering) 방식은 선택적 레이저 소결 방식으로, 금속재료를 출력하는 장비에 주로 사용되고 있으며, 대표적인 파우더 기반 3D프린터입니다. SLS 방식은 SLA방식과 유사한 방식을 사용하지만, 액상재료가 아닌 파우더 형태의 재료를 사용하는 차이점이 있습니다.
롤러나 Recoater arm과 같은 장치가 파우더를 얇게 뿌리고, 파우더 형태의 폴리머 재료나 금속재료에 레이저에 노출시키고 파우더를 가열하여 조형시켜 얇은 층을 생성합니다. 그리고 이 과정을 반복해서 적층해나가는 방식을 통해 출력합니다.
SLS방식의 장점은 소결되지 않는 파우더가 지지대 역할을 하기 때문에 따로 지지대를 만들 필요가 없고, 플라스틱부터 유리, 금속 등의 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 조형속도도 다른 방식보다 빠르다는 장점을 가지고 있습니다. 단점으로는 레이저와 같은 고가의 부품이 사용되어 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.
2014년 2월 특허가 만료되어 기존제품보다 저렴하고 다양한 기능의 SLS 방식의 3D 프린터들이 등장하고 있습니다.
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