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3D프린터 09 : 현황 (2) 소재 다양화, 속도개선, 제조사

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 ● 3D 프린팅 소재의 다양화

소재면으로 보면 초기에는 플라스틱 재질의 ABS나 PLA수지, 광경화성수지 등이 주로 사용되었지만 현재는 철, 티타늄, 스테인리스, 금, 은, 동, 황동, 알루미늄 등의 금속, 탄소섬유, 그라펜나노, 자기, 유리, 뿐만 아니라 초콜릿 등의 음식, 생체조직 등 매우 다양한 소재가 3D 프린팅에 활용되고 있습니다.

소재 다양화는 시제품, 피겨, 패션 소품 등의 생활 용품에서 건축, 자동차, 항공, 의료 등 3D 프린터를 다양한 산업 분야로 활용 범위를 넓히는 데 크게 기여했습니다.

특히 금속 소재인 3D 프린터의 발전이 두드러졌는데 컨설팅 회사 딜로이트는 2021년에는 금속 계열의 3D 프린터 점유율이 플라스틱 계열의 3D 프린터 점유율과 비슷하거나 앞설 것으로 예상하고 있어 GE의 항공기 엔진 노즐이 금속 재료를 사용한 3D 프린트의 대표적인 사례 중 하나입니다.

금속소재의 적층방식으로는 PBF, DED, SL방식 등이 있으나 대부분은 PBF방식이고 SL방식은 제조업에서의 활용도는 낮은 편입니다.

최근에는 분말이 아닌 금속 와이어를 이용한 w-DED(Wire DED), 수지와 금속 분말을 섞어 사용하는 ME 방식, 금속 분말에 바인더를 선택적으로 분사하는 BJ 방식의 기술 등도 개발·출시 예정입니다.

다시 한번의 프린팅으로 다른 색상뿐만 아니라 다른 소재까지 함께 프린팅하는 기술도 등장하고 있습니다.

소재 형태에는 파우더 타입의 분말 타입, 액체 타입, 필라멘트라고 불리는 실 타입이 있는데 분말 타입에는 DMLS와 SLS 타입이 있고 DMLS 타입은 미세한 금속 분말을 녹이면서 적층하는 방법입니다.

SLS방식은 프린터 용기에 담긴 가루에 프린터 헤드가 지나가면서 접착제를 뿌려 달라 붙고 딱딱하게 만들어 그 위에 얇게 가루를 뿌려 프린터가 통과하면서 다음 층을 형성하는 방식으로 제작하며, 인쇄가 끝나면 가루에 묻혀있는 완제품을 꺼내 경화제에 묻혀 말리는 방식으로 제작합니다.

액체의 모양도 비슷하지만 SLA 방식의 경우 액체를 담은 프린터 용기에 프린터 헤드가 빛(자외선)으로 그 층의 모양을 그려 액체 표면을 단단하게 한 후 그 층을 약간 잠그고 다시 액체 표면을 빛으로 단단하게 하는 방법으로 다음 층을 만듭니다.

실 모양의 경우 FDM 방식의 가장 대표적인 방식으로 실 모양의 재료를 프린터 헤드에 붙은 노즐에 보내 강한 열 등으로 재료를 녹여 한층 더 포개어 제품을 만드는 방식입니다.

● 3D 프린팅 속도 개선

이전 포스팅에서 3D 프린터의 가장 큰 단점으로 해결해야 할 과제가 제조 속도, 즉 인쇄 속도라고 설명하였는데 이에 대한 다양한 연구도 진행 중이며 카본의 CLIP, 캐리마의 C-CAT 등이 대표적인 예입니다.

2015년 카본(Carbon 3D)의 최고경영자이자 노스캐롤라이나 대학교 교수인 조지프 데시몬(Joseph DeSimone)은 테드 강연을 통해 새로운 고속 3D 프린팅 기술을 공개했습니다.

‘CLIP (Continuous Liquid Interface Production, 액상계면 연속조형방식)’ 로 명명된 이 기술은 수지가 들어있는 탱크 밑면에 산소투과창을 두어 수지의 양을 조절함으로써 자외선 투과와 동시에 수지를 경화시키는 방법으로 더욱 적층한 후 산소공급을 제어하여 다음 층의 수지를 균등하게 분포시키는 기술입니다.

DLP 방식을 기반으로 개선된 이 기술로 데시몬 교수는 기존의 다른 조형 방식에서 최소 3시간, 최장 10시간가량 걸리는 물체를 약 6분 만에 프린트하는 것을 시연했다.

2016년 초에는 국내 캘리머가 DLP 방식을 기반으로 한 고속프린팅 기술 “C-CAT”를 개발하였는데 기존의 일반적인 3D 정도 빠른 속도로 프린터 출력 속도에 비해 20배 정도 높은 속도를 자랑했습니다.

C-CAT 기술은 출력 속도를 비약적으로 향상시키면서도 DLP 방식의 장점인 정밀도를 유지하여 매끄러운 표면을 후가공 없이도 연출할 수 있습니다.

그 외에 과거 금속 3D 프린팅에 주로 쓰였던 SLS 방식 대신 PBP 방식의 사용이 증가하면서 3D 프린팅 속도가 빨라지고 있으며, 미국 미시간대학에서는 SLA 방식 기반으로 다른 파장 두 가지 빛을 사용하는 새로운 방법을 개발하였는데, 출력 속도가 시간당 2미터로 실제 예상되며, 이는 SLA 방식 기반으로 다른 파장 두 가지의 파장과 큰 빛을 사용하는 새로운 방법을 개발하였는데 출력 속도가 시간당 2미터입니다.

● 3D 프린팅 메이커

“시장 지배를 위한 글로벌 기업간의 기술 선점 경쟁이 가속화되고 있는 환경하에 산업용 3D 프린터 장비 공급업체로서 미국의 스트라타시스와 3D 시스템즈가 시장점유율 1, 2위로 독보적인 위치를 차지하고 있지만, 독일의 엔비전텍, 에오스 등이 그 뒤를 쫓고 있으며, 한국의 캐리마도 지속적으로 시장점유율 10위안에 진입하고 있습니다”

금속 등 산업용 3D 프린터 제조업체와 보급용 3D 프린터 제조업체가 대폭 증가하고 후발 주자와 마이너 업체들의 시장점유율이 상승함에 따라 시장점유율 상위 1, 2위인 두 회사는 순위에는 변동이 없으나 전체적인 시장점유율은 현저히 감소하고 있으며 적극적인 인수합병을 통해 시장지배력 확대 내지 유지하려고 노력하는 모습을 보이고 있습니다.

또한 HP, GE, 제록스 등 글로벌 기업들이 3D 프린팅 장비 및 서비스 사업에 진출하거나, 3D 허브스(3Dhubs), 지메트리(Xometry), 스칼프티오 등 3D 프린팅 서비스 업체는 영역을 넓혀 전통적인 제조 서비스까지 제공하는 추세이며, 아이머티리얼라이즈(i.materialise)와 쉐이프웨이즈(i.[ i ] Technology , Media , and Telecommunications Predictions 2019 , Deloitte Insights