사용되는 소재에 따라 3D 프린팅 기술 방식 달라져
[인더스트리뉴스 전시현 기자] 최근 제조 기업에 스마트 팩토리가 도입되는 과정에 3D 프린터가 차세대 기술로 주목을 받고 있다.
한국산업기술평가관리원 자료에 따르면 3D가 헬스케어 제품뿐만 아니라, 구조 장비 등, 다양한 품들에서 활용도가 높아지고 있다. 3D 프린팅과 적층 가공 방식의 꾸준한 발전과 활용도가 급증하면서 (3D 프린팅에서 사용되는) 소재들 역시 다양해지고 있다.
프로스트 앤 설리번 최재호 팀장은 이에 대해 "그만큼 급속도로 변화하는 3D에 대한 트렌드와 기술 개발, 고객 니즈들에 대해 만반의 준비를 해야 한다"라고 강조했다.
3D 프린팅은 물론, 적층 가공방식 개발에 힘입어 3D 프린팅 소재들이 다양해지고 있다. 3D 프린팅 사용 소재에 따라 LS(Laser Sintering), FDM(Fused Deposition Modeling), SL(Stereo Lithography), LOM(Laminated Object Manufacturing) 등, 3D 프린팅 기술 방식이 달라진다.
LS 방식은 레이저 소결 조형 방식을 말한다. 미국 텍사스 오스틴 대학교가 개발한 LS 방식은 보통 CO2 레이저를 이용해 열을 발생시켜 플라스틱과 금속, 세라믹, 유리 분말의 자그마한 입자들을 3D 포맷에 맞게 처리, 융합시킴 LS 방식은 구성 단계에서 손상 없이도 용해점에 가까운 온도를 견뎌낼 수 있는 분말 입자들을 사용한다.
고온 기능과 난연성, 유연성, 충격 강도, 연성, 인장 강도 면에서 뛰어난 소재들이 사용된다. LS 방식에서는 주로 Polyamide (nylon) 12가 쓰여진다. Polyamide 6 역시 고온에 대한 저항력과 강도가 높아 LS 방식에 활용될 수 있지만, Polyamide 12보다 가공 처리하기가 어려움 항공 우주 산업이나 메디컬 임플란트 분야에서는 PEEK (polyetheretherketone)와 PAEK (polyaryletherkeone), 또는 PEKK (polyetherketoneketone) 소재가 응용된다. 이들은 비용 절감과 공정 효율 향상에 기여함이 소재들은 탄소나노튜브가 보강된 PEEK FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에서도 쓰여질 수 있다.
FDM 방식은 수지 압축 적층조 방식을 말한다. FDM 방식에서는 탄소섬유가 보강된 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)과 폴리락트산(PLA,Polylactic Acid)뿐만 아니라, 더욱 강력하고 열 가소성면에서 더욱 유연하며, 감기도 쉬운 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide)와 같은 신소재들이 사용된다.
FDM에서는 각 층을 형성하기 위해 교차 해칭 방식을 쓰며, 열가소성 폴리머의 얇은 필라멘트를 녹여 선택적으로 침전시킴한 번에 한 층씩 형성됨 플라스틱 필라멘트나 금속 와이어는 흐름을 조절할 수 있도록 가열된 압축 노즐을 제공한다. 이 노즐은 소재들을 녹이기 위해 가열된다. DM 소재들의 인장이나 충격, 굽힘 강도, 정확성, 내구성, 안정성, 소재 접착력과 다공성이 덜한 모델 생산 기능들이 더욱 개선될 전망이다.
SL 방식은 광경화수지 조형방식을 말한다. SL 방식으로 처음 상용화된 3D 프린팅이나 고속 프로토타이핑 기법의 모델들은 대개 광경화 폴리머를 사용한다. 자외선의 집속 빔으로 자외선 레이저가 첫 번째 층을 따라 움직이고, 슬라이드 단면의 전체 영역이 굳어질 때까지 수지는 보존 처리된다. SL에서는 보강된 광경화성 수지(Photopolymer Resins)와 함께 향상된 강도와 용이한 가공 처리, 개선된 열변형 온도(폴리머가 변형되는 온도) 등, 여러 장점을 지닌 복합성 수지의 활용도가 높아질 전망이다.
LOM 방식은 적층 물 제조 방식을 말한다. LOM은 3D 물체의 연속적 횡단면을 만들기 위해 이산화탄소 가스 레이저를 이용하며 프린팅 또는 적층가공방식을 말한다. 뒷면이 폴리에틸렌(polyethylene)으로 코팅된 종이 레이어로 만들어짐 점착성의 페이퍼 라미네이트 층은 연속적으로 붙을 수 있으며, 레이저 칼로 절단하고 접착제로 접합하는 방식이다.
LOM 방식은 인쇄 용지처럼 저가의 재료를 사용할 수 있고, 물체들이 나무처럼 보이거나 느껴질 수 있다. 하지만 특정 물질의 여분을 제거하는데에 시간이 다소 걸릴 수 있음 현재 LOM 장비를 상업용으로 제공하는 업체들이 많지 않기 때문에 Mcor Technologies Ltd사는 각 페이퍼 층을 절단하기 위해 레이저 대신 텅스텐 카바이드 블레이드 칼날을 이용한 SDL(Selective Deposition Lamination) 기술을 제공하고 있음 수성 접착제가 필요하다면 선별적으로 사용할 수 있다.
