3D 프린터 역사 및 기본 작동 원리 총정리
1. 3D 프린팅(적층제조) 소개
- 일반적인 프린터는 2D, 즉 용지의 2차원 면에 인쇄를 하는 장비인 반면, 3D 프린터는 3차원 입체 형상을 제작하기 위한 장비입니다.
- 3D 프린팅 출력 프로세스의 초기 개념은 1974년 데이비드 존스(David EH Jones)가 고안했으며, 1980년대에 이르러 Rapid Prototyping(고속 프로토타입 제작) 기술로 본격 소개되었습니다.
- 현재 산업계에서는 3D 프린터를 AM(Additive Manufacturing : 적층제조)이라는 공식 용어로 표현합니다.
- 기술 발전에 따라 전통적인 절삭 가공 방식(CNC 등)에서 벗어나 빠르고 정확하게 프로토타입을 개발할 수 있게 되었습니다. 최초 특허 출원 이후 40년이 넘는 시간 동안 자동차 및 일반 소비재뿐만 아니라 우주항공, 의료, 덴탈, 교육, 취미 생활 등 광범위한 분야로 응용 범위가 확장되고 있습니다.
2. 3D 프린팅 작동 원리
3D 프린팅 출력 프로세스는 적층제조(AM) 방식으로 진행됩니다. 즉, 최종 형상을 만들기 위해 플라스틱 등의 소재를 녹여 한 층씩(Layer by Layer) 적층하는 과정을 거치며, 대표적으로 FDM(FFF), SLA, SLS, SLM 등 다양한 출력 기술과 소재가 활용됩니다.
디지털 파일과 G코드(G-code)의 역할
- 3D 프린팅을 수행하려면 프린터 노즐의 이동 위치와 경로를 지시하는 디지털 파일이 필수적이며, 가장 일반적으로 사용되는 표준 포맷이 G코드(G-code) 파일입니다.
- 3차원 공간에 형상을 출력해야 하므로, G코드 파일 내부에는 X, Y, Z축에 대한 정밀한 좌표 정보와 기본 출력 명령어가 포함되어 있습니다.
- 참고로 G코드는 3D 프린터만을 위해 발명된 언어는 아닙니다. 본래 CNC 선반과 같은 관련된 산업용 절삭/가공 설비에서 도면 제어를 위해 사용하던 국제 표준 코드입니다.
G코드 생성 방법과 슬라이싱 5단계
디자인된 모델을 실제 출력 가능한 데이터로 변환하는 과정입니다. 일반적으로 3D 프린터 제조사가 제공하거나 Simplify3D, Cura 등의 전문 슬라이싱(Slicing) 프로그램을 통해 모델(STL) 데이터를 얇은 층으로 썰어내어 G코드를 생성합니다.
- 디자인 파일 생성: 3D 설계(CAD) 프로그램에서 모델링 작업
- STL 저장: 설계 프로그램에서 형상 데이터를 STL 파일로 내보내기 변환
- 슬라이싱 및 G코드 생성: 슬라이싱 프로그램에서 레이어 두께, 내부 채움 등을 설정하고 G코드로 변환
- 데이터 전송: 생성된 G코드 파일을 네트워크나 SD카드를 통해 3D 프린터로 전송
- 최종 출력: 3D 프린터 구동 및 조형물 출력
FDM 3D 프린터 출력 시 핵심 고려사항
- FDM 3D 프린터는 열가소성 '필라멘트'를 고온의 노즐을 통해 녹인 후, '프린팅 베드' 위에 한 층(레이어)씩 층층이 적층하며 굳히는 원리입니다.
- 적층 가공 방식의 물리적 특성상, 출력물의 전체 높이(Z축)가 높아질수록, 그리고 정밀도를 위해 레이어 두께를 얇게 줄일수록 전체 출력 소요 시간은 크게 증가합니다. (내부 채움 밀도 등도 주요 변수입니다.)
- 조형물의 방향 설정(Orientation)이 매우 중요합니다. 가늘고 기다란 형상은 수직으로 세우는 것보다 베드에 눕혀서 출력하는 것이 출력 시간 단축 및 층간 결합 강도(출력 품질) 면에서 유리합니다.
- 정밀도가 다소 떨어져도 무방한 디자인 목업 수준의 확인용 출력물이라면, 슬라이싱 단계에서 레이어 두께를 두껍게 설정하여 빠르게 출력을 시도하는 것이 효율적입니다.