3D 프린터와 관련하여 형상 설계, 형상 분석, 슬라이싱 및 고려사항(3D 지지대, 보조물과 바닥 받침대, 적층값, 재료와 스캐일) 등에 대해 알아봅니다. 또한 3D 프린터 운용 기능사 필기시험에도 대비할 수 있습니다.
형상 설계
형상을 분석하기 위해서는 우선 3D 설계 프로그램으로 사용자의 생각이나 디자인을 3차원 형상으로 설계가 필요하다. 이렇게 3D설계 프로그램을 이용하여 3차원 형상물을 설계하는 것을 형상설계라고 한다. 이러한 형상을 설계를 할 때 고려해야 할 사항들이 있다.
첫 번째로 형상을 설계할 때 사용자가 어떤 방식으로 설계함에 따라서 3D 프린팅 제품의 품질이 결정되기에 심사숙고하여 설계하여야 한다.
두 번째, 설계를 하기 위해선 먼저 사용자가 3D 프린터에 대한 이해는 필수적이다. 왜냐 하면 3D 프린터의 종류, 방식에 따라 나타나는 오차 및 제품의 치수 오류가 나타나기 때문에 사용자는 먼저 사용하는 3D 프린터의 특징 및 오차 범위를 숙지하고 있어야 한다. 그래야만 제품을 어셈블리하여 하나의 제품을 제작하고자 할 때 수월히 제품의 제작이 가능하다.
1. 형상 설계 오류
3D 프린터로 제품제작을 하고자 할 때 3D프린터에 따른 형상 설계오류를 고려해야 한다. 이는 3D 프린터 방식에 따른 특징이 모두 다르기 때문이다. 또한 프린팅 방식에 따라 제품의 제작 오류 또한 달라진다.
예를 들어 FDM 방식의 프린터는 최대 정밀도가 0.1mm 정도로 정밀도가 좋지 않다. 그러나 SLA 방식은 정밀도가 최대 1~5μm로 아주 좋은 정밀도를 가진다. 그러므로 사용자가 가지고 있는 3D 프린터의 방식이 FDM이라면, 설계에 정밀도 보다 작은 치수를 표현하려면 이는 불가능하다.
이렇게 프린터의 방식 및 표현 방식에 따라 사용자가 적절한 형상 설계 및 3D 프린터 선택이 중요하다. 그리고 SLA 방식으로 제품을 제작할 때에는 제품 정밀도는 좋지만 재료의 특징을 잘 파악하여 제품을 제작하여야 한다. SLA 방식은 광경화 방식으로 제품을 아주 정밀하게 만들 수 있다. 그러나 광경화성 수지의 특징 및 성질을 이해하지 않고 제품의 형상 설계를 하면 제품의 뒤틀림 오차 등이 생길 수 있다.
2. 베이스 면에 따른 제품 제작 특성
제품의 형상에 따라 어떤 면을 베이스로 선택함에 따라 제품의 특징 및 품질이 달라진다. 이는 3D 프린터가 가공하는 방향이 달라지기 때문이다.
예를 들어 원뿔 모양의 제품을 제작한다고 가정할 때 원뿔의 아랫면 및 옆면을 베이스로 선택하여 제작하면 제작 형상 및 오차 등이 달라진다. 이는 원뿔 모양의 제품의 아랫면을 베이스로 선택하여 제품을 제작할 때에는 별도의 지지대 및 가공 경로가 단순하다.
왜냐 하면 3D 프린팅 기술은 층층이 적층 하는 기술로서 아래의 층이 크고 위의 층이 작으면 최고 완벽 하다 할 수 있다. 때문에 원뿔 모양의 제품을 제작할 때 아랫면을 베이스로 선택하고 제품을 제작하면 가공면과 치수 정밀도 가 좋다.
그러나 옆면을 베이스로 선택하고 제품을 제작하였을 때에는 별도의 지지대가 필요하고 가공 경로 역시 복잡하다. 때문에 제품 형상을 설계할 때 베이스면에 따른 제품의 특징을 고려하는 것이 중요하다.
슬라이싱(Slicing)
3D 프린팅은 CAD 프로그램으로 모델링한 3차원적 형상물을 2차원적 단면으로 분해한 후 적층하여 다시 3차원적 형상물을 얻는 방식을 말한다.
따라서 원하는 3차원 제품을 제작하기 위해서는 슬라이싱에 의한 2차원 단면 데이터 생성 시 절단된 윤곽의 경계 데이터가 연결된 폐루프를 이루도록 한 후 생성된 폐루프끼리 교차되지 않아야 한다.
형상 분석
형상물의 회전, 확대, 축소, 이동을 통하여 분석한다.
지지대
3D프린터로 제품을 출력 시 필요한 바닥받침대와 형상보조물을 말한다.
1. 형상보조물
제품의 출력 시 적층바닥과 제품이 떨어져 있을 경우 이를 보조해 주는 지지대를 말한다.
2. 바닥받침대
제품의 출력 시 적층바닥과 제품을 보다 견고하게 유지시켜 주는 지지대를 말한다.
지지대의 이용
3D 프린팅 방식에 따라 여러 가지 오류가 존재한다. 여러 가지 오류를 제거하기 위해 지지대를 이용하면 제품을 제작하면 효율적으로 제품의 품질을 향상할 수 있다.
3D 프린팅은 제작 방식에 따라 제작의 오차 및 오류가 존재한다. 이를 해결하기 위해서 지지대를 형상 제작에 이용하면 오차를 줄일 수 있다. 지지대를 이용하여 제품을 제작하는 방법과 지지대를 이용하지 않고 제작하는 방법이 있다. 이때 왜 제품을 제작할 때 지지대를 제작하는 이유는 아래의 면이 클 때 제품 형상의 뒤틀림이 존재하기 때문이다.
FDM 방식에서 구조물을 제작할 때 제품의 아랫면이 크거나 뒤틀림이 존재할 때에는 지지대를 이용하여 제품을 제작하면 제품의 뒤틀림과 오차를 줄일 수 있다.
SLA 방식으로 제품을 제작할 때 지지대를 제작하느냐 안 하느냐 에 따라 형상의 오차 및 처짐 등이 발생할 수 있다. 그래서 제품에 따른 지지대 유무에 따라 더 나은 품질의 제품을 제작할 수 있다.
지지대의 제거
지지대는 3D 프린터의 출력 시 지지대로 나오는 부산물을 말한다.
출력 후 생기는 지지대를 제거하는 것이 후가공의이다. 3D프린터는 적층성형방식이므로 표면에 레이어가 남는다. 따라서 후가공이 필요하다. 사용자가 어떤 목적으로 사용할지에 따라 후가공은 3D프린팅 하는 것 못지않게 중요하다.
또한, 대부분의 3D프린터 제작물들은 지지대를 제거해야 하기 때문에 기본적인 후가공으로 지지대 제거 되어야 하며, 그다음에 염색이나 코팅 등이 가능한 것이다. 따라서 출력물의 완성도를 높이려면 후 가공 과정은 필수적이다.
지지대 설정
지지대 파악을 완료했다면 이제 지지대를 설정해야 한다.
지지대 설정은 (Infill), Support type으로 크게 설정할 수 있다.
Infill은 내부 채우기 정도를 뜻하는 것으로 0% ~ 100%까지 채우기가 가능하다. 하지만 채우기 정도가 높아질수록 출력시간이 오래 소모되며 출력물의 무게가 무거운 단점이 있다.
Support Type은 전체서포터, 부분 서포터, 서포터 없음 세 가지로 나뉜다. 전체 서포터는 형상물 전체에 서포트를 설정해 주는 방식으로 시간이 오래 소모되지만 형상물의 모양을 최대한 유지시켜 출력시키지만 서포터를 제거하는 데 있어서 어려움이 있어 출력물의 품질을 기대하기는 어렵다.
슬라이싱 하기
적층값
3D프린터가 형상물을 출력하는데 적층 하는 수치를 뜻한다. 적층값은 3D프린터마다 각각 다르며 적층값이 높을수록 정밀도가 떨어진다. 따라서 3D프린터 종류마다 지원하는 적절한 적층값의 범위를 파악하는 것이 중요하다. 또한 적층값의 범위를 파악하였다면 출력할 적층값을 결정해야 한다.
Surface 출력 두께
3D 프린팅을 이용하여 3차원 구조물을 제작할 때 3차원 구조물 면이 두껍지 않으면 3D 프린터에서 출력이 되지 않는다. 3차원 구조물이 출력이 되려면 모델의 벽두께는 0.5mm 보다 얇으면 출력이 되지 않는다.
Model 면 Open 및 Close
3D프린터에 3차원 구조물의 모델을 삽입할 시 3차원 모델링 검토는 필수적이다. 3차원 모델의 면과 면 사이가 전부 막혀있지 않은 상태라면 출력이 되지 않을뿐더러 오류 메시지가 표시된다. 면이 Open 되어 있으면 하나의 Solid로 인식되지 않는다.
모서리
3D프린터를 이용하여 한 개 이상의 출력물을 한 번에 출력할 때에는 구조물 간의 간격 조정은 필수적이다. 출력물이 접촉되어 있는 경우 구조물을 제작하기 어려워진다. 모서리 부분이나 한쪽 면이 접촉이 되어 있을 경우 하나의 구조물로 제작이 된다. 한 개 이상의 출력물을 출력하고자 할 때에는 모델 사이에 0.1mm 이상의 공간을 두어야 한다.
Model의 재료 및 스케일
Model에 따라 재료를 적절히 사용해야 한다. 형상을 표현하는 제품은 모델의 채우기를 최소한으로 제작하고 형상 표현뿐만 아니라 채우기를 적절히 설정한 후 구조물을 제작하여야 한다. 이는 Model제작의 쓰임과 목적에 따라 재료를 적절히 하여 구조물을 제작해야 한다. 또한 3차원 모델의 스케일을 조정하여 프린터의 재료 및 작동 시간을 조정할 수 있다.