3D 프린팅 작동 원리

얼마 전까지 만해도 3D 프린팅 이라는 아이디어는 서로 위에 재료 층을 추가하는 기계를 사용하여 3 차원 물체를 만드는 것입니다. 컴퓨터에서 무언가를 인쇄한다고하더라도 대부분의 사람들은 여전히 종이에 토너 나 잉크를 두는 2 차원 인쇄를 생각 합니다. 이제 많은 사람들이 직접 3D 프린팅을 경험하지 않았을 지 모르지만 여러분이 말하는 내용을 잘 알고있을 수 있습니다. 그리고 3D 프린터는 가정, 메이커 스페이스 및 교실에 표시되기 시작할만큼 충분히 저렴 해졌습니다.

3D 프린팅은 적층 제조 (AM) 라는 제조 기술 제품군을 사용합니다 . AM은 레이어별로 오브젝트에 재료를 추가하여 오브젝트를 작성하는 수단입니다. AM은 ASTM International (이전 American Society for Testing and Materials)에서 제정 한 현재 용어입니다 [출처 : Gibson, et, al. ]. 역사를 통틀어 적층 제조는 일반적으로 스테레오 리소그래피 , 3D 레이어링 및 3D 프린팅 과 같은 다양한 이름으로 사용되었습니다 . 이 기사에서는 3D 프린팅이라는 용어가 더 잘 알려져 있기 때문에 사용합니다.

동굴에서 AM의 기본 원리 중 일부를 볼 수 있습니다. 수천 년에 걸쳐 떨어지는 물은 광물 퇴적층과 층을 형성하며 축적되어 석순과 종유석 을 형성 합니다. 그러나 이러한 자연적인 형태와 달리 3D 프린팅은 훨씬 빠르고 컴퓨터 소프트웨어에서 제공하는 미리 결정된 계획을 따릅니다. 컴퓨터는 최종 개체의 정확한 단면으로 각각의 새 레이어를 추가하도록 3D 프린터에 지시합니다.

특히 적층 제조 및 3D 프린팅은 계속 성장하고 있습니다. 빠른 프로토 타입을 만드는 방법으로 시작된 기술은 이제 의료, 치과, 항공 우주 및 자동차 산업을위한 제품을 만드는 수단이되었습니다. 3D 프린팅은 장난감 및 가구 제조, 예술 및 패션에도 적용되고 있습니다.

이 기사에서는 3D 프린팅의 역사와 기술에서 가정에서 자신의 3D 모델을 인쇄하는 것을 포함하여 광범위한 용도에 이르기까지 광범위한 3D 프린팅을 살펴 봅니다. 먼저 3D 프린팅이 어떻게 시작되었으며 오늘날 어떻게 발전하고 있는지 살펴 보겠습니다.

내용

1. 3D 프린팅의 역사
2. 직접 및 바인더 3D 인쇄
3. 광중합 및 소결
4. 3D 프린팅 프로세스
5. 3D 프린팅 혁명
6. 3D 프린팅의 단점
7. 가정에서의 3D 프린팅

적층 제조의 초기 사용은 1980 년대 말과 1990 년대 초에 RP (Rapid Prototyping)에있었습니다. 프로토 타입을 통해 제조업체는 개체의 디자인을보다 면밀히 검토하고 완제품을 생산하기 전에 테스트 할 수도 있습니다. RP를 사용하면 제조업체가 이전보다 훨씬 빠르게 프로토 타입을 제작할 수 있으며, 설계를 구상 한 후 며칠 또는 몇 시간 내에 프로토 타입을 제작할 수 있습니다. RP에서 설계자는 CAD (Computer -Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 모델을 만든 다음 기계가 해당 소프트웨어 모델을 따라 객체를 구성하는 방법을 결정합니다. 단면을 레이어별로 "인쇄"하여 개체를 만드는 과정을 3D 인쇄라고합니다.

3D 프린팅 기술 의 초기 개발은 MIT (Massachusetts Institute of Technology)와 3D Systems라는 회사에서 이루어졌습니다. 1990 년대 초 MIT는 공식적으로 3DP로 약칭하는 3-D Printing이라는 이름으로 상표를 붙인 절차를 개발했습니다. 2019 년 9 월 현재 MIT는 제품에서 3DP 프로세스를 사용하고 홍보하기 위해 6 개 회사에 라이선스를 부여했습니다 [출처 : MIT ].

사우스 캐롤라이나 주 록힐에 기반을 둔 3D Systems는 1986 년 창립 이래 다양한 3D 프린팅 접근 방식을 개척하고 사용했습니다. SLA ( stereolithography device ) 및 선택적 레이저 소결 과 같은 일부 기술의 상표도 등록했습니다. (SLS), 각각이 문서의 뒷부분에서 설명합니다. MIT와 3D Systems는 3D 프린팅 분야의 선두 주자로 남아 있지만 다른 회사들도 이러한 AM 기술을 기반으로 혁신적인 신제품을 전문 시장에 도입했습니다.

오늘날 RP에 기여한 동일한 3D 프린팅 기술 중 일부는 이제 완제품을 만드는 데 사용됩니다. 이 기술은 기계가 인쇄 할 수있는 세부 사항의 섬세함에서 인쇄가 완료 될 때 대상을 청소하고 마무리하는 데 필요한 시간에 이르기까지 다양한 방식으로 지속적으로 개선되고 있습니다. 공정이 빨라지고 재료와 장비가 저렴 해지고 금속과 세라믹을 포함한 더 많은 재료를 사용할 수 있습니다. 인쇄 기계는 이제 소형차 크기에서 전자 레인지 크기까지 다양합니다.

적층 제조는 종종 컴퓨터 수치 제어 (CNC) 가공 이라고하는 또 다른 일반적인 제조 프로세스와 비교되거나 오해하기도합니다 . 그러나 CNC는 AM의 반대 인 감산입니다. CNC 가공에서는 석재 조각상을 조각하는 것처럼 완제품이 남을 때까지 기존 블록에서 재료를 제거합니다.

이제 현장에 대한 배경 정보를 얻었으므로 몇 가지 3D 프린팅 기술을 살펴 보겠습니다.

3D 프린팅에 대한 한 가지 접근 방식은 직접 3D 프린팅 입니다. 직접 3D 프린팅은 1960 년대부터 2D 프린팅에 사용되어 온 잉크젯 기술을 사용합니다 [출처 : Gibson, et al. ]. 2D 잉크젯 프린터에서와 마찬가지로 3D 프린터의 노즐은 유체를 분사하기 위해 앞뒤로 움직입니다. 그러나 2D 프린팅과는 달리 노즐이나 프린팅 표면이 위아래로 움직여 여러 층의 재료가 동일한 표면을 덮을 수 있습니다. 게다가이 프린터는 잉크를 사용하지 않습니다. 두꺼운 왁스와 플라스틱 폴리머를 분배하여 단단한 3 차원 물체의 새로운 단면을 형성합니다.

Rapid prototyping (RP), which we described earlier in the article, has been a major factor in the growth of direct 3-D printing. In 1994, the ModelMaker, a machine produced by a company known as Solidscape, became the first commercially successful technology to apply the inkjet approach to RP [source: Gibson, et al.]. Other commercial RP products have followed. For example, today's advanced rapid prototyping products use technologies such as multi-jet modeling (MJM), which creates wax prototypes quickly with dozens of nozzles working simultaneously [source: G.W.P.].

Binder 3-D printing, like direct 3-D printing, uses inkjet nozzles to apply a liquid and form each new layer. Unlike direct printing, though, binder printing uses two separate materials that come together to form each printed layer: a fine dry powder plus a liquid glue, or binder. Binder 3-D printers make two passes to form each layer. The first pass rolls out a thin coating of the powder, and the second pass uses the nozzles to apply the binder. The building platform then lowers slightly to accommodate a new layer of powder, and the entire process repeats until the model is finished.

MIT's 3DP process, mentioned earlier, uses this binder approach. MIT licenses companies to develop products that use 3DP, but to qualify, the company must use some unique combination of powder and binder materials.

바인더 3D 프린팅은 직접 3D 프린팅에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 첫째, 노즐을 통해 도포되는 재료가 적기 때문에 직접 인쇄보다 빠른 경향이 있습니다. 또 다른 장점은 금속 및 세라믹을 포함하여보다 다양한 색상과 재료를 프로세스에 통합 할 수 있다는 것입니다.

융합 증착 모델링 (FDM)

FDM ( Fused Deposition Modeling )은 3D 프린팅과 동일하지는 않지만 유사한 적층 제조 방식입니다. Stratasys, Inc.가 상표를 등록한 FDM 공정에는 매우 작은 노즐을 사용하여 밀집된 라인에 용융 플라스틱을 주입하는 것이 포함됩니다. FDM은 밀리미터 단위의 작은 기능을 가진 개체를 만들 수 있습니다. [출처 : Grimm ]

광중합 은 액체 플라스틱 방울이 자외선 의 레이저 빔에 노출되는 3D 프린팅 기술 입니다. 이 노출 동안 빛은 액체를 고체로 변환합니다. 이 용어는 단단한 플라스틱 의 화학적 구성을 설명하는 빛과 폴리머를 의미하는 뿌리 사진에서 유래 합니다.

2000 년대에 Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM)은 노스 캐롤라이나에서 금속 가공 기술에 대한 실습 교육을 제공하는 학교와 기업의 파트너십이었습니다. PT CAM의 일부 교육에는 3D Systems의 SLA (stereolithography device)가 포함 되었습니다. SLA는 photopolymerization을 사용하여 photopolymer라고하는 액체 플라스틱 통에 레이저를 보냅니다 . 와 같이 잉크젯 인쇄가 완료 될 때까지 3-D 인쇄의 SLA는이 층에 의해 처리 층을 반복한다.

Sintering is another additive manufacturing technology that involves melting and fusing particles together to print each successive cross-section of an object. Selective laser sintering (SLS) is one form of sintering used in 3-D printing. SLS relies on a laser to melt a flame-retardant plastic powder, which then solidifies to form the printed layer. This is similar to the mechanism behind 2-D printers: They melt the toner so that it will adhere to the paper and create the image.

금속 제조에는 종종 일부 유형의 용융 및 재 형성이 필요하기 때문에 소결은 자연적으로 건축 금속 물체와 호환됩니다. 금속을 소결 재료로 사용하는 한 가지 예는 3D Systems [출처 : 3D Systems ]입니다. LaserForm A6로 만든 물체는 다이캐스팅과 같은 다른 방법으로 만든 금속 제품에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 가장 큰 장점 중 하나는 SLS가 달성 할 수있는 높은 수준의 정밀도입니다.

지금까지 우리는 3D 프린팅이 어떻게 발전했는지와 4 가지 널리 채택 된 3D 프린팅 기술을 살펴 보았습니다. 다음으로, 어떤 접근 방식을 사용하든 적용되는 3 차원 개체를 인쇄하는 일반적인 프로세스를 살펴 보겠습니다.

3D 프린터가 어떤 접근 방식을 사용하든 전체 인쇄 프로세스는 일반적으로 동일합니다. Ian Gibson, David W. Rosen 및 Brent Stucker 는 저서 " Additive Manufacturing Technologies : Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing "에서 일반 AM 프로세스의 다음 8 단계를 나열합니다.

3D 프린팅 솔루션의 가용성과 경제성이 증가함에 따라이 기술은 여러 산업 분야의 사람들에게 매력적입니다. 예를 들어, 자동차 산업은 새로운 자동차 부품 설계의 신속한 프로토 타이핑을 위해 수년 동안 3D 프린팅 기술을 사용해 왔습니다. 위의 그림은 Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM)에서 만든 다양한 프로토 타입을 보여줍니다.

의학계 간절히 인쇄와 같은 보철 사용의 숫자가 3-D 출력을 채용. 전통적으로 전문적으로 제작 된 의수는 비쌀 수 있지만 3D 프린터는 $ 50 정도의 저렴한 비용으로 의수를 만들 수 있습니다 [출처 : Amputee Coalition ]. 마찬가지로 Walter Reed Army Medical Center는 3D 프린팅을 사용하여 외과의가 안면 재건 수술을위한 가이드로 사용할 수있는 모델을 제작했습니다 [출처 : King ]. 몇몇 전문 3D 프린터 제조업체는 치과 용으로 특별히 설계된 기계를 판매합니다.

항공 우주 산업의 엔지니어들은 3D 프린팅을 통합하여 설계를 테스트 및 개선하고 얼마나 잘 작동하는지 보여줍니다 [출처 : Gordon ]. 연구 회사 인 EADS는 3D 프린팅에 대한 더 큰 야망을 가지고 있습니다. 즉, 대형 비행기의 날개 전체를 포함하여 항공기 부품 자체를 제조하는 것 입니다. EADS 연구원들은이를 친환경 기술로보고 3D 프린트 된 날개가 비행기의 무게를 줄여 연료 사용량을 줄일 것이라고 믿습니다. 이것은 이산화탄소 배출량을 줄이고 항공사는 1 년 동안 약 3,000 달러를 줄일 수 있습니다. [출처 : 이코노미스트 ]

3-D printing also has some interesting aesthetic applications. Designers and artists are using it in creative ways to produce art, fashion and furniture. Graphic artist Torolf Sauermann has created colorful geometric sculptures using 3-D printing [source: Jotero GbR]. Freedom of Creation (FOC), a company in the Netherlands, sold 3-D printed products made from laser-sintered polyamide, including lighting with intricate geometric designs and clothing designs consisting of interlocking plastic rings that resemble chain mail. FOC also has a number of corporate clients using its design and print services, including Philips, Nokia, Nike, Asics and Hyundai [source: FOC].

3D 프린팅 기술의 더 맛있는 응용 프로그램은 초콜릿 산업에서 비롯되며, 초콜릿 산업은 독특한 과자 품목을 만들 수있는 기계를 개발했습니다. 대량 생산에는 부적합하지만 3D 프린터는 컴퓨터로 디자인 된 개체를 프로토 타입으로 만들거나 고유 한 맞춤형 제품으로 만들 수 있습니다 [출처 : Ooi ]. 좀 더 맛있는 것을 찾고 계십니까? 3D 프린터를 사용하여 다양한 유형의 음식을 만들 수 있습니다. 기계에 넣으려면 퓌레로 만들 수 있어야하지만 3D 프린팅으로 햄버거를 만들 수 있습니다. 한 가지주의 할 점 : 인쇄 식품은 전통 식품과 다른 질감을 가지고 있습니다 [출처 : Houser ].

역사적으로 3D 프린팅은 값 비싼 기술이었습니다. 기사 앞부분에서 설명한 PTCAM의 SLA는 250,000 달러 이상입니다. 액체 플라스틱 은 갤런 당 약 $ 800입니다. 이러한 유형의 장비를 소유 한 조직은 스테레오 리소그래피 서비스를 다른 사람 에게 판매 하거나 회사가 장비를 사용할 시간 블록을 구매하도록 허용 할 수 있습니다.

오늘날 많은 대형 산업용 AM 기계는 이전보다 저렴하지만 여전히 가격이 비쌉니다. 예를 들어, 2019 년 9 월에 3D Systems의 ProJet CPX 3000MJP 3600은 10 만 달러 미만에 판매되었으며 최대 11.75 인치 x 7.3 인치 x 8 인치 (298mm x 185mm x 203mm)의 고해상도 모델을 생산할 수있었습니다. [출처 : BasTech ].

가격 외에도 3D 프린터에는 몇 가지 다른 단점이 있습니다. 그들은 많은 에너지를 사용하는데, 이는 일반 제조보다 약 100 배 많은 전기 에너지를 사용합니다. 연구원들은 또한 특히 집과 같은 작은 공간에서 사용할 때 많은 발암 성 입자와 휘발성 유기 화합물을 방출 할 수 있음을 발견했습니다. 대부분의 3D 프로젝트에 사용되는 플라스틱에도 자체 문제가 있습니다. 3D 프로젝트의 플라스틱 잔재물은 결국 매립지에 버리고 일회용 플라스틱으로 지구 위기에 기여할 것입니다. 추가 플라스틱의 강도는 다양하며 프로젝트의 모든 구성 요소에 가장 적합하지 않을 수 있습니다. 3D 프린터도 느리고 프로젝트를 인쇄하는 데 며칠 또는 몇 시간이 걸릴 수 있습니다 [출처 : 3-D Insider ].

It is likely that many of these problems will be remedied over time, as the technology improves. But other problems may persist. For instance, people have already made guns using 3-D printers , including one man who was denied a gun permit earlier. Can steps be taken to prevent people from using 3-D printers to make guns, knives and other weapons? There is also concern about copyright violations. People could get hold of blueprints and print an object rather than purchasing it from the patent or copyright holder. It may be difficult for a patent holder to track down the person (or hundreds of people) who print something patented and claim copyright infringements.

여전히 일반적인 것은 아니지만 3D 프린터가 더 많은 가정, 도서관 , 학교 및 메이커 스페이스에 나타나고 있습니다.

기술이 발전함에 따라 이러한 기계의 가격도 하락했습니다. 예를 들어 2019 년부터 MakerBot Replicator Mini +는 $ 1,299부터 시작합니다 [출처 : MakerBot ]. 이 회사는 PLA 소재의 작은 스풀을 18 달러부터 시작하는 12 가지 표준 색상과 추가 요금으로 한정판 색상 (어둠 속에서 빛나는 사람?)으로 판매합니다.

If you don't want to splurge on a machine for home use, you could always build one yourself. For example, physicist and blogger Windell Oskay built his own 3-D printer in 2007 that fabricates objects from sugar using a sintering approach. The project, called CandyFab, has a dedicated website at CandyFab.org. Although the project has shut down, you can still read about it and how he made it work.

For a more professional approach, you can purchase 3-D printing services instead. These services allow you to send in your own CAD files and get back a high-quality production of your object or objects created by an industrial 3-D printer. Online companies that offer 3-D printing services include Shapeways and Ponoko. These sites also give you the option of setting up an online store, allowing you to make money when others purchase 3-D prints of your design. [source: Shapeways, Ponoko]

3-D printing continues to improve as its cost comes down. Perhaps in the future these machines will be commonplace tools used to remedy everyday problems like printing out school projects or printing a new housekey instead of driving to the hardware store for a replacement.

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