FDM 3D 프린팅이란 무엇이며 어떻게 작동할까요?

적층 제조 방식(FDM)은 오늘날 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 이 기술은 열가소성 소재로 만들어진 필라멘트를 원료로 사용합니다. 이 글에서는 FDM 3D 프린팅의 기본 원리, 기술 작동 방식, 단계별 전체 공정 흐름, 그리고 재료 선택에 대해 설명합니다.

FDM 3D 프린팅이란 무엇입니까?

FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 열가소성 소재로 만들어진 필라멘트를 원료로 사용합니다. 필라멘트를 가열하여 녹인 후, 액화된 재료를 프린트 헤드의 미세 노즐을 통해 압출합니다. 압출된 재료는 빌드 플랫폼이나 이전에 굳어진 층 위에 쌓입니다. 온도가 녹는점 이하로 내려가면 재료가 굳기 시작합니다. 최종 부품은 이러한 재료들을 층층이 쌓아 올려 만들어집니다.

적층 제조(FDM)는 어떻게 작동하나요?

적층 제조 방식의 3D 프린터가 어떻게 작동하는지 설명하기 전에, 먼저 다음과 같은 장면을 상상해 보겠습니다.

뜨겁게 데워진 치약 튜브를 손에 쥐고 있다고 상상해 보세요. 튜브 안의 치약은 액체 상태이지만, 짜내는 순간 바로 굳어집니다. 이제 튜브를 거꾸로 들고 손을 수평으로 움직이면서 마치 한자로 글씨를 쓰듯 치약을 테이블 위에 짜냅니다. 테이블 위에 첫 번째 층을 완성한 후, 튜브를 조금 더 높이 들어 두 번째 층에 치약을 짜냅니다. 이때 새로 짜낸 치약이 이전에 짜낸 치약에 달라붙고, 이전에 짜낸 치약은 굳어서 나중에 짜낸 치약을 받쳐줍니다. 이렇게 원하는 모양이 나올 때까지 이 과정을 반복합니다. 이것이 바로 FDM 방식의 기본 원리이며, 최근 시장에 출시된 3D 프린터 펜의 작동 원리이기도 합니다.

이러한 기본 아이디어를 바탕으로 엔지니어들은 먼저 원료를 특정 직경의 원형 필라멘트로 가공합니다. 그런 다음 필라멘트 형태의 원료를 필라멘트 공급 메커니즘을 통해 핫엔드로 천천히 공급합니다. 핫엔드에서 재료는 가열되어 녹습니다. 핫엔드 아래에는 프린트 헤드가 있으며, 프린트 헤드 하단에는 미세한 노즐(일반적으로 직경 0.2~0.6mm)이 있습니다. 뒤따라오는 필라멘트의 압출로 발생하는 압력이 용융된 액체 재료를 밀어냅니다.

3D 프린터는 작동 전에 레이어 간격, 경로 폭 등의 기본 정보를 설정해야 하는 공정상의 요구 사항이 있습니다. 설정이 완료되면 슬라이싱 엔진이 3차원 모델을 슬라이싱하여 출력 경로를 생성합니다. 다음으로, 호스트 소프트웨어와 프린터의 제어 하에 출력 노즐은 수평 레이어 데이터에 따라 X축과 Y축 방향으로 평면 이동을 하고, 빌드 플랫폼은 Z축 방향으로 수직 이동을 합니다. 동시에 공급 부품을 통해 필라멘트가 노즐로 공급됩니다. 필라멘트는 가열되어 녹는데, 가열 온도는 일반적으로 원료의 융점보다 몇 도 높게 설정됩니다. 이렇게 하면 노즐에서 압출된 필라멘트가 빌드 플랫폼에 접착될 때 빠르게 냉각되고 굳어집니다. 출력물은 이전 레이어와 빠르게 융합됩니다. 각 레이어 구간이 완료되면 빌드 플랫폼은 한 레이어 두께만큼 하강하고 프린터는 다음 레이어를 출력합니다. 이 과정은 전체 디자인 모델이 완성될 때까지 반복됩니다.

FDM 공정의 핵심은 노즐에서 압출되는 용융 원료의 온도를 응고점 바로 위, 일반적으로 응고점보다 약 1°C 정도 높게 유지하는 것입니다. 온도가 너무 높으면 출력물의 정확도가 떨어지고 변형이 발생하는 등의 문제가 생깁니다. 반대로 온도가 너무 낮거나 불안정하면 노즐이 막혀 출력이 실패할 수 있습니다.

융합 적층 모델링 공정

적층 제조(FDM) 공정 흐름은 5단계로 나눌 수 있습니다. 3D 모델 생성 >> STL 파일로 변환 >> 슬라이싱 >> 출력 >> 후처리.

1. 3D 모델 생성

일반적으로 설계자는 제품 요구 사항에 따라 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어를 통해 필요한 3차원 디지털 모델을 그립니다. 설계에 일반적으로 사용되는 소프트웨어로는 Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG 등이 있습니다.

2. 모델을 STL 형식으로 변환합니다.

일반적으로 잘 설계된 모델의 표면에는 불규칙한 곡면이 많습니다. 출력하기 전에 모델의 이러한 곡면을 근사화하고 맞춰야 합니다. 현재 가장 일반적인 방법은 STL 형식으로 변환하여 저장하는 것입니다. STL 형식은 미국 회사인 3D Systems에서 3D 프린팅 장비용으로 개발한 파일 형식입니다. 이 형식은 연결된 작은 삼각형 평면들을 사용하여 곡면을 근사화함으로써 빠르게 출력할 수 있는 3차원 근사 모델 파일을 생성합니다. Pro/Engineering, Solidworks, MDT, AutoCAD, UG 등 대부분의 CAD 설계 소프트웨어는 STL 형식 파일을 내보내는 기능을 제공합니다.

3. 모델을 분할하고 지지대를 추가합니다.

3D 프린팅은 모델을 분해한 후, 각 층의 구획에 따라 층별로 제작하고, 마지막으로 이들을 조립하는 과정을 반복합니다. 따라서 STL 형식의 3차원 모델은 먼저 슬라이싱 과정을 거쳐 3D 프린팅 장비가 처리할 수 있는 층별 모델로 변환해야 합니다. 현재 시중에 판매되는 다양한 3D 프린팅 장비에는 자체 슬라이싱 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 기본적인 매개변수 설정을 완료하면 소프트웨어가 모델의 구획 정보를 자동으로 계산해 줍니다.

4. 인쇄 시작

이전 섹션에서 소개한 FDM 프린팅 원리에 따르면, 대형 구조물을 출력할 경우 시스템에 지지대가 반드시 필요합니다. 지지대가 없으면, 상부층이 하부층에 비해 급격하게 두꺼워질 때, 나중에 출력되는 상부층의 일부가 공중에 떠 있게 되어 해당 부분이 부분적으로 붕괴되거나 변형될 수 있으며, 이는 출력물의 성형 정확도에 심각한 영향을 미칩니다. 따라서 최종 출력물은 일반적으로 지지대 부분과 견고한 부분, 두 가지로 구성됩니다. 슬라이싱 소프트웨어는 출력할 모델의 다양한 형상에 따라 지지대를 추가할지 여부를 자동으로 계산하고 결정합니다.

동시에, 서포트는 또 다른 중요한 목적을 가지고 있습니다. 바로 베이스 레이어를 구축하는 것입니다. 즉, 본격적인 출력 전에 빌드 플랫폼에 베이스 레이어를 먼저 출력하고, 그 위에 모델을 출력합니다. 이렇게 하면 출력물의 바닥면이 더욱 평평해지고 완성된 모델을 쉽게 분리할 수 있습니다. 따라서 서포트 제작은 FDM 프린팅에서 핵심적인 단계입니다. 잘 만들어진 베이스 레이어는 전체 출력 과정에 정확한 기준면을 제공하여 출력물의 정확성과 품질을 보장합니다.

5. 제거 및 후처리 지원

FDM 방식으로 제작된 모델의 후처리 과정은 주로 모델의 서포트를 제거하고 외면을 샌딩하는 작업으로 이루어집니다. 먼저 솔리드 모델의 서포트 부분을 제거한 후, 최종 모델의 정확도와 표면 조도가 요구 조건을 충족하도록 솔리드 모델의 외면을 샌딩합니다.

하지만 실제 생산 경험에 따르면, FDM 기술로 복잡하고 정밀한 구조를 가진 모델을 제작할 경우, 모델에 손상을 주지 않고 서포트를 완전히 제거하기가 어렵습니다. 시제품 표면이 손상되기 쉽고, 이는 모델 표면 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 3D 프린팅 업계의 거물인 스트라타시스는 1999년에 수용성 서포트 소재를 개발했습니다. 출력된 모델을 용액으로 헹궈 서포트 소재를 녹여내면 모델 자체에는 손상이 가지 않고 효과적으로 문제를 해결할 수 있었습니다. 그러나 현재 중국에서 자체 개발한 FDM 프린팅 장비는 아직 이러한 방식을 구현하지 못하고 있으며, 출력 모델의 후처리 과정은 여전히 ​​상당히 복잡합니다.

적층 제조에 사용되는 재료

현재 가장 흔하게 사용되는 필라멘트 소재로는 ABS, PLA, 인조 고무, 왁스, 폴리에스터 열가소성 수지 등이 있습니다. 일부 장비는 두 가지 소재를 사용해야 하는데, 하나는 솔리드 부품을 출력하는 데 사용되는 모델링 소재이고, 다른 하나는 캐비티 또는 캔틸레버 부품을 지지하는 데 사용되는 서포트 소재입니다.

다른 3D 프린팅 기술과 비교했을 때, FDM 프린팅에 사용 가능한 원자재의 범위는 상대적으로 넓습니다. 모델의 솔리드 부품에 사용할 재료를 선택할 때는 주로 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다.

• 점도: 점도가 낮을수록 저항이 작아져 막힘 현상이 줄어들고 노즐이 막힐 가능성이 낮아집니다.
• 녹는점: 녹는점이 실온에 가까울수록 인쇄 전력 소모가 줄어들고, 기계 수명 연장, 열 응력 감소, 결과적으로 인쇄 정확도 향상에 도움이 됩니다.
• 접착력: 재료의 접착력은 출력물의 각 층 사이의 접착 강도를 결정합니다.
• 수축률: 재료의 수축률이 작을수록 인쇄물의 정확도가 더욱 보장됩니다.

FDM 공정에서 서포트 재료에 대한 주요 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 고체 재료의 종류에 따라 지지 재료는 그에 상응하는 고온을 견딜 수 있어야 합니다.
• 후처리 작업을 용이하게 하기 위해 지지체와 고체 재료 사이에는 습기가 없어야 합니다.
• 고체 재료와 마찬가지로 유동성이 좋아야 합니다.
• 수용성이나 산 용해성 등의 특징을 갖는 것이 가장 좋습니다.
• 녹는점이 낮을수록 좋습니다.

일반 장비

FDM 프린팅에 사용되는 재료는 일반적으로 왁스, ABS, PC, 나일론 등의 열가소성 수지입니다. 표준 프린팅 재료는 주로 필라멘트로 만들어지며, 재료비가 저렴한 편입니다. 국내산 ABS나 PLA의 킬로그램당 가격은 대부분 100위안(약 15달러) 내외입니다. 또한, 분말이나 액체 재료를 사용하는 프린팅 장비와 비교했을 때, 필라멘트는 더 깨끗하고 교체 및 보관이 간편하며, 프린팅 과정에서 분말이나 액체 오염 물질이 발생하지 않습니다.

시중에는 특히 일반 소비자를 위한 데스크톱 프린터를 포함하여 다양한 적층 제조 방식의 3D 프린터가 판매되고 있습니다. 적층 제조 방식은 거의 하나의 세계라고 할 수 있습니다. 메이커봇의 씽오매틱, 레플리케이터 시리즈, 3D 시스템즈의 큐브 프린터와 같은 가장 잘 알려진 제품들은 모두 FDM 기술을 사용하는 보급형 3D 프린터입니다.

허용 오차 및 용량

Getzshape에서는 저희 3D 프린팅 서비스 당사는 SLA, SLS, SLM, FDM의 네 가지 주요 기술을 다룹니다. FDM 3D 프린팅의 허용 오차 및 용량은 아래에 명시되어 있습니다.

FDM 방식으로 출력된 부품의 마감 처리

• 샌딩FDM 방식으로 출력된 부품의 표면 마감은 기본적이면서도 중요한 단계입니다. 다양한 입자의 사포를 사용하여 눈에 보이는 적층선을 제거하고 표면을 더욱 매끄럽게 만듭니다.
• 그림먼저 표면을 사포질하여 매끄럽게 만듭니다. 그런 다음 페인트가 잘 접착되도록 프라이머를 도포합니다. 이후 색상 페인트를 스프레이 또는 붓으로 칠합니다. 도색을 통해 층간 경계선을 완벽하게 가릴 수 있고, 부품에 아름다운 색상을 입히고 표면을 매끄럽게 만들 수 있습니다. 도색은 전시용 모형, 시제품 및 최종 제품에 널리 사용됩니다.
• 세련FDM 부품의 표면을 매끄럽고 광택 있게 만드는 과정입니다. 기본적인 사포질 후, 특수 연마제나 도구를 사용하여 표면을 문지릅니다. 이 과정을 통해 미세한 흠집이 제거되고 부품이 윤기 있게 보입니다. 연마는 PLA 및 ABS와 같은 재료에 효과적입니다.
• 증기 스무딩특수 화학적 마감 처리 방법으로, 주로 ABS 부품에 사용됩니다. 출력물을 용매 증기가 있는 밀폐 용기에 넣으면 증기가 부품 표면을 살짝 녹여 적층선이 서로 녹아들어 매끄러워집니다. 이 공정을 거치면 부품 표면이 매우 매끄럽고 광택이 나며, 적층선이 눈에 띄지 않게 됩니다.