3D 프린터 최근 개발동향 - Amazon Web Services...14 한국산업기술평가관리원 PD...

SUMMARY

목적

3D 프린팅의 표준화동향에 기반을 한 분류체계를 소개하고 방식별 기본작동 원리를 소개하여 3D프린팅 프린팅장비에 대한 공감과 이해도를 높이고자 함

3D 프린터의 최신 개발동향을 소개함으로써 글로벌 선도기술의 현황과 기술적 이슈에 대하여 점검하고 향후 3D프린팅 산업의 개발방향에 대한 검토와 토론의 기회가 만들고자 함

주요현황

3D프린팅 장비의 장점을 극대화하고 단점을 보완하기 위한 신기술개발이 급속히 진행되면서 현재 대비 공정속도의 수십배 개선, 출력물의 크기 확대, 적층과 후가공의 공정복합화등으로 혁신이 진행되고 있음

복합가공기, 탄소섬유 프린터, 초고속 광조형 프린터, 전자회로/전자부품과 3차원 인쇄전자 프린터, 세계 최고 수준의 다중헤드 폴리머 프린터 등 다양한 산업에 응용을 위한 3D 프린터개발이 진행되며 빠른 속도로 상용화되고 있음

시사점 및 정책제안

다양한 용도 및 방식, 성능향상을 위한 혁신적인 방식의 연구가 활발히 진행됨

국내 프린터 개발 대기업의 미참여와 벤처기업의 자금력부족으로 산업용 3D장비 분야의 시장진출 지연과 신기술 개발 투자부진으로 국제경쟁에 뒤쳐질 우려 상존

3D 프린터 산업의 중요성과 기술발전방향에 대한 공감을 통하여 투자환경의 개선이 필요하며 장비와 소재의 연계발전이 요구되는 분야로 정책적 지원 필요

ｌ저자ｌ 윤기권 PD / KEIT 홈정보가전 PD실 이연옥 책임 / KEIT 홈정보가전 PD실 신진국 본부장 / 전자부품연구원

3D 프린터 최근 개발동향

14 한국산업기술평가관리원

PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6KEIT PD Issue Report

1. 3D 프린팅의 6가지 원리

3D 프린팅에 대한 분류는 용도, 소재, 크기 등 다양한 기준에 의해서 할 수 있다. 이러한 분류 중 프린팅의 동작 원리를 기반으로 한 분류가 기술적인 이해도 빠르고, 특허 분석 및 대처에도 유리한 듯하다. 미국은 이미 ASTM에서 7가지 방식으로 분류하고 있으며, ISO도 올해 1월 미국과 같은 7가지 방식으로 분류하기로 합의하였다. 또한 일본도 ASTM을 따르는 분위기이다. 국제 표준에 대응하기 위하여 우리나라도 7가지 방식에 따르기로 하였으며 산업적 파급효과 등을 고려하여 6가지 방식에 대한 전략기술로드맵을 수립하였다.

재료압출방식 (ME, Material Extrusion)

(보급형 프린터) 흔히 FDM(Fused Deposition Modeling)이라 불리는 방식으로 가장 널리 알려지고 보편화된 방식이다. 그러나 FDM는 Staratasys가 상표권을 가지고 있는 이름으로 FFF(Fused Filament Fabrication)로도 불린다. 정확한 명칭은 Material Extrusion이다. ABS나 PLA 수지를 1~2mm 직경의 필라멘트 형태로 만들고 이 필라멘트를 가열하여 녹이면서 기판위에 그리는 형태로 일종의 XY테이블이 달린 glue gun의 개념이다.

| 그림 1 재료압출 방식의 구성과 작동원리 |

(한계와 발전 방향) 그림과 같이 스풀에 감긴 필라멘트를 당겨주는 Roller가 있고 이 롤러에 의해 당겨서 heater로 들어간다. 가열은 보통 200도 정도로 해주며, 히터(플라스틱의 녹는 온도 Tmr과 전이온도 Tg 사이의 온도로 가열함)를 통과하여 녹아 노즐 밖으로 나오게 된다. 노즐과 기판의 상대적인 운동에 의해서 XY방향으로 움직이고, XY면에서의 프린팅이 다 끝나면 스테이지의 Z축을 내려 다음 층을 전 층의 위에 프린팅하는 방법으로 3차원 프린팅이 이루어진다. 가장 간단한 원리의 3D 프린터로 해상도는 200um정도로 거칠고, 수직방향으로 강도가 약하며, 표면의 조도가 고르지 못한 등의 단점을 가지고 있다. ABS나 PLA 수지의 넘어서 기타 엔지니어링 플라스틱, 슈퍼 엔지니어링 플라스틱,

15Korea Evaluation Institute of Industrial Technology

ISSUE 1 3D 프린터 최근 개발동향

의료용 플라스틱 등에 대한 연구도 많이 이루어지고 있다. ABS/PLA 수지를 사용할 경우 히터의 온도가 220도 근처이나, 울템 등의 소재를 사용할 경우 380도 정도로 히터의 온도를 올려야 하는 문제가 있어, 히터의 내열/방열 설계가 중요해진다. 플라스틱이 히터의 끝부분에서 녹아야 향후 막힘 현상이 적으므로 히터의 열 설계를 잘 하여야 한다. 아울러 ME 프린터는 챔버(chamber)의 온도 조절에 따라 고형화가 다르게 진행되어 챔버의 온도 관리는 물성 제어의 중요한 부분을 차지한다. 향후 고속화, 고정세화, 멀티/가변 노즐화 및 소재 다양화가 진행될 것으로 보이며, 소재와 장비를 연계한 고정세화 및 고속화가 관건인 방식이다.

광중합 방식 (PP, Photo Polymerization)

(Photo-Polymer) 포토폴리머는 빛(자외선이나 가시광)을 조사하였을 때, 물성의 변화가 일어나는 폴리머를 말한다. 이러한 물성의 변화가 구조적인 관점에서 딱딱해지는 형태로 나타나는 포토폴리머가 3D프린팅에서 소재로 사용되고 있으며, 이는 빛을 조사하였을 때 폴리머내의 cross-link가 일어나기 때문이다. 그림과 같이 모노머, 올리고머, 광촉매가 존재할 경우에 빛이 조사되면 cross-link 반응이 일어나고 결과적으로 딱딱해진 폴리머가 생기는 것이다. 이러한 과정을 ‘큐어링(curing)’이라 한다.

| 그림 2 광중합 방식의 작동원리 |

(SLA, DLP and Others) 포토 큐어링을 일으키는 기구는 여러 가지 방식이 있을 수 있으며 이에 따라 SLA(Stereolitho graphy), DLP(Digital Light Processing) 방식으로 다시 나뉜다. 그림은 수조(vat)를 이용한 SLA방식의 프린터로 일명 vat-(photo)polymerization이라 불린다. Vat이라 불리는 수조안에 포토 폴리머를 채우고, 고형화를 수평면상의 원하는 부분에 레이저 빔을 주사 (scanning) 방식으로 조사한다. 빔에 노출된 폴리머는 포토 큐어링이 일어나 딱딱하게 굳어지고, 나머지 부분은 액체로 남아 있는다. 가운데 있는 피스톤을 내리면서 그 위의 수평면에 같은 일을 반복하여 수직방향으로 쌓아가는 방법이다. 포토 큐어링을 일으키는 다른 방법을 사용할 수도 있다. 아래 그림은 레이저 빔의 스캐닝 방식이 아니라, 빔 프로젝터(DLP)를 이용하여 수평면 상의 정보를 한번에 보내어 포토 큐어링을 시키는 DLP 방식의 3D 프린터이다. 스캐닝 방식에 대한 장점은 빠른 속도이다. 한 면의 정보를 한번에 보내는 방식으로 스캐닝에 걸리는 시간이 필요하지 않아 빠르게 처리할 수 있으며, 포토폴리머의 반응 속도가 충분하면 엄청난 프린팅 속도를 보일 수 있으며, 그것이 2장에서 설명할 CLIP 방식이다. 광원으로 DLP이외에 LCD 등의 디스플레이를 바로 사용할 수도 있으며, 이 경우 디스플레이 기술에서 사용되던 해상도 증진 기술 적용이 가능하여 대면적과 고속 두 가지 성과를 다 잡을 수도 있다. 이것이 2장에서 설명할 Epson의 특허와 Prismlab에 대한 것이다.

Liquid Polymerization Induced Polymerization by light

Monomer Oligomer Photoinitiator

UV light



| 그림 3 SLA 방식과 DLP방식의 구성 |

(한계와 발전방향) PP 방식은 레이저 빔이나 DLP를 이용하므로 아주 높은 해상도의 구현이 가능하다. 정교함은 PP 방식의 큰 장점이다. 반면, 포토폴리머를 이용하는 방식은 SLA, DLP, LCD, CLIP, Material Jetting(MJ) 등이 있는데, 어떤 방식을 이용하거나 포토폴리머가 가지는 본질적인 한계를 보인다. 나쁜 기계적 강도(strength)와 견딤성(durability)은 포토폴리머의 본질적인 문제이며, 가시광이나 자외선에 계속적으로 노출되므로 색 변색(discolor)이나 품질 퇴하(degrade)가 지속적으로 일어난다. 이러한 이유로 PP, MJ 방식으로 출력된 3D 조형물은 단순히 형상을 보여주는 견본의 역할을 하거나 프로토타입으로 설계를 확인하는 정도의 응용에 그치고 있다. PP 방식의 향후 발전 방향은 이러한 단점을 완화하는 새로운 포토폴리머의 개발에 있다고 보는 견해가 지배적이다.

2

재료분사 방식 (MJ, Material Jetting)

(재료분사-Inkjet) PP방식은 포토폴리머로 수조를 만들어 전 면적에 소재(포토폴리머)가 존재하게 하고 에너지 빔이 선택적으로 그 소재를 굳혀서 원하는 형상을 얻는 방식이다. 이와 같은 방식은 많은 양의 소재를 필요로 하며 오염 등의 문제로 수조내에 남은 포토 폴리머를 회수하여 재사용하는 것도 까다롭다. 이와 같은 단점을 해결하는 방법으로 개발된 MJ방식은 재료를 선택적으로 뿌리는 방법이다. 사무실에서 사용하는 잉크젯 프린터의 헤드를 이용하여 포토폴리머를 원하는 패턴에만 뿌리고 UV램프를 켜 포토 큐어링을 일으킨다. 이와 같은 방법은 수직 방향으로 반복하면 3D 프린터가 되는 것이다.



| 그림 4 재료분사 방식의 구성과 작동원리 |

(Supporter) 그림 상에 표시된 Build material은 원하는 3D 소재이며, Support material은 좌측의 공룡 그림과 같이 원하는 출력물의 형태가 free-hang의 구조를 가질 때, 즉 공중에 떠 있는 모양을 가질 때 공중에 바로 프린팅을 할 수는 없으므로 원하는 소재를 프린팅하기 전에 그 기반이 되는 구조물(건축물의 비계와 같은)을 임시로 만들어주는 것이다. 서포트는 임시적인 출력물이므로 재료 낭비와 시간 절감을 위하여 사용을 최소화해야 하는 방향으로 설계해야 하고, 프린터의 OS가 스마트하게 서포트 구조를 최소화하도록 동작 방식(슬라이서와 G-code에서)을 결정해야 한다. 서포트는 후 처리시 탈착하기 쉬운 구조로 만들어야 하고, 수용성 재료를 사용하는 등 아주 손쉽게 제거되어야 한다. PP의 경우 vat내의 수지가 셀프 서포터 역할을 하므로 서포트 물질이 따로 필요하지 않고, BJ/PBF의 경우 베드내의 분말이 자체 서프터 역할을 하고 있다. DED는 구조적으로 서포팅이 되어있는 구조물에 프린팅하므로 서포트 방식을 거의 사용하지 않는다.

| 그림 5 출력물과 Supporter의 구성 |

Support material

Build material

Build platform

Inkjet print head

Part Support structure

Built part



(디지털 소재) MJ 방식은 헤드가 간단하고 대중적이며 장치의 구성과 제어가 아주 용이하다는 장점을 가지고 있다. 최근에는 2∼3개의 헤드를 동시에 사용하는 멀티헤드 방식이 출시되었으며 이 헤드들 간의 재료 혼합이 가능해졌다. 2개 ~ 3개의 베이스 레진을 특정 농도와 구조에서 혼합하여 사전에 설정된 시각적, 기계적 특성을 맞추어 제공하는 이른 바, 디지털 소재가 탄생하였다. 다양한 재료 개발을 통하여 디지털 재료, 디지털 ABS, 내온성, 투명성, 경질 불투명 재료, 폴리프로필렌 모사 재료, 고무 유사성 재료, 생체 적합성 재료, 치과 재료 등이 제공되고 있다 (*출처 : www.stratasys.co.kr/materials/polyjet).

접착제분사 방식 (BJ, Binder Jetting)

(접착제 분사) BJ방식은 블레이드와 롤러 등을 이용하여 스테이지에 분말을 편평하게 깔고 그 위에 잉크젯 헤드로 접착제를 선택적으로 분사하는 방식이다. 접착제가 뿌려진 부분은 분말이 서로 붙어서 굳고, 접착제가 뿌려지지 않은 부분은 분말상태 그대로 존재한다. 이 위에 다시 분말을 곱게 밀어서 편평하게 깔고 또 접착제를 원하는 패턴에 뿌리면서 수직 위 방향으로 적층을 계속한다. 원리적으로는 베드에 분말을 얇고 편평하게 적층하는 방식과 잉크젯으로 접착제를 분사하는 방식을 결합한 것이다. 분말을 적층하는 방식은 뒤에 설명할 PBF 방식과 같고, 접착제를 분사하는 방식은 MJ에서 사용된 잉크제 헤드는 물질만 바꾸어 사용한 것이다. 분말이 자체 서포팅을 하므로 서포트 헤드는 필요하지 않다.

| 그림 6 접착제분사 방식의 구성과 작동원리 |

(잠재력이 큰 BJ방식) 어떤 면에서 보면 BJ 방식은 첨단 기술이라고 보기에는 어딘가 부족해 보인다. 그러나, 이 방식은 후처리와 연계될 경우 아주 활용성이 높은 기술이 된다. 이 방식의 대표적인 장점은 3D 소재가 분말형태로 공급되므로 플라스틱, 세라믹, 금속 분말이 다 가능하다. 또 이 분말들이 마이크로 스케일이므로 대단히 정교한 인쇄물을 만들 수 있다. 또 잉크젯 헤드에 바인더를 넣고 여기에 다양한 색소를 바로 첨가할 수 있어, 풀 칼라의 구현이 즉시 실현된다. 즉 원하는 소재와 원하는 색상을 낼 수 있다.BJ 방식은 스케일 업이 아주 쉬어 건축물용 프린터로 만들 수 있다. 또 주물을 위한 모래를 바인더로 붙혀서 거푸집으로 활용이 가능하고, 금속 분말을 바인더로 붙여서 금속 구조물을 만든

Inkjet: Binder Jetting

Binder Feeders

Leveling Roller

Powder Supply

Inkjet Printhead

Powder Bed

Build PistonPowder Feed Piston



후 후처리(열처리 또는 infiltration)를 통해 금속 조형물을 바로 만들 수 있다. 원리가 간단하여 대면적화가 고속화 및 저가화가 가능해 기존의 공정과 잘 연계될 경우 산업적인 파급력이 상당히 있는 잠재력이 큰 3D 프린팅 기술로 평가된다.

| 그림 7 접착제 분사 방식의 3D 프린터로 만든 출력물 |

분말적층용융 방식 (PBF, Powder Bed Fusion)

(대표적인 금속 프린터) SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결) 방식이라 널리 알려진 방식으로 정식 명칭은 분말 적층 용융 방식이다. BJ 방식과 같이 분말을 블레이드와 롤러 등을 이용하여 분말 베드에 얇고 편평하게 깐다. 얇게 깔린 분말에 레이저를 선택적으로 조사하여 수평면 상에서 원하는 턴을 만든다. 다시 이 위에 분말을 얇게 깔고 평탄화를 하여 이 분말에 다시 레이저를 선택적으로 조사하는 방식이다. 레이저 이외에 전자 빔 등의 에너지 원을 사용할 수도 있다. PBF 방식의 경우 금속 분말을 주로 사용하고 고 에너지원을 사용하므로 금속 산화의 우려가 있어 산화 방지(혹은 부수적으로 분말 비산 방지) 등의 이유로 불활성 가스로 채운 챔버(chamber) 구조를 채용하며, 이 챔버로 인하여 대형화에는 아직 한계가 있다.



| 그림 8 분말적층용융 방식의 구성과 작동원리 |

(분말 프린터) 보통 사용되는 분말은 수십um 직경이며, 최근에는 5um 직경의 분말이 사용된다. 이런 분말을 사용할 경우 수직방향의 해상도인 layer resolution은 20um∼40um 정도 수준에서 맞출 수 있어 매우 정교한 프린팅이 가능하다. 보통의 방법으로는 제조가 까다로운 하드 메탈이나 precipitation이 있는 합금들의 경우, 분말 적층 용융 방식은 아주 좋은 대안이 될 수 있다. 금속 분말을 주로 사용하며 필요에 따라 플라스틱 계열, 세라믹 계열(수지로 코팅된)의 사용이 가능하다. 플라스틱 계열의 프린팅 시에는 수축과 변형이 가장 큰 이슈이며 이를 완화하기 위한 히터, 빔 분산 등의 기법이 특허로 청구되어 있다. 금속 계열의 경우 응력이 큰 문제이므로 응력 분산을 위한 에너지 빔의 패턴화된 조사 방식, 스마트 조사 방식 등이 기술적 이슈이다.

| 그림 9 분말적층 용융 방식으로 출력한 금속 구조물 |* 출처 : EOS/HDC (전시회)



고에너지 직접조사 방식 (DED, Direct Energy Deposition)

(DED 헤드) SLS 방식에서 사용된 베드형 분말 공급 방식의 불편함을 해소하고 이를 헤드에 집적시키고자 했던 시도가 DED 방식이며, 헤드 부에 분말의 공급과 에너지 원을 공급, 산화 차단 가스 노즐을 한꺼번에 채용한 컴팩트한 기술이다. 고에너지원으로 바로 분말을 녹여서 붙이는 방식이므로 3차원 구조체를 만들 수도 있지만 기존의 금속 구조물에 대한 표면 처리, 수리 등에서 있어서 강력한 수단으로 작용한다. 헤드의 구조가 간단하고 제어가 쉬워 기존의 공작 기계와 결합할 경우 큰 산업적 파급력을 보인다. 대표적인 경우가 마쯔우라와 디엠지-모리의 복합 가공기이다. DED 헤드의 보편화와 더불어 절삭과 적층을 결합한 가공기의 보편화를 선도할 것으로 보이는 3D 프린팅 기술이다.

| 그림 10 고에너지 직접조사 방식의 3D 프린팅 헤드 |

(진정한 하드메탈 프린터) 앞서 설명한 PBF 방식의 금속 프린터는 금속 분말을 소결하는 것이므로 완전히 금속을 용융하여 붙이는 DED 방식과는 큰 차이를 보인다. 즉 조형된 금속 구조물의 밀도가 DED의 경우 이론 밀도에 가깝고 급속 응고로 인하여 단단하고 치밀한 금속 구조물을 보인다. 물론 단점은 후 가공이 반드시 필요하다는 점이다. 하지만 PBF 방식의 경우 구형(분말의 유동성 확보를 위하여 구형을 선호함)에 가까운 금속 분말을 단순히 소결하는 것이므로, 원하는 강도를 얻기는 어렵다. 물론 용침 소결 등의 후속 공정을 이용하여 저융점 금속을 침투시키기도 한다. 이와 같은 의미에서 DED는 복합화, 대형화가 가능한 진정한 금속 프린터로 볼 수 있다. 특히 PBF의 경우 독일 회사들의 기술력과 특허 장벽이 높아 국산화에 어려움이 있다. DED의 경우, 국내에는 독자 기술을 보유한 인스텍이 있다.

| 그림 11 인스텍의 3D 출력물 |* 출처 : 인스텍(전시회)



| 표 1 ASTM F2792-12a/ISO TC261에 따른 3D 프린팅 방식별 분류 |

명 칭 원 리 비 고

재료압출 방식 (ME, Material Extrusion)

고온 가열한 재료를 노즐을 통해 압력으로 연속적으로 밀어내며 위치를 이동시켜 물체를 형성시킴

FDM, FFF

광중합 방식(PP, Photo Polymerization)

빛의 조사로 플라스틱 소재를 중합반응을 일으켜 선택적으로 고형화시키는 방식

SLA, DLP, CLIP

재료분사 방식(MJ, Material Jetting)

용액 형태의 소재 자체를 제팅으로 토출시키고 자외선 등으로 경화시킴 Polyjet

접착제분사 방식(BJ, Binder Jetting)

가루 형태의 모재 위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 모재를 결합시킴 Sand

분말적층용융 방식(PBF, Power Bed Fusion)

가루 형태의 모재 위에 고에너지빔(레이저나 전자빔 등)을 주사하며 조사해 선택적으로 결합시킴

SLS

고에너지 직접조사 방식(DED, Direct Energy Deposition)

고에너지원(레이저나 전자빔 등)으로 원소재를 녹여 부착시킴 DMT

Sheet Lamination 얇은 필름 형태의 재료를 열, 접착제 등으로 붙여가며 적층시킴

2. 3D프린터 최신 개발동향

작년 말과 올해 초는 3D 프린팅에 새로운 도전이 많이 이루어졌다. Mark-1, Voxel-8, Carbon3D 등 전통적인 3D 프린터를 뛰어넘어 새로운 소재를 사용하는 프린터들이 많이 출시되었으며, Lasertec 65 3D, S-Max, M-Flex, Lumex Avance-25 등 기존 산업과의 융합을 빠르게 시도하고 있는 프린터들도 있다. 최근 급속한 변화와 혁신이 진행중인 프린터의 최신 개발 동향을 살펴보고자 한다.

ExOne의 접착제 분사방식 프린터, S-Max과 M-Flex

(제본기술 기반으로 속도 향상) ExOne은 binder-jet(접착제 분사, BJ) 방식을 기반으로 주물용 거푸집과 금속 구조체를 프린팅할 수 있는 3D 프린터의 전문 메이커이다. 접착제 분사 방식을 택한 이유는 제본기술과 유사하여 프린팅 속도를 빠르게 할 수 있기 때문이다.

(다양한 소재를 이용한 프린팅 가능) 접착제 분사 기반 프린터 메이커로 성장한 ExOne의 프린터는 크게 샌드 프린터 계열인 S 시리즈와 메탈 프린터 계열인 M 시리즈로 대별된다. 여기서 우리가 눈여겨볼 점은 ExOne의 BJ 프린터에서 사용가능한 소재들이다.



| 표 2 ExOne 바인더젯 프린터용 소재 |

Silica Sand(/Furan Binder (No bake)

420 SUS60%(/Bronze 40% infiltrant)

316sus60% (/bronze 40% infitrant)

17-4 SUS

Cerabeads(주조용 합성 모래) + binder

InAlloy 625(Ni-Cr superalloy)

In Alloy 718Iron60%

(/Bronze 40% infiltrant)

철-크롬-알루미늄합금Chromite

(Cr + 산화철)Co-Cr

(medical)

지르콘

(낮은 열팽창, 높은 열전도, 낮은 용탕젖음성)

소다 라임 유리(바인더, 킬른소결)

Bonded 텅스텐WC

(Cutting tool)

* 출처 : www.exone.com

- 샌드 프린터(S 시리즈)는 모래에 바인더를 뿌려서 주물을 위한 거푸집을 만드는 것이 주 용도이다. 거푸집 소재가 가져야할 특성은 경우에 따라 다르지만 대체적으로 저가격, 빠른 가스 방출, 높은 열 전달율, 낮은 열 팽창율 등이다. 대표적인 샌드로 분류될 수 있는 실리카 샌드는 석영을 분쇄하여 만든다. 분말을 베드에 적층할 때의 유동성 문제로 인하여, 단일한 크기를 가지는 구형의 입자가 선호된다. 물론 적층 밀도가 문제시 되거나 더 뛰어난 유동 특성이 요구될 경우 입도 분포가 넓은 샌드 또는 쌍봉(Bimodal) 분포를 가지는 샌드를 고려해볼 수도 있으나 현재 사용되고 있는 샌드는 현미경으로 볼 때, 모노 사이즈인 것이 주로 사용되고 있다. 여기서 페놀계와 퓨란계의 바인더를 다 사용할 수 있으며, 퓨란계 바인더를 사용할 경우 추가적인 베이킹 공정 없이 바로 주물을 부을 수 있다는 장점이 있다. 유사한 재료로는 세라비즈(cerabeads)라 불리는 합성모래가 있다. 또 다른 재료인 지르콘(zircon)은 낮은 열 팽창율, 높은 열전도도, 주물의 용탕에 대한 낮은 젖음성을 보여 가장 이상적인 거푸집용 샌드 재료로 알려져 있으며 바다 모래에서 얻어진다. 매끈한 표면을 얻을 수 있어 각광받는 재료이다. 또한 재활용 유리 가루를 소재로 사용하여 바인더를 뿌려 형상을 만들고 킬른(kiln, 로)에서 소결하는 방식으로 조각 작품이나 장식물을 만들 수 있다.

- 메탈 프린터(M 시리즈)는 BJ 방식의 금속 프린터이다. 한 층(layer)을 프린팅하는데 걸리는 시간이 30~60초로 대단히 짧은 것이 이 시리즈의 프린터가 가지는 장점이다. 대신 오븐이나 로를 사용하거나 후속 소결을 하거나 도가니를 이용하여 후속 용침소결을 하는 방법으로 기계적 강도를 얻는다. 사용가능한 재료로는 스테인레스 스틸부터 니켈 합금, 철, 철-크롬-알루미늄 합금, 텅스텐 등 다양하며 의료용으로 많이 쓰이는 코발트 크롬에서부터 절삭 도구에 많이 쓰이는 텅스텐 카바이드까지 다양하다. Infiltration 재료로는 융점이 낮은 청동(Bronze)이 주로 사용된다.

(전후 공정의 내재화가 뛰어난 3D프린터) 엑스온의 프린터는 주물과 금형에 대해 이해도가 높은 엔지니어에 의해 설계되었다는 점이 곳곳에 눈에 띈다. 모델중 하나인 S-Max의 구성을 보자. 좌측에 보이는 샌드 믹서는 샌드 프린터의 주재료인 각종 샌드를 섞어서 프린터에 디스펜싱 방법으로 공급되게 된다. SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 프린터에서는 분말을 균일하게 까는 작업이 중요하다. 주로 블레이드가 이 역할을 담당하는데, 이 장비에서는 디스펜서의 끝부분이 이러한 블레이드 역할을 충분히 하고 있는 것으로 추측된다. 이러한 방식의 디스펜서는 향후



adaptive slicing을 채용할 때 두께 조절이 용이하여, 장비의 속도 증진 면에서의 고려도 돋보인다. 샌드의 준비 공정을 단순하게 하고 프린팅 속도를 높이고 장비의 구성을 간단하게 만들기 위해서 채용된 구조이다. 오른쪽에 구성된 잡 박스는 후속 공정 중 오븐이나 로(furnace)에 넣기 편하게 채용된 구조로 공정 내재화와 호환성 향상을 위하여 노력한 흔적이 보인다. 향후 전통 뿌리 산업에 이 장비가 많이 보급되면 이러한 잡 박스(job box)의 표준 규격을 만들어 전후 공정 사이의 호환성을 확보하는 일이 선행되어야 한다.

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| 그림 12 S-Max의 구성 |* 출처: www.exone.com

. 시사점 및 정책제안

DMG-MORI의 복합가공기, Lasertec 65 3D

(절삭가공과 3D프린팅을 하나로) 디엠지-모리는 길드 마이스터와 모리 세이키가 중심인 글로벌 기업으로 절삭 가공기 분야 세계적인 선도 기업이다. 최근 디엠지 모리에서 보여준 신 모델 Lasertec 65 시리즈는 3D 프린팅의 비지니스 발굴 측면에서 시사하는 바가 크다. 지금의 현실을 냉정하게 바라보면, 3D 프린팅 기술은 기술의 인지도에 비해 산업적 파급력이 미약하다. 이는 신기술이 기존의 시장에서 겪는 진입장벽이며 기존공법과의 융합과정에서 시장의 요구를 반영하지 못하는 문제일 것이다. 모리는 기존 절삭 가공기의 기술에 3D 프린팅 헤드를 결합하고 하나의 제어 소프트웨어로 통합하면서 이러한 시장 진입 장벽 자체를 극복하고자 시도했다. 즉 기존의 절삭 가공기 시장에 부가식 적층 가공 헤드만을 결합하여 차별화를 시도하고 그 결과, 이미 이 모델은 전부 판매가 완료되었으며, 시장의 반응 또한 매우 우호적이다. 올해 1월 인터몰드에서 보여준 Lasertec 65 3D는 DED(Direct Energy Deposition) 방식의 헤드를 채용하였다. 약 2년 전 보여주었던 Lasertec 65 shape라는 모델을 개선한 것으로 shape 모델은 PBF(Powder Bed Fusion)방식을 사용했던 것으로 보인다. 이번 모델은 2년 전 모델에 비해 작업속도가 10배정도 빨라졌다.

Operating Panet

Control Cabinet

Twin Source Sand Mixerfilled with vacuum orscrew conveyor

Fluid Connectorsfor safe handting of liquid media

Job Box• for building and unloading process• on motorized roller conveyor• twin Job Box optional



| 그림 13 Lasertec 65 제품과 3D프린팅용 DED 헤드 |

* 출처 : kr.dmgmori.com

| 그림 14 Lasertec 65의 3D 프린팅 방식 |* 출처 : kr.dmgmori.com

5축 밀링 머신과 fiber 레이저를 통합하여 5분 안에 밀링에서 레이저 작업으로 교체가 가능하며, 하나의 제어소프트웨어로 통합되어 프로그램상의 호환 문제가 없고, 절삭 작업과 3D 프린팅 작업을 동시에 진행할 때 발생할 수 있는 절삭유로 인한 레이저 헤드의 오염 및 손상, 분말 형태의 3D 프린팅 소재로 인한 절삭 헤드의 오염 및 손상 문제 등은 해결했다고 한다. 마쯔우라의 장비에서 모티브를 제공받은 것으로 추측된다.

LASERTEC Shape 원칙

수평 층의 레이저 가공(레이저나 재료별 층 두께:0.3~10㎛

윤곽을 매끄럽게 마무리하는 레이저 가공(S 옵션)

경사진 벽면용으로 채택된 레이저 빔으로 가공

공작물

스캐너

평면 필드 렌즈(표준)

레이저 광원

다양한 초첨 렌즈(S 옵션)



Markforged사의 탄소섬유 프린터, Mark-One

(세계 최초의 탄소 섬유 3D 프린터) 마크포지드 사의 마크원은 절단하지 않은 탄소 섬유를 사용한 세계 최초의 탄소섬유 프린터로 CES(Consumer Electronic Show) 2015에서 많은 주목을 받았다. 자동차 경주가 취미인 대표이사 Mark가 가볍고 강한 자동차용 경량복합소재에 대해서 고민하다가 마크 원을 만들게 되었다하니 개발 동기가 재미있다. 프린터의 구성은 단순하다. Dual quick 헤드 시스템으로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 헤드 둘을 결합한 형태이다. 하나의 헤드는 나일론 등의 열가소성 수지만을 사용하고 ABS, PLA 수지는 지원하지 않는다. 나일론 필라멘트를 이용한 FDM 방식의 3D 프린터이다. 다른 하나의 헤드는 그 소재가 특이한데 절단하지 않은 탄소섬유를 나일론으로 코팅한 이른바 CFF(Composite Filament Fabrication)을 소재로 하는 변형된 구조의 FDM 헤드이다. 이 헤드에는 carbon fiber, fiberglass, kevlar 소재를 사용할 수 있다. 탄소섬유를 코팅한 나일론수지는 FDM 헤드에서 나오는 수지와 결합이 되는 수지를 택하였으며, 탄소 섬유와의 결합력도 좋은 수지를 택하였다. 즉 양쪽 헤드에서 프린팅되는 소재사이의 이형성 문제가 없도록 수지를 최적화하였다는 뜻이다. 이러한 결합력이 좋은 나일론수지의 적절한 제조와 선정이 이 장비의 핵심으로 보인다. 마크 원을 이용하여 나일론 층과 탄소섬유 층을 교대로 프린팅하여 적층할 수 있다.

2 HeadsFused Filament Fabrication Composite Filament Fabrication

Build Size 320 x 132 x 160 mm

Material Carbon Fiber, Fiberglass, Kevlar, NylonKevlar, Nylon

LayerResolution

FFF Printing : 100 micron / CFF Printing : 200 micronX-Y plane : 6.25um

Extruders Dual Quick Change

Filamentsizes

FFF: 1.75mm (나일론)CFF: MF4 (나일론코팅된 탄소섬유)

| 그림 15 마크포지드의 탄소섬유 프린터 |* 출처 : markforged.com

다음의 구조는 이 프린터를 이용하여 제작한 plate이다. 나일론 층에 허니컴 구조를 넣을 수도 있어 경량화 구조를 채택하기 쉬운 장점이 있다. 무게비로 환산했을 경우 알루미늄 6061보다 높은 강도를 보이는 plate로 일반적인 FDM 프린터로 만든 구조체보다 5배∼20배 높은 강도의 구조체를 만들 수 있다. 앞으로 대면적 이슈와 속도 이슈를 극복하고, 곡면 가공 기법을 추가하면 바야흐로 탄소섬유복합플라스틱 구조체의 활용도가 급증할 것으로 보인다.



| 그림 16 마크 원으로 3D 프린팅한 나일론/탄소섬유/나일론 복합 구조체 |* 출처: markforged.com

100배 빠른 DLP프린터 카본3D의 CLIP

(100배 빠른 프린터) 앞에서 설명한 바와 같이 광중합 방식(PP, Photo Polymerization)에 근거한 3D 프린터는 광원의 방식에 따라 또 다시 세분류를 할 수 있다. 갈바노미터나 XY-table을 이용하여 레이저를 스캔하는 방식, DLP(Digital Light Processing) 프로젝터나 LCD 스크린을 이용하여 한 페이지의 정보를 한 번에 조사하여 광중합 반응을 일으키는 방식 등이다. 비록 DLP 방식이 레이저 스캔 방식에 비해서 속도 면에서 빠르다고는 하나, 사용자 입장에서는 늘 느리다는 지적을 받아왔다. 소비자는 현존의 프린터보다 100배 빠른 프린터를 원할 것이라는 지적이 많았고, 올해 보란 듯이 나온 DLP 프린터가 Carbon3D사의 CLIP이다.

(광화학 반응을 이용한 프린터) CLIP(Continuous Liquid Interface Production)이라는 새로운 제조법을 기반으로 한 초고속 프린터, 에펠탑을 7분에 찍는 초고속 프린터이며 적층간격이 없이 연속으로 인쇄하는 3D 프린터로 주목받고 있다.

| 그림 17 CLIP(Continuous Liquid Interface Production)의 원리 |

* 출처 : www.carbon3d.com

Projector

OxygenPermeableWindow

OxygenPermeableLayer

Build Platform

UV CurableResin

UV CurableResinDead Zone

Dead Zone



이 작동 원리를 살펴보자. 노스 캐롤라니아 대학의 화학 전공 교수인 데시몬은 빛(통상적으로 UV)을 쬐면 고형화가 일어나는 광 폴리머의 고형화 원리에 산소가 관여할 수 있다는 현상에 주목을 하였다. 즉 빛을 쬐면 광 폴리머의 고형화가 일어나지만, 산소가 존재하면 이 반응은 일어나지 않는다. 만약 산소가 선택적으로 투과할 수 있는 막을 광 폴리머의 수조(vat) 바닥면에 만들면 빛이 조사되더라도 고형화 반응이 일어나지 않는 구간(일명, dead zone)을 만들 수 있고, 폴리머가 이 구간을 벗어나면서부터 차츰 고형화가 진행되게 할 수 있다. 이 원리를 이용하면 광 폴리머의 층 단위 고형화 방식에서 산소의 농도차이로 인한 연속적인 고형화 방식으로 바꿀 수 있다. 수조 내에서 산소의 농도 구배를 이용할 수 있기 때문이다. 광 폴리머에 조사되는 빛을 프로젝터를 통하여 조사하면 동영상 프레임 속도에 가까운 고속 조사가 가능하고, 폴리머의 광반응 속도가 충분히 높다면 ‘layer by layer’를 쌓는 적층이 아닌 연속적인 고형화가 가능하다. 그리하여 이 제조법의 이름은 ‘연속적 액체 계면을 이용한 생산’이다. 통상적으로 3D 프린팅을 적층 제조 방식이라 하는데, CLIP의 등장으로 인하여 적층 제조가 아닌 부가(additive) 제조라고 개념을 재설정해야 할지도 모른다.

(수직방향의 이질성이 없는 연속적인 적층방식) CLIP 방식은 속도가 빠르다는 장점이외에도 인쇄물의 미세조직상의 장점이 있다. 보통의 3D 프린터는 2차원 평면의 적층을 통해서 인쇄물을 만들기 때문에 수직방향으로의 이질성이 존재한다.

〈인쇄물의 단면, 층간 이질성이 없는 연속적인 미세구조〉〈CLIP과 타 3D 프린터의 인쇄 속도 (10cm크기의 에펠탑 기준)〉

CLIP

SLS

SLA

Polyjet

6 Minutes

3 Hours

11 Hours

3 Hours

| 그림 18 CLIP방식과의 비교 |* 출처 : Caron3D

FDM 프린터를 예로 들면 2차원 평면이 다 굳어지고 난 이후에 위의 층을 인쇄하므로 수직방향으로의 결합은 약해지기 마련이다. 즉 층과 층사이의 결합력은 취약하다. 물론 FDM의 이러한 단점을 해결하기 위하여, Material Extrusion의 속도와 플라스틱의 고형화 시간을 절묘하게 조절하거나 챔버의 온도의 조절하여 층간 결합력의 취약성을 완화시킬 수는 있다. 광중합 방식의 경우도 적층을 통해서 고형화를 시키면 이러한 단점이 존재한다. 그림에서 알 수 있듯이 CLIP의 연속 공정은 층간 이질성이 없는 인쇄물을 구현할 수 있다. 우측의 비교표는 10cm 크기의 에펠탑을 출력했을 때 방식별 속도를 비교한 것이다. 일반적인 SLA(Stereolithography) 프린터가 거의 12시간이 걸리는데 반해 7분 이내에 인쇄가능하다는 것이 가장 큰 장점이다.

CLIP 3D PRINTING



Gizmo 3D의 100배 빠른 Top-down 방식 프린터

(CLIP을 이용한 탑다운 프린터) Carbon3D에서 보여준 CLIP의 원리를 이용하면서 인쇄 방향을 반대로 바꾼 3D프린터가 있다. 호주에서 제안된 기즈모3D 프린터이다. 아직 특허가 공개되지 않아 정확한 작동 원리와 carbon3D사와의 특허 분쟁 여부가 불투명하나, 이미 공개된 모델과 가격으로 유추해볼 수는 있다. 데시몬 교수와 비슷한 원리를 사용했다. 즉 산소가 존재하면 광 폴리머가 굳어지지 않는다는 원리이다. 다만 데시몬 교수는 산소를 투과할 수 있는 막을 수조(vat)의 아래 바닥면으로 사용했는데, 기즈모는 수조에 담은 수지의 윗면 수면을 산소투과막처럼 활용했다. 즉 데시몬 교수는 bottom-up 구조로 인쇄물을 위로 끌어당기면서 산소가 부족한 수조의 상층부로 인쇄물을 당겨서 굳히는 구조를 사용했는데, 기즈모는 top-down 프린팅 방식으로 위쪽에서 부터 수지가 굳어져 아래로 내려오는 방식이다. 상층의 수면 가까이는 산소가 존재하므로 굳어지지 않고 수심 깊숙이 내려올수록 산소의 농도가 낮아져 굳어지는 방식을 이용한 것으로 추측된다. 인쇄 중에는 구조체가 항상 수조에 잠겨있을 것으로 생각된다. 데시몬 교수의 경우처럼 특별한 산소투과막이 존재하지 않아도 된다는 장점이 있다.

| 표 3 Gizmo3D 사의 프린터 사양 |

Item GiziMax GiziMax HD GiziMax HD+

Maximum XY resolution 50 micron 35 micron 35 micron

Maximum Z resolution 1 micron 1 micron 1 micron

Maximum build height 850mm 850mm 850mm

Maximum build platform 400mm x 250mm 400mm x 250mm 400mm x 250mm

Projector lumens 3000 3000 3500

* 출처 : Gizmo3D.com

(광중합 3D 프린터의 궁극적인 사양을 제시) Carbon3D 사와 Gizmo3D 사에서 보여준 광중합 3D 프린터를 보면, 광중합방식의 3D 프린터에 대한 개발방향과 궁극적인 사양을 추측해볼 수 있다. Gizmo3D에서 제시하는 XY-plane상에서의 해상도는 35um 정도이며, Z축 방향으로의 해상도인 layer resolution은 1um 정도이다. 속도는 10cm 크기의 에펠탑 정도의 복잡성을 가지는 구조물을 10분 정도에 출력할 수 있으면, 대부분의 사용자는 만족할 것으로 생각된다.

세계최초의 전자회로 프린터, Voxel8

(100배 빠른 프린터) (FDM과 silver paste dispensing을 결합한 프린터) 하버드 대학의 제니퍼 루이스 교수팀은 PLA 필라멘트를 이용한 FDM 프린터에 은 페이스트를 디스펜싱하는 노즐을 붙혀 전기회로를 플라스틱 구조체에 인쇄할 수 있는 복합 프린터를 만들어 CES(Consumer Electronics Show)에 출품하였다. 이제까지 출시되었던 3D 프린터는 모두 그 소재가 금속이거나 플라스틱이거나 구조체 자체로서 존재했다. 즉 구조적인 기능만을 담당하는 구조체만을 출력해왔다. Voxel8의 의미는 3D 구조체만을 출력하는 것이 아니라 여기서 배선 기능을 담아 전기적 기능을 부가했다는



것이다. 사양을 살펴보면 빌드 볼륨을 150X100X100mm3이며, FDM 필라멘트의 직경은 통상적인 1.75mm이다. Z축 방향의 정밀도인 layer resolution도 FDM의 통상적인 해상도인 200 um이다. 은 잉크를 위한 노즐은 마치 ‘은으로 된 치약을 짜는 것과 같은’ 페이스트 디스펜싱 방식이다. 해상도는 250 um로 다소 넓게 잡았다. 은 페이스트의 고형화 및 소결을 위하여 후속 공정으로 오븐에서의 열처리를 택해 Optomec 등에서 사용하는 레이저 동시 소성 기술은 택하지 않은 것으로 보인다. 이러한 기술은 한계는 향후 복층 구조를 만들 때 상당한 걸림돌이 되므로, 옵토멕 등에서 채용한 방식을 도입해야할 것으로 보인다. 이러한 Voxel8 프린터로 드론을 제작하여 보여줌으로써 CES에서도 주목을 받았거니와 미국 CIA의 투자도 받고 있는 중이다. 이유는 전통적이 제조 방식이 주는 툴링, 인벤토리, 스플라이 체인의 불편함을 해소하여 유저가 새로운 디바이스를 만들도록 해주는 multi-material 프린터라는 점 때문이다. 하지만, 이러한 언론의 주목과는 달리 기술적인 점에서 짚어볼 사항은 몇 가지 존재한다. 첫 번째는 용도에 대한 질문이다. 구조적인 기능만을 담당하던 3D 프린터의 인쇄물에 전기적인 기능을 탑재했다는 것은 참신하다. 그러나 드론 자체에 대한 용도와 더불어 이 프린터의 용도를 제시해야한다는 숙제가 있다. 두 번째는 FDM 방식으로 만든 PLA 구조체로는 강성이나 충격 강도 결합력 등에서 기계적인 한계를 가질 것이라는 점이다. 또한 FDM 방식으로만 구조체를 만들 경우, 구조체는 FDM의 단점을 그대로 답습한다는 단점이외에도, 다양한 이종 소재에 대응하기가 어려워 진정한 multi-material이라고 보기는 어렵다는 점이다. 실용화가 가능한 고강도 소재를 사용한 새로운 방식을 시도해볼 필요가 있어 보인다. 마지막으로 실버 페이스트를 이용한 회로 구성 방식이 과연 정답인지 고민해볼 필요가 있다. 아무튼 신선한 시도였고, 제조 방식을 바꾼다는 점에서 의미는 있는 3D 프린터이다.

PLA용 FFF노즐

Silver Ink용 노즐 Voxel8으로 제작한 드론

| 그림 19 Voxel8, 세계 최초의 multi-material electronics printer |

* 출처 : voxel8.com

교수팀은 PLA 필라멘트를 이용한 FDM 프린터에 은 페이스트를 디스펜싱하는 노즐을 추가하여 전기회로를 플라스틱 구조체에 인쇄할 수 있는 복합 프린터를 만들어 CES(Consumer Electronics Show)에 출품하였다. 이제까지 출시되었던 3D 프린터는 모두 그 소재가 금속이거나 플라스틱이거나 구조체 자체로서 존재했다. 즉 구조적인 기능만을 담당하는 구조체만을 출력해왔다. Voxel8의 의미는 3D 구조체만을 출력하는 것이 아니라 여기서 배선 기능을 담아 전기적 기능을 부가했다는 것이다. 사양을 살펴보면 빌드 볼륨을 150X100X100mm3이며, FDM 필라멘트의 직경은



통상적인 1.75mm이다. Z축 방향의 정밀도인 layer resolution도 FDM의 통상적인 해상도인 200 um이다. 은 잉크를 위한 노즐은 마치 ‘은으로 된 치약을 짜는 것과 같은’ 페이스트 디스펜싱 방식이다. 해상도는 250 um로 다소 넓게 잡았다. 은 페이스트의 고형화 및 소결을 위하여 후속 공정으로 오븐에서의 열처리를 택해 Optomec 등에서 사용하는 레이저 동시 소성 기술은 택하지 않은 것으로 보인다. 이러한 Voxel8 프린터로 드론을 제작하여 보여줌으로써 CES에서도 주목을 받았거니와 미국 CIA의 투자도 받고 있는 중이다. 이유는 전통적이 제조 방식이 주는 툴링, 인벤토리, 스플라이 체인의 불편함을 해소하여 유저가 새로운 디바이스를 만들도록 해주는 multi-material 프린터라는 점 때문이다. 하지만, 이러한 언론의 주목과는 달리 기술적인 점에서 짚어볼 사항은 몇 가지 존재한다. 첫 번째는 용도에 대한 질문이다. 구조적인 기능만을 담당하던 3D 프린터의 인쇄물에 전기적인 기능을 탑재했다는 것은 참신하다. 그러나 이 프린터의 용도를 제시해야한다는 숙제가 있다. 두 번째는 FDM 방식으로 만든 PLA 구조체로는 강성이나 충격 강도 결합력 등에서 기계적인 한계를 가질 것이라는 점이다. 또한 FDM 방식으로만 구조체를 만들 경우, 구조체는 FDM의 단점을 그대로 답습한다는 단점이외에도, 다양한 이종 소재에 대응하기가 어려워 진정한 multi-material이라고 보기는 어렵다는 점이다. 실용화가 가능한 고강도 소재를 사용한 새로운 방식을 시도해볼 필요가 있어 보인다. 마지막으로 도선구조에서 실버 페이스트를 이용한 회로 구성 방식이 과연 정답인지 고민해볼 필요가 있다. 아무튼 신선한 시도였고, 전자회로를 3D로 구현한 의미는 있는 3D 프린터이다.

양산중인 세계최고 수준의 Color 프린터 , Objet500 Connex3

(다양한 소재를 출력할 수 있는 프린터) 대표적인 3D프린터 기업인 스트라타시스는 FDM 프린터와 MJ(Material Jetting) 방식의 광경화 프린터를 생산하고 있다. FDM 프린터는 고강도의 플라스틱 부품제작을 위한 열가소성 수지를 이용하는 방식이며 광경화 프린터는 Polyjet 시리즈로 material jetting 방식의 헤드에 UV를 노광시켜 폴리머를 경화시키는 방식이다.

| 그림 20 Stratasys의 Objet500 Connex3와 출력물 |

* 출처 : stratasys.co.kr



사용가능한 재료는 수백여가지의 디지털 재료옵션과 혼합 적용이 가능하며 단일 빌드에서 3가지 기본 레진의 조합으로 최대 82가지의 재료 특성 구현이 가능하다. 또한 필요할 때 재료를 바꿀 수 있는 재료 핫 스와핑 기능이 있으며, 500가지 이상의 복합재료에 대한 재료 옵션(일명 디지털 재료라 부름)을 가지고 있다. 또 고무 계열의 컬러 재료와 투명, 다양한 색상의 반투명 재료의 사용이 가능하여 현존하는 플라스틱계열 프린터 중 가장 다양한 소재와 색상을 구현하고 있다고 평가되고 있다.

(세계적인 추세인 멀티 헤드, Connex3의 triple 헤드) 폴리젯의 걸작이라 불리는 Connex3 모델은 triple 헤드를 탑재하고 있으며, 이 헤드들 간의 재료 혼합이 가능하다. 이 혼합을 통해서 다양한 색상을 구현할 수 있다. 사용가능한 구조용 재료는 경질 뷸투명 재료(Vero 제품군), 폴리프로필렌 유사재료(Durus 및 Endur), 투명재료(Veroclear, RGD720), 내열성 파트(RGD525), 생체적합성 재료(MED610), 고무재질 재료(Tango 제품군), 디지털 재료 등이다. 평면상에서의 해상도는 600dpi를 지원하며, layer resolution은 16um정도이다.

LCD 기술을 이용한 PP프린터의 새로운 시도

(PP 프린터의 다양한 광원) 포토폴리머를 소재로 사용하고 UV 등의 광원을 이용하여 광경화 방식으로 조형물을 만드는 PP(Photo Polymerization) 프린터는 광원으로 여러 가지 방식을 채용할 수 있다. 가장 널리 알려진 SLA(Stereo Lithography) 방식은 수조(vat)에 포토폴리머를 채우고 UV 빔을 스캐닝하는 방식으로 조사하여 경화하는 방식이다. UV 빔의 XY 운동을 갈바노를 이용하거나 XY 테이블 방식의 광학계를 이용할 수 있다. 갈바노 방식은 제어가 까다로운 반면 속도가 XY테이블 방식보다 빠르다는 장점이 있다. XY 테이블 운동 방식은 속도면 에서는 빠르지 않으나 테이블의 구성이 쉽고 가격이 싸다는 장점이 있다. 물론 고정도의 XY테이블을 채용할 경우 가격은 상승한다. 이러한 SLA 방식의 단점을 극복하기 위하여 도입된 것이 DLP이다. DLP는 하나의 평면에 대해서 하나의 면광원으로 조사하는 방식이므로 ‘1 plane 1 shot’ 방식이다. UV빔을 스캐닝하지 않으므로 속도가 빠르며, 높은 해상도를 가지는 텍사스 인스트루먼트 사의 DMD(Digital Mirror Device) 미러를 사용하므로 해상도 또한 높다. 다만, 대면적의 빔을 한 번에 조사할 경우 거리가 멀어질수록 해상도가 나빠진다는 단점이 존재한다. 이 경우 여러 개의 DLP를 사용하여 대면적으로 커버할 수는 있지만 시스템이 커지고 가격이 상승하는 단점이 존재한다. 최근 이러한 DLP를 전통적인 디스플레이인 LCD로 대체하고자 하는 노력이 있다.

(LCD 광원을 이용한 Prismlab) 프리즘랩의 PP프린터는 광원으로 LCD를 사용한다. 이를 통해서 동종의 프린터보다 5∼10배정도 빠른 속도를 구현할 수 있다. 또한 Epson사의 특허인 Pixel Resolution Enhancement 기법을 이용하여 해상도를 증진시켰다. Epson의 4K 해상도 증진 기법은 3개의 반사형 LCD를 이용하고 픽셀을 대각선 방향으로 0.5픽셀 쉬프트시키는 방법으로 해상도는 1920X1080에서 3840X2160으로 증진시킬 수 있는 기법이다.

2차원 인쇄전자 프린터에서 3차원으로의 진화를 시도하는 Optomec

(Aerosol Jet 5X) 옵토멕은 Aerosol Jet 기술을 이용한 미세배선 인쇄기술에 5축 제어기술을 결합하여 굴곡이 있는 표면이나 입체구조 표면에 배선을 형성할 수 있는 Aerosol Jet 5X를 출시하였다. 미세배선을 형성하는 Aerosol Jet 기술의 기본적인 원리는 분무기와 유사하다. 단계 별로 나누어 보면, 용기에 담긴 잉크는 외부에서 주입된 기체에 의해 크기 5 ㎛ 이하의 미세한 안개형태가 된 후, 운반기체에 의해 분사노즐까지 이동하고, 노즐 근처에서 원통 형태의 sheath



gas에 의해 노즐 중심으로 집중되어 기판 또는 표면에 분사된다. 이 방식으로 선폭 10 ㎛ 수준의 미세배선을 만들 수 있으나, 분무가 만들어져야 노즐로 분사할 수 있기 때문에 사용가능한 점도에 제한이 있어 (1 ~ 1000 cP) 경사진 면에 인쇄하기 매우 어렵다. Aerosol Jet에 5축 제어를 도입하여 3차원 표면에 패턴인쇄를 구현할 수 있도록 개발된 시스템이 Aerosol Jet 5X 이다.

| 그림 21 Aerosol Jet Process 개념도와 5축 제어표면 패터닝 |* 출처 : Optomec.com

옵토멕의 Aerosol Jet은 5축 제어를 통해 평면에서 탈피하였으나, 사용가능한 잉크의 점도에 제한이 있어 급격한 굴곡이 심한 면에서의 패터닝은 여전히 난제로 남아있다.

(Lens 850-R) 옵토멕이 노즐제어기술을 바탕으로 개발한 Lens 850-R은 금속가공용 대형 3D프린팅 시스템으로 제조영역이 900×1500×900 mm3 에 이른다. 중심부에 고정된 파이버 레이저 주변에 장착된 노즐을 통해 레이저가 조사되는 위치에 금속입자를 분사함으로써, 분사와 동시에 소결하는 Direct Metal Laser Sinter (DMLS) 방식의 additive manufacturing 시스템인 Lens 850-R은 파우더 베드를 사용하여 구조체를 제조하는 SLS 방식과 달리 기계류 및 기계부품의 특정부위에 구조를 형성하거나 망가진 부분을 수리하는 용도를 표방하고 있다.

| 그림 22 Lens 850-R의 작동원리와 금속구조물의 수리장면 |* 출처 : Optomec.com



마이크로 펌프를 이용한 nScrypt의 3D 프린터

(마이크로 펌프 방식의 디스펜서) nScrypt의 디스펜서 기반 프린팅 시스템은 Smart PumpTM 라 부르는 이 회사 고유의 디스펜싱 기술에 기반하고 있다. 공압을 이용하여 잉크의 토출을 제어하는 Smart Pump 기술은 밸브제어와 ’suck-back’ 이라 부르는 압력제어를 통해 20 pl (피코 리터) 수준의 유체제어가 가능하며, 1-1,000,000 cP 범위의 넓은 점도변화에 대응이 가능하다.

| 그림 23 마이크로 펌프 |* 출처 : nScrypt

(3Dn 시리즈) 디스펜싱용 마이크로 펌프와 XYZ 스테이지를 결합하여 내놓은 3Dn 시리즈는 4 종류로 기능적인 면에서는 동일하고 이송거리만 달라진다. 마이크로 펌프를 이용하기 때문에 고점도의 잉크를 사용할 수 있어 높은 단차를 극복하고 배선을 연결할 수 있으며, 정밀한 토출제어로 via hole과 같은 곳에도 인쇄가 가능하다는 장점이 있다.

| 그림 24 수직단차의 배선연결 및 via hole 인쇄 |* 출처 : nScrypt



Matsuura의 복합가공기, LUMEX Avance-25

(3D프린팅과 Milling 공정을 하나로) 일본 마츠우라의 금속광조형 복합가공기 LUMEX Avance-25는 SLS방식의 금속 광 조형과 엔드밀을 이용한 고속ㆍ고정도 절삭 가공을 반복하며 조형하는 복합가공기이다. SLS방식은 베드에 도포되어 있는 파우더에 선택적으로 레이저를 조사하여 소결시키는 3D 프린팅 방식으로, 빠른 조형속도, 광범위한 재료사용과 함께 조형물의 변형이 없는 등의 장점들이 많지만 기계 가공과 비교해 가공정도나 면 조도에 한계가 있기 때문에 방전, 절삭 등 많은 후가공이 필요하다. 하지만 일본 마츠우라의 LUMEX Avance-25는 이 SLS방식 광조형과 절삭가공을 한 장비 내에서 번갈아 시행함으로서 기계가공과 동일한 수준의 치수 정도 및 조도를 실현한다. 뿐만 아니라 기계가공으로는 불가능 했던 Rib가공도 가능하게 해준다. 이로써 여러 번의 공정이 아닌 단 한 번의 Process로 고도의 금형제작이 가능하게 되었다. 형 분할, 전극설계와 방전가공, 냉각회로 제작, 조립 및 조정 등의 복잡한 공정 없이 일체의 구조로 금형을 생산할 수 있기 때문에 설계 및 가공시간이 크게 줄어든다. 또한 Rib가공이 가능하고, 3D 구조설계로 자유롭게 배치된 냉각회로는 후 가공으로 형성된 일반적인 냉각회로와 비교하여 월등한 냉각 효과를 보이며 냉각 시간을 최대 40%까지 단축시킨다. 이로서 전체적인 생산성을 향상시키게 된다. 깊은 리브, 자유 곡면형상, 다공질 조형 외에도 3D mesh, 중공(中空) 구조 등 기존 공법에서는 제작이 불가능했던 형상의 제품을 한 번의 프로세스로 조형할 수 있기 때문에 금형을 포함한 다양한 제품 제작에 활용이 가능하다. 엔진 부품 같은 복잡한 형상의 제품과 인공관절, 치아 임플란트 등 커스터마이징 제품도 쉽고 간단하게 만들 수 있다.

KOIWAI, 일본 주물산업의 새로운 변화

(3D프린팅을 주물산업 속으로) 일본의 KOIWAI사는 전통의 주물 기업이다. 최근 코이와이사는 일본의 미래 주물산업의 형태를 변화시키는데 큰 역할을 하고 있다. 코이와이사는 기존 주물 회사와 달리 3D프린터를 도입하였다. 3D프린터를 도입한 이유는 크게 4 가지이다. 첫 번째로 고속·고정밀 주조제품의 수요 증가이다. 시장에서는 얇고·고기능·정밀 주조 제품을 단기간에 공급하는 것을 요구하지만 기존의 목형ㆍ마스터형 제작 및 사형 반전 공법은 그 요구에 대응할 수가 없었다. 이에 따라 고객의 요구에 대응하기 위하여 새로운 공법을 개척할 시장적 니즈가 있었다. 두 번째로 목형업자의 후계자 부족이다. 주조 산업과 마찬가지로 목형 업계에서도 기술자의 고령화와 후계자 부족이 계속되어 마스터형·목형 제작에서 고정밀, 고기능 제품의 저가 신속 납기가 시장의 이슈이다. 이러한 시장의 요구에 부응하기 위해서는 목형을 대체하는 새로운 공법이 필요했던 것이다. 세 번째로 주조업계 타사와의 차별화이며 마지막으로 젊은 인재의 확보이다. 주조산업는 3D(Dirty, Difficult, Dangerous) 직종이라는 인식이 뿌리산업에 뿌리 깊히 박혀 있어 수도권에서는 신입 채용은 물론 경력자도 채용하기 힘들었다. 또, 작업 환경 개선에 대한 대처와 매력있는 직장 구조에 대한 대응이 늦는 기업의 이미지를 불식시키기 위하여 기존의 주물 공장과는 다른 형태로 주조 공법을 만들 필요가 있었다. 이러한 이유로 코이와이사는 3가지 방식의 3D프린터를 도입하였다. 레이저를 사용하는 EOS사의 EOSINT-S, 잉크젯 타입의 S-print 그리고 E-beam을 사용하는 Arcam사의 Arcam A2를 적용하여 기존 제품의 제작기간을 1/10로 단축시키는 성과를 이루어 낼 수 있었다.



EOSINT-SLaser sintering lamination process

S-PrintInkjet print lamination process

Arcam A2E-beam melting technology

| 그림 25 코이와이의 3D 프린터 모델 |* 출처 : Koiwai

또한 주조 현장에서는 장인의 기술, 숙련된 기술을 수치로 바꾸어 관리가 가능해졌다. 또한 도입 이후, 연간 10회 이상에 이르는 각종 전시회를 통한 PR효과도 있어 현재는 ‘적층사형은 곧 코이와이’라 불릴 정도로 시장에 깊히 침투하여 연간 600종 이상에 이르는 prototype 주물 생산을 하고 있다. 3D프린터에 의한 주물 구조는 작업 환경도 개선, 기존의 주조 공장의 이미지의 불식에 성공, 매년 우수한 신입사원을 맞이할 수 있게 되었다. 이는 3D 프린팅을 하나의 프린터로만 인식할 것이 아니라 전반적인 생태계 관리의 차원에서 인식해야 함을 잘 보여주는 아주 모범적인 사례라 생각된다.

PCB 3D Circuit Board Printer, Cartesian Co.의 EX1 프린터

(Rapid Electronics Prototyping을 위하여) 2013년부터 아이디어가 구상되어 클라우드 펀딩을 완료한 신선한 프린터가 있다. 천이나 게임패드, 손목 시계 등에 마치 사진을 프린팅하듯이 은 잉크을 배선하는 프린터이다. 발상은 사진을 찍듯이 회로를 아주 쉽게 찍어 빠른 시간 내에 일렉트로닉스의 프로토타입을 만들자는 데에서 시작된 듯하다. 게임패드를 프린팅하여 동작할 정도이니 파워선을 대체하기에는 아직 부족하더라도 신호선을 대체할 수준은 달성된 것으로 보인다. 참신한 발상에 비해 아직 기술적인 수준은 높아 보이지 않으며 주로 2차원상의 배선 프린팅이 주 용도라 3D 프린터로 보기에는 무리가 있지만, 다양한 종류의 기판에 배선을 할 수 있다는 점은 높게 살만 하다. 기본적인 구조가 잉크젯 헤드 기반의 MJ(Material Jetting) 프린터이므로 구조체를 만드는 기존의 3D 프린터와의 결합이 용이하며, 결합될 경우 Voxel8과 같은 multi-material 3D printer로 발전할 수도 있다.



| 그림 26 Cartesian 社의 EX1 Printer, PCB 3D Circuit Board Printer|

3. 시사점과 정책제안

3D 프린팅의 최근 신제품출시 동향을 살펴보고 그 발전추세에 대한 전망을 통하여 향후 3D 프린팅이 발전방향에 대한 전망과 대처 방안을 제안한다.

(융복합화) 전통제조산업과 3D프린팅의 복합화를 구현한 디엠지모리의 복합가공기에 대한 시장의 호평이나 샌드 프린터에 대한 시장 수요 등을 고려할때, 3D 프린팅은 하나의 독자적인 산업이 아니라 타 산업과의 융복합화를 통해서 빠른 발전을 이룰 수 있음을 알 수 있다. 뿌리 산업이나 기존의 주력산업과의 융합을 통한 적용 우위분야를 선정하고 이들 산업분야와의 적극적인 융복합화가 필요함

(속도와 정밀도) 속도와 정밀도, 그리고 인쇄물의 품질에 대한 요구는 그동안 3D프린팅 산업성장의 중요한 장애요인으로 지적되어왔다. 속도 향상, 정밀도 개선, 그리고 후처리를 최소화할 수 있는 인쇄물을 품질 향상에 대한 연구는 3D프린팅 산업이 타 산업과의 융합과 대체공정으로 발전하기 위한 필수 요구조건이다. 핵심부품인 헤드/노즐에 대한 연구와 에너지원과 광학계에 대한 연구, 소재의 원재료의 특성과 반응에 대한 연구, 임베디드 소프트웨어 기술, 공정최적화 기술등이 상호 협력하고 공동으로 참여하는 종합적인 연구가 필요함



(멀티 헤드 및 가변 헤드의 출현) 탄소 섬유 프린터, 전자회로용 프린터, 폴리젯 등의 많은 경우에서 이제는 단일헤드 방식의 시대가 아니라 다른 방식과 다른 소재에 근간한 다중헤드 방식의 시대가 도래했음을 의미한다. 이는 그동안 3D 프린팅의 약점으로 지적되었던 복합소재의 문제와 속도 개선, 색상과 인쇄후의 표면 조도 문제 등에서 좋은 해법이 될 것이다. 이종의 방식과 소재를 결합한 복합 프린터에 대한 연구는 3D프린팅의 응용분야를 획기적으로 확장하는 형태로 활발히 발전 될 예정임으로 핵심부품인 헤드에 대한 연구가 요구됨

(3D 소재) 카본3D에서 보여준 100배 빠른 출력 기술 CLIP은 3DP에서 소재가 차지하는 중요성을 잘 보여주고 있다. 국내 프린팅 산업의 발전을 위하여 또 원천특허 확보를 위하여 장비와 연계한 소재의 개발에 대한 노력이 더 이루어져야할 것이다. 단순한 소재 국산화를 넘어 새로운 소재에 대한 도전이 요구됨

(대형화와 공정기술) 프린터의 용도가 수송 기기용에서 발전용, 건축용, 우주항공 등으로 늘어남에 따라 프린터는 대형화될 전망이다. 대형화시에 발생할 수 있는 속도 저하와 출력물의 균일성, 효율적인 제어를 위한 공정개발에 대한 연구가 필요함

(강점산업과의 연계) 각 국의 프린터 개발 동향은 자국의 강점 산업을 3D프린팅을 통하여 강화한 것으로 전략이 추진중으로 분석되고 있다. 우리나라는 우리의 강점 산업분야인 IT, 자동차, 조선등의 주력분야와 의료, 에너지, 나노등의 신산업분야와 연계를 통한 전략적인 선택과 집중을 통한 육성 전략이 필요함

(참고문헌)

1. J. Lim et al., All-inkjet-printed Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitor, C. Appl. Phys. 12: e14, 2012

2. Y. Kong et al., 3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes, Nano Lett. 14: 7017, 2014

3. C. Zhao et al., Three dimensional (3D) printed electrodes for interdigitated supercapacitors, Electrochem. Commun. 41: 20, 2014

4. K. sun et al., 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures, Adv. Mater. 25: 4539, 2013

5. J. J. Adams et al., Conformal Printing of Electrically Small Antennas on Three-Dimensional Surfaces, 23: 1335, 2011

6. K. Church et al., Printed electronic processes for flexible hybrid circuits and antennas, Flexible Electronics & Displays Conference and Exhibition, 1, 2009 7. D. Espalin et al., 3D Printing multifunctionality: structures with electronics, Int J Adv Manuf Technol. 72: 963, 2014

8. M. Hedges et al., 3D Aerosol Jet® Printing - Adding Electronics Functionality to RP/RM, DDMC 2012 Conference. 2012

9. UBALDO ROBLES DOMINGUEZ, 3D PRINTED IMPEDANCE ELEMENTS BY MICRO-DISPENSING, The University of Texas at El Paso MS thesis, 2013

10. 3D 프린팅 전략기술 로드맵, 미래부-산업부, 2014년 12월

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