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.
3D프린터의 출력 범위 고려
구조물의 안정성
3차원 구조물을 제작할 때 무게중심을 고려하여 안정성 있는 설계를 하는 것 이 중요하다.
가상적층
가상적층
3D 프린터에서 실제로 재료를 적층 하기 전에 슬라이싱 소프트웨어를 통해 출력될 모델을 볼 수 있다. 가상적층을 통해 서포터종류와 어떻게 생기는지 출력물과 플랫폼 사이에 브림이나 라프트 등의 모양을 미리 알 수 있다. 때문에 실제로 출력 후 원하는 대로 모델이 나오지 않아서 재 출력할 일이 줄어든다.
가상적층 보는 법
경로
그림의 파란 선은 3D프린터의 헤드가 움직이는 경로를 나타낸다. 시작할 때는 모델 외부에서 들어와 출력이 모두 끝났을 때 위로 나가는 것을 알 수 있다.
G-Code 파일
가공경로를 생성하고 나면 이제 3D 프린터의 각종 모터와 부속 기구를 직접 움직이기 위한 CAM정보를 출력하여야 한다. 대부분의 경우에 각 3D 프린터 제작사들은 해당 회사의 장비에서만 적용되는 CAM파일을 사용하고 있으며, 이 파일의 구조를 공개하는 곳은 드물다.
그러나, 대부분의 경우 가공파일은 NC가공 기계에서 사용하는 G-code와 유사하며, 일부 G-code로 출력되는 경우도 있다. G-code에서 지령의 한 줄을 블록(block)이라 한다. 블록의 해석에서 우선 주석이 제거된다.
주석은 기계에 대한 직접적인 명령은 없고 사용자가 코드를 읽기 쉽도록 해석해 주는 문장으로 세미콜론 ‘;’과 괄호 ‘( )’ 가 사용된다. 세미콜론은 해당 블록에서 이 기호 이후의 모든 문자가 주석임을 뜻한다. 또한 괄호는 괄호를 포함한 괄호 내의 모든 문자가 주석임을 뜻한다. 블록에서 주석을 제거한 후에 남은 문자가 없으면 다음 블록이 실행된다.
남은 문자열은 다시 워드(word)로 분리된다. 어드레스는 준비기능 ‘G’, 보조기능 ‘M', 기타 기능으로 ’F', 'S', 'T' 그리고 좌표어로 ‘X', 'Y', 'Z', 'I', 'J', 'K', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'R', 'C', 'P' '등이 있다. 데이터는 숫자인데, 정수 또는 실수가 사용되며, 정수와 실수를 동시에 줄 수 있는 경우에는 소수점의 유무에 따라 단위가 달라지게 되므로 주의가 필요하다.
3D프린터 HW 설정
렙랩(RepRap) 프로젝트
렙랩 프로젝트는 영국에서 시작되었으며 오픈소스를 지향하는 프로젝트 단체이다. 주로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 사용하는데 렙랩에서는 FFF(Fused Filament Fabrication)라 부른다. 이유는 용어에 대한 상표 문제를 방지하기 위해서이다.
국내외 저가형 3D프린터가 다수 등장할 수 있었던 건 렙랩 프로젝트 덕분이라고 해도 과언이 아니다. 렙랩에서는 3D프린터 제작에 필요한 도면이나 소프트웨어 정보들이 모두 오픈소스로 공개되어 있기 때문이다.
데이터업로드 방법
설계 프로그램으로 모델링 후 3D 프린터로 데이터를 전송하여 출력하는 방식이다. 데이터를 전송하는 방식에 있어서는 컴퓨터가 직접 3D프린터에 연결되어 있거나 SD카드 등을 이용하여 이동식 저장소에 저장하여 직접 3D프린터에 데이터를 연결하는 방법이 있다.
대부분의 설계 프로그램들은 STL파일을 제공하기 때문에 3D프린터로 출력하고자 하는 파일을 STL파일 형식으로 저장한다. 3D프린터 회사마다 지원하는 3D프린터 파일로 변환하는 프로그램들이 있다. 거기서 STL파일을 실행하고 해당 3D프린터에 맞게 설정하면 3D프린터로 출력이 가능하다.
G코드란
G코드는 기계를 제어 구동시키는 명령 언어이다. 1950년대에 개발, 1960년대 후반에 미국전자산업협회에서 최초로 표준화한 공작 기계 제어용 코드이다. 표준화 이후 독일에서도 표준이 만들어지는 등 전 세계 CNC관련 기업들도 독립적으로 G코드를 자체 장비에 맞게 고쳐 가면서 사용하였다.
3D 프린터 제작사들은 해당 회사의 장비에서만 적용되는 CAM파일을 사용하고 있으며, 이 파일의 구조를 공개하는 곳은 드물다. 하지만 대부분의 경우 가공 파일은 NC가공 기계에서 사용하는 G-code와 유사하며, 일부 G-code로 출력되는 경우도 있다.
프린터별 출력 방법 확인
1. FDM방식
FDM방식의 원리는 가열된 노즐에 필라멘트 형태의 열가소성 수지를 투입하고, 투입된 재료들이 노즐 내부에서 가압되어 노즐 출구를 통해 토출 되는 형식이다. 플라스틱 재료를 녹여 이를 노즐을 통해 압출하기 때문에 조형 공정 특성상 열가소성 재료만을 사용하여야 한다.
(1) 재료 압출방법 : 필라멘트, 스테핑 모터와 노즐, 히팅베드
(2) 후가공: 서포터 제거(비수용성, 수용성 서포터), 사용 사용, 아세톤 훈증
2. SLA방식
SLA방식이란 용기 안에 담긴 액체 상태의 광경화성 수지에 적절한 파장을 갖는 빛을 주사하여 선택적으로 경화시키는 방식이다. 특정 파장의 빛에 의해 광경화성 수지를 단면형상으로 경화시켜 층을 형성하고 이를 반복하여 3차원 형상을 성형한다.
(1) 빛 경화 방법: 레이저, 렌즈, 반사거울, 엘리베이터, 스윕 암,
(2) 빛 주사 조건에 따른 광경화 기술 분류: 자유액면 방식, 규제 액면 방식
자유 액면 방식은 광경화성 수지의 표면이 외부로 노출되어 있으며, 노출된 광경화성 수지의 표면에 빛을 주사하는 방식이다.
규제 액면 방식은 빛이 투명 창을 통해서 광경화성 수지에 조사된다.
3. SLS방식
대표적인 분말 용접 기술인 SLS방식은 원래 플라스틱 분말 위에 레이저를 스캐닝하여 플라스틱 시제품을 만들기 위해 개발되었다. 추후 이 기술은 금속이나 세라믹 분말을 이용한 제품의 성형, 다양한 열원의 사용 그리고 다양한 형태의 분말 재료 용접 등이 가능한 형태로 발전하였다.
(1) 분말 용접 방법
분말 용접을 위해 레이저를 쏘여 분말을 용접해 가면서 제품을 제작하는 방식이다. 레이저, X-Y 스캐닝 미러, IR 히터, 회전 롤러, 플랫폼, 파우더 용기함, 프린터 내부
(2) 분말 종류에 따른 용접
SLS방식에서 사용되는 분말은 크게 비금속 분말, 금속 분말로 나뉜다.
(가) 비금속 분말 용접
비금속 분말 용접에 사용되는 대표적인 재료는 플라스틱이다. 이외에도 세라믹 유리등이 사용된다.
(나) 금속 분말 용접
SLS방식에서 사용할 수 있는 금속은 티타늄 합금, 인코넬 합금, 코발트 크롬, 알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 공구강 등 매우 다양한 금속들이 SLS방식의 금속 분말로 사용되고 있다.
3D프린터의 출력을 위한 사전 준비
3D프린터 출력을 위한 사전 준비로는 온도 조건, 베드 확인, 청결 상태 등을 확인하여 출력하기 용이한 상태로 맞춰 주는 작업이 있다.
(1) FDM방식
3D프린터에는 노즐 온도와 히팅베드 온도가 중요하다.
ABS방식은 소재 같은 경우는 온도에 따른 출력물 변형이 있기 때문에 히팅베드가 필수적이다.
(2) SLA방식
SLA온도는 레이저를 이용하여 제품을 제작하기 때문에 온도 조절에 대한 필요성이 FDM방식에 비해 덜하다. 하지만 광경화성 수지가 적정 온도를 유지해서 출력물의 품질이 좋아지기 때문에 수지를 보관하는 플랫폼의 용기가 일정 온도로 유지된다(약 30℃ 가량).
(3) SLS방식
SLS방식은 분말을 열에너지를 이용하여 용융시켜서 용접하는 방식이다. 보통 CO2 레이저 같은 레이저 열원이 많이 사용된다. 하지만 레이저의 온도가 너무 높으면 분말을 용접할 때 분말이 타는 경우가 생길 수 있으니 분말 소재에 맞는 적정 온도를 설정해야 한다.
그리고 SLS방식 3D프린터는 내부 온도 조절을 위해 적외선 히터가 프린터 내부에 설치된 경우도 있다.
장비 외부의 주변 온도
3D프린터가 돌아가기 위해 내부의 온도 조건들도 중요하지만, 장비 외부의 온도도 출력물이 정상적으로 출력되기 위해서 중요한 역할을 한다. 외부의 온도가 너무 낮거나 너무 높으면 출력물이 출력되는 데 방해가 되기 때문에 외부의 온도도 적절히 맞춰 주어야 한다.
MJ방식 같은 경우엔 온도가 20℃~25℃ 사이에서 동작되는 것을 권장하며 에어컨 시설이 필요하다