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3D 프린팅 또는 적층식 제조법(Additive manufacturing, AM) 이란, 3차원 물체를 인쇄할 수 있는 여러가지 공정 을 가르킨다. 주로 컴퓨터로 제어하면서 물질을 여러 층으로 쌓아 올리는, 적층식 공정(additive process)이 널리 사용된다. 이러한 방식을 사용하면 아무리 복잡한 형태도 문제없이 거의 모든 것을 만들 수 있으며, 3D 모델 등 전자적 데이터로부터 만들어진다. 3D 프린터는 공업용 로봇의 일종이다.
역사
용어와 방법(Terminology and methods)
초기 적층식 장비와 소재는 1980년대에 개발되었다. 1984년, 3D Systems Corporation의 Chuck Hull은 입체석판인쇄술(stereolithography)이라는 공정을 개발하였다. stereolithography는 자외석 레이저를 사용하여 감폴리머(photopolymer)를 처리하여 층을 올려가는 방식이다. Hull은 이 공정을 "생성할 물체의 단면 형태를 생성함으로써, 3차원 물체를 생성하기 위한 시스템"이라고 정의하였다. 아울러 그는, 현재 많은 공정에서 널리 사용되고 있는 디지털 분할 및 채우기(digital slicing and infill) 전략 뿐만 아니라, 3D 프린터용 소프트웨어에서 널리 채택되고 있는 STL(STereoLithography) 파일 포맷도 개발하였다. 3D 프린팅이라는 용어는 원래 표준 및 맞춤형 잉크젯 프린트 헤드에서 사용되는 프로세스에서 원래 사용되는 용어였다. 현재 대부분의 3D 프린터에서 사용되는 기술 - 특히 취미용 혹은 고객용 모델 - 은 플라스틱 사출기술의 특별한 응용인 deposition modeling 이 결합된 것이다.
금속 소결(metal sintering) 혹은 용융(melting) (예: 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering), 선택적 레이저 용융(selective laser melting) 등)을 위한 적층식 공정은, 대부분 1980년대 부터 1990년대에 시작되었다. 그때까지의 금속성형은 주조(casting), 조립(fabrication), 타형(stamping), 기계가공(machining) 등을 통해 이루어졌다. 이러한 기술에도 다양한 자동화가 가능하지만 (예를 들어 로봇 용접이나 컴퓨터수치제어(CNC)), 툴 또는 헤드가 3차원으로 이동하면서 원 재료를 층별로 원하는 형태로 바꾼다는 개념은 CNC 선반, CNC EDM과 같이 오로지 금속을 제거하는 공정에만 적용되었다. 적층식 공정이라는 포괄적 용어는 2000년대에 들어서면서, 보다 널리 사용되기 시작하였다. 다양한 공정이 성숙되기 시작하였고, 이에 따라 3차원 제어가 금속 제거하는 방법에만 적용할 수 있다는 패러다임이 깨졌다. 이 시기에 이르러 기존의 금속을 제거하는 방식의 다양한 공정을 대표하여 절삭식 제작(subtractive manufacturing)이라는 용어가 등장하였다. 그러나 그 당시 3D 프린팅은 대부분 폴리머기술(polymer technologies)만을 지칭하였고, AM(적층식 제조)이라는 용어는 polymer/inkjet/stereolithography 보다는 금속작업에 더 널리 사용되는 경향이 있었다.
2010년대에 들어서면서 3D 프린팅과 AM(적층식 제조법)은 거의 모든 적층식 기술을 대표하는 용어로 사용되기 시작하였다. 이는 원래의 기술적인 의미와는 멀어졌으나, 해당기술들이 자동제어하에 연속적으로 소재층을 추가하고 결합하는 방식을 공유하는 기술이라는 간단한 사실을 반영하고 있다.(기타 AM과 동의어로 사용되는 다른 용어로서는, 데스크탑 제작(desktop manufacturing), 신속제작(rapid manufacturing), 주문식 제작(on-demand manufacturing) 등이 있다.)
응용분야
적층 기술은 1980년대부터 제품개발이나 데이터의 실사표현, 신속한 프로토타입 개발 그리고 특수한 제조공정에서 응용되기 시작하였다. 그 시기부터 실재 생산 공정((job production, mass production, and distributed manufacturing)으로 확장도 시도되기 시작되었다. 2010년대 초에 들어서야 금속가공 산업에서 산업적 생산 역할이 상당한 수준에 도달하게 되었다. 21세기가 시작되면서 적층식 기기의 판매는 상당히 증가하였으며, 가격은 상당한 수준으로 인하되었다. 컨성팅 회사인 Wohlers Associates 에 따르면 2012년의 전세계 3D 프린터 및 서비스 시장은 22억불 (2조원)에 달하며, 이는 2011년에 비해 29% 증가된 수치였다. 적층 기술은 건축, 토목, 산업 설계, 자동차, 우주산업, 군사, 설계, 치의학, 의학 산업, 바이오테크(인간 장기 교체), 패션, 신발, 보석, 안경, 교육, GIS, 음식 기타 다양한 산업에서 활용될 수 있다.
일반이론
모델링
3D 프린팅에 사용되는 모델은 CAD(computer aided design) 소프트웨어나 3D 스캐너를 사용하여 생성한다. 3D 컴퓨터 그래픽을 위한 도형데이터를 모델링하는 과정은 조각과 같은 성형 기법과 비슷하다. 3D 스캐닝은 실세계 물체의 형상에 관한 디지털 데이터를 분석하고 취합하는 과정이다. 이러한 데이터에 기초하여 스캐닝된 물체의 3차원 모델을 생상할 수 있다.
3D 프린팅에 적합한 모델의 생성은 매뉴얼이건 자동이건 일반적인 소비자에겐 쉽지 않다. 이것이 최근에 들어서야 3D 프린팅 marketplace가 출현하게 된 이유이다. Marketplace로는 Shapeways, Thingiverse, MyMiniFactory, Threeding 등이 있다.
프린팅
STL 파일로부터 3D 모델을 프린트하려면, 먼저 슬라이서(slicer)라고 하는 소프트웨어를 거쳐, 모델을 얇은 레이어로 변환하고 각자 특정한 프린터에 맞는 명령어를 포함하는 G-code 파일을 생성해야 한다. 오픈소스 슬라이서 프로그램으로는 Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, Cura 등이 있다.
3D 프린터는 G-code 명령에 따라 층별로 액체, 가루, 종이 등의 재료를 쌓아올림으로써, 단면으로 이루어진 모델을 생성한다. 이러한 레이어는 CAD 모델에서 가상적인 단면에 해당하는데, 서로 결합 혹은 자동 융합하여 최종적인 형태가 만들어진다. 이러한 기법은 어떠한 형태나 기하학적 형상도 생성할 수 있다는 장점이 있다.
프린터 해상도는 레이어 두께와 X-Y 해상도를 dpi(1인치당 점수) 혹은 마이크로미터(µm)로 표시한다. 전형적인 레이어 두께는 100 µm(250 dpi)정도로, Objet Connex 시르즈나 3D Systems의 Projet 시리즈와 같은 일부 기계들의 경우에는 16µm(1600 dpi)까지도 프린트할 수 있다. X-Y 해상도는 레이저프린터의 해상도와 비슷한 개념이다. 입자(3D 점)의 크기는 지름 약 50-100µm(510-250 dpi)정도이다.
현재 널리 사용되는 모델 구축방법으로는 출력방법이나 크기, 모델의 복잡성에 따라 다르지만, 몇 시간 에서 며칠 정도 소요된다. 적층식 시스템의 경우, 기계의 종류, 크기, 동시 출력하는 모델의 수 등에 따라 다르지만, 몇 시간정도로 다른 시스템에 비해 출력시간이 짧은 편이다.
많은 양의 폴리머(polymer) 제품을 생산할 경우, 사출성형과 같은 전통적인 기법이 저렴하지만, 생산량이 많지 않을 경우, 적층식 제조법이 훨씬 빠르고 유연하며, 비용도 저렴하다. 디자이너나 개념 설계팀의 경우, 3D 프린터를 사용하면, 비교적 크지 않은 프린터를 사용하여, 부품이나 개념설계 제품을 생산해 볼 수 있는 장점이 있다.
마무리(Finishing)
많은 응용분야에서는 프린터로 출력한 그대로로도 충분하지만, 원하는 물체를 표준 해상도로 약간 크게 출력한 후, 고해상도로 절삭식 공정을 통해 재료를 제거하는 방식을 사용하면 보다 정밀한 제품을 만들 수 있다. LUMEX Avance-25를 참조하라. IMTS 2014 IMTS Press Release | International Manufacturing Technology Show에도 나올 예정이다.
일부 적층식 제조법의 경우, 부품을 만드는 과정에서 여러가지 재료를 한꺼번에 사용할 수 있다. 여러가지 색을 출력하거나, 색상을 조합할 수 잇는 기기도 있다. 모델을 만들때 지지부를 활용하는 경우도 있다. 이러한 지지부는 출력이 끝난 후 제거하거나 녹여내는데, 제작과정에서 공중에 떠있는 부분을 지탱하는 역할을 한다.