광조형(SLA) 3D 프린팅이란 무엇입니까?

스테레오리소그래피(SLA)는 신속 프로토타이핑에 널리 사용되는 3D 프린팅 기술 중 하나입니다. 이 기술은 감광성 수지를 원료로 사용합니다. 본 글에서는 스테레오리소그래피 3D 프린팅의 기본 원리, 기술 작동 방식, 단계별 전체 공정 흐름, 그리고 적합한 재료에 대해 설명합니다.

스테레오리소그래피(SLA) 개요

스테레오리소그래피(SLA)는 가장 초기에 개발된 쾌속 조형 기술 중 하나입니다. 또한 오늘날 가장 심도 있게 연구되고, 가장 성숙했으며, 가장 널리 사용되는 쾌속 조형 기술 중 하나이기도 합니다.

스테레오리소그래피는 감광성 수지를 원료로 사용합니다. 특정 파장과 강도의 레이저(자외선)를 감광성 재료 표면에 집중시키면 재료가 한 점에서 선으로, 선에서 표면으로 순차적으로 경화되어 한 층의 단면을 완성합니다. 그런 다음 빌드 플랫폼을 수직 방향으로 한 층 두께만큼 올리거나 내리고, 다음 층에 레이저를 조사하여 경화시킵니다. 이러한 경화 및 이동 과정이 반복되어 층들이 쌓여 3차원 입체 부품을 출력합니다.

스테레오리소그래피의 원리

스테레오리소그래피(SLA) 기술은 1986년 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 찰스 헐(Charles Hull)에 의해 최초로 개발되었으며, 1987년에 특허를 받았습니다. 이는 가장 초기에 등장한 3D 프린팅 기술이며, 현재 가장 성숙하고 널리 사용되는 기술입니다. SLA는 주로 감광성 수지를 원료로 사용하며, 자외선 레이저 장치를 이용하여 컴퓨터 제어 하에 층층이 경화시키는 방식입니다. SLA 공정은 표면 품질과 치수 정확도가 높은 프로토타입은 물론 복잡한 기하학적 형상까지 간단하고 빠르며 완전 자동화된 방식으로 출력할 수 있습니다.

스테레오리소그래피 인쇄 효과는 인쇄 장비뿐만 아니라 감광성 수지 재료의 성능에도 크게 영향을 받습니다. 사용되는 인쇄 재료는 적절한 점도를 가져야 하며, 경화 후에는 일정 강도를 유지하고 경화 중 및 경화 후의 수축과 변형이 적어야 합니다. 더욱 중요한 것은 고속 및 정밀 인쇄를 위해서는 감광성 수지가 적절한 감광성을 가져야 한다는 점입니다. 비교적 낮은 에너지의 조사에서도 완전히 경화되어야 하며, 수지의 경화 깊이 또한 적절해야 합니다.

SLA의 작동 원리는 그림에 나타나 있습니다. 컴퓨터 제어 하에 자외선 레이저 부품이 설계 모델의 적층 구조 데이터에 따라 액체 감광성 수지 표면을 점 단위로 스캔하고 조사합니다. 이로 인해 조사된 영역의 얇은 감광성 수지 층이 중합 반응을 일으켜 경화되고, 얇은 경화층이 형성됩니다. 한 층의 경화가 완료되면 빌드 플랫폼이 Z축을 따라 한 층 두께만큼 하강합니다. 액체의 유동성으로 인해 인쇄 재료는 이전에 경화된 수지 표면에 자동으로 새로운 액체 수지 층을 형성합니다. 따라서 조사 부품은 다음 층에 대한 경화 작업을 바로 수행할 수 있습니다. 새로 경화된 층은 이전에 경화된 부분에 단단히 접착됩니다. 조사 및 하강 과정은 전체 부품이 인쇄될 때까지 반복됩니다. 그러나 인쇄가 완료된 후에도 프로토타입을 수지에서 꺼내 후경화 처리를 해야 합니다. 최종 제품은 강한 빛, 전기 도금, 도색 또는 착색 처리를 통해 얻어집니다.

일부 광경화성 수지 재료는 점도가 매우 높아 각 층이 조사 및 경화된 후 액체 표면이 단시간 내에 빠르게 평평해지기 어렵다는 점에 유의해야 합니다. 이는 출력물의 정확도에 영향을 미칩니다. 따라서 대부분의 SLA 장비에는 스크레이퍼 블레이드가 장착되어 있습니다. 빌드 플랫폼이 내려올 때마다 스크레이퍼가 표면을 고르게 긁어냅니다. 이를 통해 다음 층에 수지가 고르게 도포될 수 있습니다. 광경화 후 정확도가 향상되고 최종 출력물의 표면이 더욱 매끄럽고 평평해집니다.

SLA 기술의 특징은 높은 정밀도, 우수한 표면 품질, 그리고 거의 100%에 가까운 원자재 활용률입니다. 특히 복잡한 형상과 매우 정밀한 디테일을 가진 부품을 출력할 수 있으며, 소형 부품의 신속한 프로토타이핑에 매우 적합합니다. 하지만 장비와 출력 원자재 가격이 비교적 높다는 단점이 있습니다.

현재 SLA 기술은 금형 및 모형 제작에 사용되고 있습니다. 또한 원료에 다른 구성 요소를 첨가하여 주조 공정에서 왁스 패턴을 대체하는 데에도 활용될 수 있습니다. SLA 기술은 빠른 인쇄 속도와 높은 정밀도를 자랑하지만, 인쇄 재료가 감광성 수지를 기반으로 해야 하고, 감광성 수지는 경화 과정에서 필연적으로 수축하여 응력이나 변형을 유발하기 때문에, 현재 이 기술의 보급을 가로막는 주요 과제는 수축률이 낮고 경화 속도가 빠르며 강도가 높은 감광성 재료에 대한 시급한 필요성입니다.

스테레오리소그래피 공정

스테레오리소그래피(SLA) 기술의 공정은 일반적으로 전처리, 프로토타입 제작, 세척 및 경화 처리의 네 단계로 나눌 수 있습니다.

1. 전처리 단계는 주로 출력 모델을 위한 데이터 준비 작업을 포함합니다. 구체적으로는 CAD 설계 모델의 데이터 변환, 배치 방향 결정, 서포트 추가, 레이어 분할 등의 단계가 포함됩니다.
2. 스테레오리소그래피 공정은 SLA 장비의 실제 인쇄 공정입니다. 본격적인 인쇄에 앞서, SLA 장비는 일반적으로 감광성 수지 원료의 온도가 미리 설정된 적정 온도에 도달하도록 예열해야 합니다. 자외선 레이저를 가동하는 데에도 시간이 소요됩니다.
3. 모델 세척은 주로 과도한 액체 레진을 닦아내고, 프로토타입의 지지대를 제거하고 다듬고, 층별 경화로 인해 생긴 단차 질감을 사포질하는 작업으로 이루어집니다.
4. 다양한 입체 조형 방식에는 일반적으로 자외선 오븐을 이용한 전체 후경화 처리와 같은 후경화 처리가 필요합니다.

스테레오리소그래피의 특징

스테레오리소그래피 기술의 장점은 빠른 성형 속도와 높은 시제품 정밀도입니다. 이 기술은 높은 정밀도와 복잡한 구조를 요구하는 소형 부품 제작에 매우 적합합니다.

하지만 스테레오리소그래피 고속 프로토타이핑 기술에는 두 가지 단점이 있습니다. 첫째, 감광성 수지 원료에 독성이 있어 사용 시 보호 조치를 취해야 합니다. 둘째, 스테레오리소그래피로 제작된 완제품은 외관상으로는 매우 우수하지만 재질 강도는 실제 생산 제품에 비해 아직 떨어집니다. 이러한 단점 때문에 기술 개발이 크게 제한되고, 주로 시제품 설계 검증 용도로만 활용되며, 산업용 제품으로 만들기 위해서는 추가적인 후처리 과정이 필요합니다.

SLA 기술의 장비 비용, 유지 보수 비용 및 재료 비용은 다른 기술들에 비해 훨씬 높습니다. 융합 증착 모델링 (FDM) 그리고 다른 기술들도 있습니다. 따라서 스테레오리소그래피 기술 기반의 3D 프린터는 현재 주로 전문 분야에서 사용되고 있으며, 데스크톱 수준의 응용 분야는 아직 초기 단계에 있습니다.

구체적으로 SLA 프린팅 기술의 장점은 다음과 같습니다.

• SLA 기술은 일찍 등장했으며 오랜 개발 기간을 거쳐 기술적 성숙도가 매우 높습니다.
• 인쇄 속도가 빠르고, 감광 반응 공정이 간편하며, 제품 생산 주기가 짧고, 절삭 공구나 금형이 필요하지 않습니다.
• 인쇄 정밀도가 매우 높습니다. 기존 기술로는 제작하기 어려운 복잡한 구조나 모양의 시제품 ​​및 금형을 출력할 수 있습니다.
• 소프트웨어 기능은 완벽합니다. 온라인 작동 및 원격 제어를 지원하여 생산 자동화에 유용합니다.

다른 인쇄 기술과 비교했을 때 SLA 기술의 단점은 다음과 같습니다.

• SLA 장비는 일반적으로 가격이 비싸고 사용 및 유지 관리 비용이 매우 높습니다.
• 독성 액체를 정밀하게 다뤄야 하며 작업 환경에 대한 요구 사항이 엄격합니다.
• 재료의 한계로 인해 사용 가능한 재료는 대부분 수지입니다. 이로 인해 출력물의 강도, 강성 및 내열성이 매우 제한적이며 장기 보관에 적합하지 않습니다.

SLA 프린팅용 재료

SLA 방식은 다양한 수지 재료에 적합합니다. 재료는 내열성, 표면 마감의 매끄러움, 내마모성 등 최종 용도에 따라 선택할 수 있습니다. 수지 가격은 종류에 따라 크게 다릅니다. 일반 재료는 리터당 약 70위안인 반면, 주조용 수지나 치과용 수지와 같은 특수 재료는 리터당 약 500위안입니다.

허용 오차 및 용량

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

SLA 프린팅 부품 마감 처리

• 샌딩: 출력물의 표면 마감 처리는 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.
• 세련부품 표면을 매끄럽고 광택 있게 만드는 과정입니다. 기본적인 사포질 후, 특수 연마제나 도구를 사용하여 표면을 문지릅니다. 이 과정을 통해 작은 흠집이 제거되고 부품이 윤기 있게 보입니다.

스테레오리소그래피의 응용 분야

다양한 쾌속 조형 기술 중에서, 스테레오리소그래피(SLA) 쾌속 조형은 높은 공정 자동화 수준, 우수한 표면 품질, 높은 치수 정확도, 그리고 정교하고 복잡한 기하학적 형상을 제작할 수 있는 능력 덕분에 가장 널리 적용되는 방법 중 하나가 되었습니다.

SLA 기술은 개념 설계 커뮤니케이션, 소량 생산을 위한 정밀 주조, 제품 모델링, 쾌속 금형 제작 및 직접 금형 제작 분야에 널리 사용됩니다. 항공우주, 자동차, 가전제품, 소비재, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다.

우주항공

항공우주 분야에서 SLA 모델은 풍동 시험, 제조 가능성 검증 및 조립 검증에 사용될 수 있습니다.

항공우주 부품은 제한된 공간 내에서 작동하는 매우 복잡한 시스템인 경우가 많습니다. 스테레오리소그래피(SLA) 기술을 도입함으로써 엔지니어는 SLA 프로토타입을 기반으로 조립 간섭 검사를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 최적의 제조 공정을 결정하기 위한 제조 가능성 평가도 진행할 수 있습니다.

급속 주조, 급속 모래 주조 및 관련 기술의 도움으로 SLA는 터빈, 블레이드 및 임펠러와 같은 고도로 복잡한 부품의 단일 부품 또는 소량 생산은 물론 엔진 부품의 프로토타입 제조 및 테스트도 지원할 수 있습니다.

항공우주 산업에서 많은 엔진 부품은 주조 공정을 통해 제조됩니다. 전통적인 CNC 가공을 이용한 고정밀 마스터 패턴 제작은 매우 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸립니다. SLA 기술을 사용하면 CAD 디지털 모델에서 직접 주조용 마스터 패턴을 제작할 수 있어 리드 타임과 제조 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

단 몇 시간 만에 CAD 모델에서 직접 복잡하고 저렴한 주조용 SLA 마스터 패턴을 생성할 수 있습니다.

SLA 고속 프로토타이핑 기술은 다양한 발사체 또는 미사일 포탄을 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다. 센서를 장착한 후, 이러한 모델은 바로 풍동 시험을 거칠 수 있습니다. 이 방법은 복잡한 곡면 금형 제작과 관련된 비용과 소요 시간을 줄여주므로, 엔지니어는 여러 설계 개념을 보다 효율적으로 평가하고 최적의 공기역학적 솔루션을 찾아낼 수 있습니다.

결과적으로 제품 개발 과정 전반에 걸쳐 검증 주기와 전체 개발 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

또한, SLA 기술로 제작된 실물 크기 미사일 모형은 표면 코팅을 통해 미사일의 외형, 구조 및 작동 원리를 명확하게 보여줄 수 있습니다. 기존의 컴퓨터 기반 시뮬레이션이나 설계 도면과 비교했을 때, 이러한 실물 모형은 훨씬 효과적인 시각화 및 프레젠테이션 기능을 제공할 뿐만 아니라, 대량 생산에 앞서 제조 가능성 및 조립성 평가를 가능하게 합니다.

자동차

SLA 기술은 자동차 제조, 공구 제작, 전기 제품 및 주조 산업에서도 사용됩니다.

자동차 산업은 다양한 모델 생산과 짧은 개발 주기가 특징입니다. 끊임없이 변화하는 제조 요구 사항을 충족하기 위해 차량 설계는 지속적으로 업데이트되고 최적화되어야 합니다.

최신 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 통해 출력, 강도 및 강성과 관련된 분석을 수행할 수 있지만, 제품 개발 과정에서 외관, 공구 접근성, 조립 가능성 및 분해 성능을 검증하기 위해서는 여전히 물리적 프로토타입이 필요합니다.

매우 복잡한 형상과 구조를 가진 부품의 경우, SLA 기술을 사용하여 설계자의 개념을 검증하는 기능성 프로토타입을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 기능 테스트 및 조립 검증도 지원할 수 있습니다.

SLA 기술은 엔진 유동 분석 연구에도 널리 사용됩니다. 유동 분석 기술은 복잡한 부품 내부의 액체 또는 기체의 흐름 패턴을 파악하는 데 사용됩니다. 투명한 프로토타입 모델을 테스트 플랫폼에 설치하고 미세 입자나 기포를 포함하는 액체를 유로를 통해 순환시켜 유동 현상을 시각화합니다.

이 기술은 다음과 같은 연구 개발 분야에 성공적으로 적용되었습니다.

• 엔진 냉각 시스템
• 실린더 헤드
• 워터 재킷
• 흡기 매니폴드
• 배기 매니폴드

기존 제조 방식은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들며 정확도가 부족한 경우가 많습니다. 반면, SLA 기술과 CAD 모델링을 결합하면 단 4~5주 만에 제작이 가능하며 비용은 기존 방식의 약 3분의 1 수준으로 절감됩니다.

또한, 이렇게 만들어진 투명 모델은 실린더 헤드 및 워터 재킷과 같은 부품에 대한 CAD 치수 요구 사항을 완벽하게 충족하는 동시에 필요한 표면 품질도 달성할 수 있습니다.

이러한 응용 분야 외에도 SLA 고속 프로토타이핑 기술은 다음과 같은 분야에도 통합될 수 있습니다.

• 리버스 엔지니어링
• 신속 툴링 기술
• 시제품 제조 기술

다음과 같은 응용 프로그램에 사용 가능:

• 자동차 차체 디자인
• 전면 및 후면 범퍼 프로토타입 개발
• 실내 도어 패널 시제품 제작
• 기능 및 구조 프로토타입 검증
• 경주용 차량 부품 생산

투자 주물

주조 생산에서 패턴, 코어 박스, 왁스 사출 금형 및 다이캐스팅 금형을 제작하는 것은 전통적으로 기계 가공 공정에 의존하며 숙련된 기술자의 수작업 마무리가 필요한 경우가 많습니다.

형상이 매우 복잡한 주조물의 경우, 금형 제작이 특히 어려워집니다.

일부 대형 주조 공장은 첨단 CNC 기계와 카피 밀링 장비를 갖추고 있지만, 장비 자체가 고가이고 가공 주기가 길며 소프트웨어 지원이 제한적이어서 프로그래밍이 여전히 어렵습니다.

고속 프로토타이핑 기술의 등장으로 주조 산업은 다음과 같은 이점을 제공할 수 있는 솔루션을 확보하게 되었습니다.

• 금형 생산 속도 향상
• 더 높은 차원 정확도
• 더 복잡한 기하학적 구조

이를 통해 주조 금형 제조 능력이 크게 향상됩니다.

예술과 창작

SLA 기술은 뛰어난 표면 품질, 높은 치수 정확도, 그리고 복잡한 구조적 디테일을 구현할 수 있는 능력 덕분에 예술 및 창작 분야에서도 널리 활용되고 있습니다.

현재 스테레오리소그래피는 다음과 같은 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

• 예술적 창조
• 문화재 복제
• 디지털 조각
• 창의적인 수공예품 제작
• 애니메이션 모델 제작
• 창의적인 문화 상품 개발

진공 주조용 마스터 패턴

진공 주조 방법 SLA 방식은 소량의 사출 성형 부품을 생산하는 경제적인 대안입니다. 일반적으로 SLA 방식으로 출력한 부품을 마스터 패턴으로 사용하고, 이 마스터 패턴을 기반으로 실리콘 금형을 제작합니다. 그런 다음 폴리우레탄(PU) 소재를 실리콘 금형에 부어 복제 부품을 생산합니다.

진공 주조 부품의 품질은 원본 마스터 패턴의 품질에 크게 좌우됩니다. SLA 프로토타입에는 표면 질감이나 기타 후처리 작업을 적용하여 최종 생산 제품의 외관과 세부적인 표면 특성을 모사할 수 있습니다. 실리콘 금형은 마스터 패턴의 세부 사항과 질감을 정확하게 재현하여 복제된 부품이 매우 일관된 표면 마감과 외관을 구현할 수 있도록 합니다.