3D 프린터는 다양한 형상을 만들 수 있는 새로운 가공기로서 최근 활용의 장이 늘어나고 있는 기계입니다. 그러나 단점도 있고, 부적절한 가공도 있습니다. 어떤 경우에 3D프린터를 활용하고 어떤 경우에 기존과 같은 가공을 하는 편이 좋을까요? 여기에서는 3D 프린터의 특징과 절삭 가공과의 차이에 대해 소개합니다.
목차
3D 프린터란?
3D 프린터는 3D 데이터를 얇게 슬라이스하여 2차원 형상을 만들고, 그 2차원 형상을 쌓아 올리면서 3D 데이터와 같은 형태의 입체 모델을 만들어내는 기계입니다. 자르거나 깎거나 하는 제거 가공 이나, 소재의 형태를 변형시키는 소성 가공 , 변형 가공과 달리, 재료를 추가해 가는 가공이라는 의미로, additive manufacturing(additive manufacturing)이라고도 불립니다. 3D 프린터에서의 가공은 「조형」이나 「적층」으로 표현되어, 조형 방법이나 조형 재료의 종류에 의해서, 여러 종류로 나누어져 있습니다.
적층 방식에 의한 분류
열용해 적층 방식(FDM 방식)
열로 녹인 재료를 노즐에서 밀어내면서 적층하는 방식입니다.개인용도용 등 비교적 저렴한 기종부터 업무용도까지 폭넓은 범위로 있습니다. 조형 재료는 수지가 메인입니다만, 금속에 대응하고 있는 것도 있습니다. 일부 열가소성 수지 등에서는 실제로 사출 성형시 사용하는 재료와 같은 재료를 사용하여 성형할 수 있습니다.
광조형 방식
액체 수지에 자외선을 대어 경화시켜 재료를 적층하는 방식입니다. 자외선의 조사에는 자외선 프로젝터나 레이저 등이 사용됩니다. 기본적으로 수지 재료의 성형에 사용됩니다. 사용되는 재료는 전용 재료입니다.
분말 소결 적층 조형 방식
얇게 깔린 재료 분말에 레이저 등을 조사하고 열로 분말 재료를 녹여 굳힙니다. 그 후, 그 위에 얇게 재료 분말을 깔고 다시 레이저 등의 조사를 실시합니다. 이러한 방법으로 적층하는 방식을 분말 소결 적층 조형이라고 합니다. 바인더라고 불리는 열로 녹아 재료를 결합시키는 첨가물과 재료를 혼합하여 사용하는 것이 일반적입니다. 그 때문에 재료는 전용의 것이 됩니다.
재료별 분류
수지 재료
금속 재료
3D 프린터는 수지 재료와 금속 재료를 취급합니다. 기종에 따라 취급할 수 있는 재료가 다르기 때문에 조형의 목적에 따른 기종이 필요합니다.
3D 프린터는 어떤 형태라도 간편하게 만들 수 있다는 이미지를 갖기 쉽지만 실제로는 질 높은 조형을 하기 위해서는 노하우나 경험의 축적이 필요하며 반드시 마음대로 만들 수 있는 기계가 아닙니다. 또한 서포트라고 불리는, 조형을 안정시키기 위한 지그의 출력 부위의 제거나 출력 후의 후처리에도 많은 시간이 필요한 경우도 있습니다. 출력 서비스를 실시하고 있는 기업도 많기에, 우선은 그러한 서비스를 이용해 도입을 검토하는 것도 좋을 것입니다.
3D 프린터와 절삭 가공의 차이
3D 프린터와 절삭 가공의 가장 큰 차이는 가공 방법이지만, 그 외에도 다양한 차이가 존재합니다.
가공 방법의 차이
3D프린터：목적의 형상이 되도록 재료를 덧붙여 가는, additive manufacturing
절삭 가공 : 블록 재료에서 불필요한 부위를 제거하는 제거가공
가공할 수 있는 형상의 차이
3D 프린터: 2D에 슬라이스한 형상을 바탕으로 적층해 나가기 때문에, 중공 형상이나 오버행, 구부러져 있는 구멍 등의 가공이 가능합니다. 한편으로 두께가 있는 형상이나, 중공이 아닌 블록 형상 등은, 재료를 많이 필요로 하기에, 그다지 적합하지 않습니다.
절삭 가공: 중공 형상이나 부품 내부에서 구부러진 홀을 가공할 수 없습니다. 또 오버행이나 가로 홀의 가공은, 가공 도중에 워크의 자세를 바꾸는 등의 궁리가 필요하기에, 가공할 수 있는 형상의 자유도는 그다지 높지 않습니다. 한편으로 덩어리의 재료로부터 깎아내기에, 두께가 있는 벽등은 비교적 간단하게 만들 수 있습니다.
가공에 필요한 데이터의 차이
3D 프린터: 일반 3D 도면용 3D 데이터뿐만 아니라 3D 인쇄용 데이터도 필수입니다. 또한 형상에 따라서는 서포트의 설계 등도 필요하기에, 전용 소프트가 필요하게 되거나, 중간 데이터로서 STL, STEP, IGS등의 3D 데이터가 필요하게 되는 등, 데이터 작성까지 시간이 걸리거나 하는 경우도 있습니다.
절삭 가공: 절삭 가공기를 사용하는 가공자는 2D 도면에서도 대응할 수 있습니다. 또한 최근에는 NC가공이라는 자동가공이 주류가 되고 있으며, 이를 위한 NC프로그램을 만드는 어플리케이션(CAM)이 이용되고 있습니다. DXF 등의 일반적인 2D 데이터 형식 외에, 특히 복잡한 형상 등은 STEP이나 IGS 등의 3D 데이터 형식을 읽어 NC 프로그램을 작성합니다. 따라서 비교적 간단하게 데이터를 작성할 수 있습니다.
가공 가능한 재료의 차이
3D 프린터 : 기본적으로 전용 재료가 필요합니다. 그렇기에 선택할 수 있는 재료가 한정되어 있는 것 외에, 전용의 재료는 일반적인 재료에 비해 고가인 등의 단점도 있습니다.
절삭 가공: 수많은 금속뿐만 아니라 플라스틱 등 다양한 재료를 가공할 수 있습니다.
절삭 가공보다 3D 프린터가 활약하는 경우
어떤 가공법에도 장점도 단점도 있습니다. 여기에서는 절삭가공보다 3D프린터 쪽이 활약하고 있는 가공의 경우를 소개합니다.
3D 디자인 확인
상품의 기획 단계등에서 제품의 외형을 확인하고 싶은 경우, 매우 유효하게 활용할 수 있습니다. 사양서나 도면, 일러스트에 비해 입체물을 실물과 같이 손에 잡을 수 있기 때문에 보다 강한 이미지를 얻을 수 있습니다.
중공 구조나 내부에서 구부러지는 홀
경량화를 위해 중공 구조로 하고 싶은 경우나, 제품 내부에서 복잡하게 구부러지는 홀을 1개 부품만으로 실현하고 싶은 경우도 편리합니다. 특히, 내부에서 구부러지는 홀을 만드는 경우, 절삭 가공에서는 2방향에서 홀을 열어 교차 시키기에, 직선의 홀을 한 곳에서 구부리는 형상 밖에 만들 수 없습니다. 그러나 3D 프린터라면 복잡하게 구부러지는 홀이나 곡선적인 홀도 실현할 수 있습니다.
시제품 제작
특히 플라스틱 제품의 경우, 시험 제작을 실시하기 위해서도 절삭 가공에서는 시험 제작용 금형을 제작해야 합니다. 그러나 3D 프린터라면 금형을 필요로 하지 않기 때문에, 낮은 비용으로 시제품을 제작할 수 있습니다. 또한 시제품 자체가 아니라 사출 성형 및 프레스 용 금형을 출력하는 방법도 있습니다.
건설, 건축 모델
3D 프린터는 복잡한 곡면 구조를 만드는 데 적합합니다. 또한 중공 형상의 가공도 잘하기에 건축 모형의 조형에 적합합니다. 절삭 가공의 경우, 중공 형상의 가가 어렵기에, 복수의 파츠로 나누어 작성해, 조합하지 않으면 안됩니다. 해외 등에서는 건물 자체를 3D 프린터로 작성하는 경우도 늘어나고 있습니다만, 재료의 비용이나 부품의 조합부의 정밀도 등의 문제도 남아 있습니다.
다품종 소량 생산
3D 프린터의 강점은 금형 등을 필요로 하지 않고 자유로운 출력이 가능한 곳입니다. 그렇기에 의지나 이미 절판이 된 부품의 재현 외에 제조 라인에서 사용하는 지그와 같은 다품종 소량 생산에도 3D 프린터가 적합합니다. 예를 들어 자동차의 맞춤 부품 등과 같이 다양한 고객의 요구를 충족시키기 위한 제품에도 활용할 수 있습니다. 또한 데이터만 있으면 곧바로 같은 것을 만들 수 있기에, 잔여나 잉여 재고를 안고 있는 리스크가 없습니다.
3D 프린터와 절삭 가공의 효과적인 사용 구분
3D 프린터의 가장 큰 어려움은 가공 정확도가 낮습니다. 다른 부품과 조합하기 위해서는 추가 가공이 빠질 수 없고, 나사 등과 같이 다른 부품과 정밀하게 조합되는 부품의 조형에는 적합하지 않습니다. 또한 3D 프린터는 절삭 가공 등에 비해 가공 속도가 느리고 재료를 비롯한 운용 비용도 높기에 대량 생산에는 적합하지 않습니다. 그러므로 극히 일부의 다품종 소량 생산의 경우를 제외하고는 샘플이나 시제품, 또는 시제품에 사용하는 형의 제작에 사용하는 것이 일반적입니다. 최근에는 자동차 업계와 항공 업계에서 3D 프린터로 출력된 제품이 그대로 최종 제품으로 탑재되는 경우도 나오고 있습니다만, 종래의 가공기로 대체된다고 할 수 있는 수준은 아닙니다. 시제품으로 사용하더라도 정밀도와 표면 거칠기 문제, 금속 재료에서 열에 의한 변형에 약함 등의 문제가 남아 있습니다.
그렇기에 시제품 등의 극히 일부의 한정된 용도에서는 3D프린터를 사용해, 정밀한 시제품이나 양산 단계에서는 절삭 가공을 도입하는 것이 이상적이라고 할 수 있습니다. 또한 양산품과 동등한 수준의 성능 평가가 필요한 장면에서는 3D 프린터에서는 양산품과 동일한 재료를 사용할 수 없는 경우도 있습니다. 이러한 경우에는 절삭 가공기를 사용하면 좋을 것입니다.
마무리하며
3D프린터는, 제거 가공과는 달리, 목적의 형상이 되도록 재료를 추가해 가는 additive manufacturing을 실시하는 가공기입니다. 3D 데이터를 슬라이스한 2D 형상을 쌓아 적층하여 원하는 형상으로 합니다. 3D 프린터는 적층 방식에 따라 열용해 적층 방식(FDM 방식)과 광조형 방식, 분말 소결 적층 조형 방식으로 나뉘며, 사용하는 재료에 따라 수지와 금속으로 분류할 수 있습니다. 오버행이나 가로 홀, 내부에서 구부러지는 홀 등 절삭 가공으로는 만들 수 없는 형상의 가공도 가능합니다만, 3D 프린터는 현 단계에서는 절삭 가공 등에 비해 정밀도가 낮고 전용 재료가 필요한 경우가 많아 일이나, 가공에 시간이 걸리기에 양산보다는 시제품 기획 중 특히 한정된 용도로 사용되는 것이 많습니다.
