1. 3D 프린팅정의 - 3D 프린팅이란적층가공 (Additive Manufacturing-AM) 이라고도불리며, 디지털디자인데이터를이용, 소재를적층해 3차원물체를제조하는프로세스를말함 - 이전까지의제조기술이입체형상의재료를기계가공등을통해자르거나깍는방식으로입체물을생산하는절

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우림 양
6 years ago
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1 전략기획팀

2 1. 3D 프린팅정의 - 3D 프린팅이란적층가공 (Additive Manufacturing-AM) 이라고도불리며, 디지털디자인데이터를이용, 소재를적층해 3차원물체를제조하는프로세스를말함 - 이전까지의제조기술이입체형상의재료를기계가공등을통해자르거나깍는방식으로입체물을생산하는절삭가공 (Subtractive Manufacturing) 형식이었다면, 3D 프린팅에서는이와반대로적층방법을취하며, 쾌속조형 (Rapid Prototyping), 첨삭가공, Additive Fabrication, Layer Manufacturing, Freeform Fabrication 등의용어와함께사용되기도함 2. 3D 프린팅개발연혁 년 Charles Hull이디지털데이터로부터 3D 물건을인쇄할수있는 Stereo lithography를개발 - Charles Hull은 3D system 社를설립하고 1992년 SLA (Stereolithographic Apparatus) 를개발 - 이후지속적인발전을거듭하여 3D 프린팅기술은의학, 항공, 자동차, DIY (Do-it-yourself), 보석류등의다양한분야와생산시스템발전에기여표 1. 3D프린팅의개발연혁 연도 주요개발사항 1984 년 - Charles Hull 의 3D 프린팅기술 (Stereolithography) 발명 1992 년 - 3D System 社의 SLA (Stereolithographic apparatus) 개발 1999 년 - Wake Forest Institute for Regenerative Medicine 에서신장보조 기구를 3D 프린터로제조 2002 년 - 소형신장을 3D 프린터로제작, 이식성공 2005 년 - Bath 대학의 Adrinan Bowyer 박사가 RepRap Project 를시작하여 3D 프린팅의오픈소스접근법도입 - 1 -

- DIY(Do-it-yourself) 상품군에응용 2006 년 - SLS (Selective Laser Sintering) 기술개발로맞춤형대량제조가능 2008 년 2009 년 - RepRap Project에서자기복제 3D 프린터 Darwin 개발 - Shapeway 社공공창조시범 Project 시작 - MakerBots Industries 社 DIY

3 - DIY(Do-it-yourself) 상품군에응용 2006 년 - SLS (Selective Laser Sintering) 기술개발로맞춤형대량제조가능 2008 년 2009 년 - RepRap Project에서자기복제 3D 프린터 Darwin 개발 - Shapeway 社공공창조시범 Project 시작 - MakerBots Industries 社 DIY 키트출시 - Organovo 社 Gabor Forgacs 박사의기술을사용하여혈관인쇄 2011 년 - 무인비행기를 3D 프린터로제조 2012 년 - LayerWise 社맞춤형턱을인쇄, 이식성공 출처 : 3D 프린팅고분자소재의현황과연구방향 3. 3D 프린팅공정 - 디자인 SW 또는 3D 스캐너를통한 3차원디지털도면제작을위한모델링 - 프린팅 - 서포터제거, 연마, 염색, 표면재료증착등최종상품화를위한마무리공정 그림 1. 3D 프린터의프로세서 4. 3D 프린팅적층방식 - 3D 프린터는적층방식과입체물제조에활용가능한재료에따라다양한기술로구분할수있음 - 적층방식은압출, 잉크젯방식의분사, 광경화, 파우더소결, 인발, - 2 -

4 시트접합등으로구분가능하며, 활용가능재료는폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료등매우다양함표 2. 3D 프린터기술별주요특징적층방식기술명정의 Extrusion ( 압출 ) Jetting ( 분사 ) 액체 Light Polymerised FDM Fused Deposition Modeling MJM Multi Jetting Modeling Polyjet 3DP 3 Dimensional Printing SLA Stereo Lithography Apparatus DLP Digital Light Processing 가는실 ( 필라멘트 ) 형태의열가소성물질을노즐안에서녹여얇은필름형태로출력하는방식으로적층 노즐은플라스틱을녹일수있을정도의고열을발산하며플라스틱은상온에서경화 프린터헤드에서광경화성수지와 WAX를동시분사후, UV Light로고형화하는방식으로적층 광경화성수지는모델의재료이며, WAX는지지대로사용 광경화와잉크젯방식의혼합 이스라엘의 Objet에서개발 ( 현재 Stratasys에인수 ) 노즐에서액체상태의컬러잉크와경화물질을분말원료에분사하는방식으로적층 액체광경화성수지가담긴수조안에저전력 고도의 UV 레이저를투사하여경화시키는방식으로적층 조형판위에지지대 ( 받침대 ) 를조성하고조형하고자하는모델의아랫부분부터경화 적층 액체상태의광경화성수지에조형하고자하는모양의빛을 DLP(Digital Light Projector) 에투사하여적층 프로젝터에서나온이미지를마스크단위 (2차원) 로투사 고체 Granular Sintering (melting) SLS Selective Laser Sintering 베드에도포된파우더 ( 분말 ) 에선택적으로레이저를 조사 소결하고, 파우더를도포하는공정을반복 하여적층 - 3 -

5 SLM Selective Laser Melting 도포된금속파우더에선택적으로고출력 Ytterbium-Fibre 레이저를조사하여용융시키는방식으로적층 금속파우더가용융되는동안산화방지를위해불활성가스 ( 아르곤, 질소 ) 가챔버내에공급 Directed Energy Deposition Wire ( 인발 ) Sheet Lamination EBM Electron Beam Melting DMD Direct Metal Deposition EBF Electron BeamFreeForm Fabrication LOM Laminated Object Manufacturing 고진공상태에서전자빔을활용하여금속파우더를용해하는방식으로적층 지지대역할금속포면에고출력레이저빔을조사하여일시적으로용융풀을생성하고, 여기에금속분말을공급하여클래딩층을형성 (DMT 로도알려짐 ) 와이어형태의금속원료에전자빔을조사시켜경화시키는방식으로적층 NASA의 Langley Research Center에서개발주도 모델의단면형상대로절단된점착성종이, 플라스틱, 금속라미네이트층등을접착제로접합하여조형 출처 : 글로벌 3D 프린터산업기술동향분석 _ 한국기계연구원 5. 3D 프린팅소재 - 현재 3D 프린팅에사용되고있는주요고분자소재는 PLA, ABS, Nylon, Urethane, PLA/ABS Alloy, PC, PEI, 그리고, UV Resin과 Photo-polymer 등이있으나이와같은폴리머소재들은강도가약하고, 냄새가나는등의문제점을갖고있음. - 강도개선등의성능향상을위하여유리섬유, 탄소섬유, 그라펜등을함침한소재의개발이진행되고있음 * Carbon Nanotube 또는 Carbon Fiber Reinforced Polymer, Glass Fiber Reinforced Polymer, Triboplastic (Self Lubricating), Graphene Alloy Polymer, UV Resin/Fiber reinforced - 4 -

6 표 3. 3D 프린팅주요소재 소재형태 3D 프린팅소재비고 Thermoplastic Powder Resin 금속 PLA ABS PVA, HIPS Polycarbonate, Nylon, Polyphenylsulfone ULTEM, PEEK와 PAEK 등의엔지니어플라스틱 Polyamide Alumide Multi-color 고정밀 UV 레진페인트형레진투명레진 Titanium Stainless steel Bronze 국내서 FDM용으로가장많이사용하는재료. 용융시프린터를끈적끈적하게하여작업하기어렵고, 자연분해되는친환경소재이나재순환이어려운소재, 흡습이높아재료보관주의세계적으로가장많이사용하는소재, 용융시냄새문제큼출력후물과 Oil에녹여내는 supporter로주로사용됨열변형온도 (HDT) 가 100~150 인기능성고분자로열수축주의필요열변형온도가 150 이상인고강도엔지니어링재료, Utem 상용화 Nylon 12가많이사용되는소재회색의 aluminum powder와 polyamide의 blend 미세그래뉼분말로제조 Photo-Polymer 액체매끈한표면과미관형성경화가능한액체경량 & 최고강도 3DP 소재, 분말을레이저로소결시킴동함침분말, 가장저렴한금속, 고강도분말 Brass, Silver, Gold - 세라믹 유리, 알루미나, 실리카 분말등 열저항성, 재순환가능, 음식물안전 출처 : 3D 프린팅고분자소의현황과연구방향 _KEIT - 5 -

7 - 3D 프린팅소재는우수한기계적물성과정밀한형상구현이가능해야함 - 플라스틱소재의경우 3D 프린팅과정에서충분하게압력을가할수없어인쇄물을얻기에는한계가있으며단지공학적으로필요한물성을모사하는수준임. 또한플라스틱소재는용해와재결정과정의물성이더욱민감하여나일론 5, 나일론 6,6 또는 PP 등과같은공학적물성을갖는새로운소재의개발이어려움 - 미국 Madesolid 社는 2014년초차세대소재 PET+ 개발을발표하였으며 PET+ 소재는 ABS와 PLA 두소재의장점만을가진새로운소재로서유연성이우수하고, 수축과변형이없으며재활용이가능함 - 이밖에도 MS resin 은 SLA 3D 프린터용소재로서선명한색상이가능하고, 점성이낮아세척이용이한장점을갖는특수제조레진을개발하였음 - 국내소재전문업체들은 3D 프린팅소재를신성장동력으로추진중이나현재는소재시장에진입하는초기단계이며 LG화학은충격에강하면서도가벼워금속대체가가능한 ABS 생산에집중하고있으며대림화학에서도 3D 프린터용플라스틱필라멘트를생산중임 6. 국내외기술개발동향 1) 국외기업기술동향 - 미국의큐비파이는최대 1070인치까지인쇄가가능하고한번에 3색을출력할수있는 3D 프린터큐브X와 2세대큐브를 CES 2013 에서공개한바있고이는크기가작고 WiFi 기능을통해원본디자인을다운로드받을수도있어업계의주목을받고있음 - 미국의람보르기니는 3D 프린터를활용하여스포츠카 (aventador) 시제품을제작하여기존의제작기간과비용 (4개월, 4만달러 ) 을각각 1/6, 1/8로절감하고있음 - 미국의포드는 3D 프린터를활용하여자동차의실린더헤드, 브레이크로터, 후륜엑셀등의부품시제품을제작하여기존의제작기간 (3개월) 을 1~2개월로단축하고있음 - 미국의아디다스는시제품개발에 3D 프린터를활용함으로써인력을 21명에서 12명으로, 개발기간을 4~6주에서 1~2일로대폭절감시키고있음 - 6 -

8 그림 2. 3D 프린터의의류분야활용사례 - 미국의응용연구소 (Applied Research Laboratory) 는관련기업등과기술제휴를통해 3D 프린팅기술을적용하여기하학적인개선점과가격경쟁력을가진로켓엔진과차세대우주선부품을개발하였음 - 미국의 UC버클리의대는 3D 프린터를활용하여샴쌍둥이분리수술에성공하여세계적으로화제를불러일으킨바있으며이는인체의내장과뼈를안전하게자르는수없이많은인쇄실험의결과임 - 영국에서는 3D 프린팅기술을적용하여티타늄으로항공기부품을제조하는방법을개발하였으며이는티타늄가루를레이저나전자빔으로녹여서부품을제조하고여분의티타늄가루는재활용할수있어상용화의가치가매우큰것으로평가받고있음 그림 3. 티타늄소재를활용한 3D 프린팅 - 7 -

- 스페인의쿠니코드디자인회사는아동교육용만화나그림을 3D 프린터를이용하여그림으로제작하는혁신적인서비스를제공하고있으며, 카메라, 자전거및비행기등다양한제품을제작하고있음 - 덴마크의 Widex는 3D 프린터와 3D 스캐너를활용하여보청기제작에성공한바있음 - 네덜란드의쉐입웨이즈는배터리제조를통해 3D

3D 프린터의의료분야활용사례 2) 국내기업기술동향 - 현대모비스는 3D 프린터를활용하여자동차의헤드램프, 대시보드, 에어백등다양한시제품을저비용, 고속으로생산하고있으며 3D 프린터활용시제품제작건수는 2011년 2,119건에서 2012년에는 49% 증가한 3,159건을기록하였음.

9 - 스페인의쿠니코드디자인회사는아동교육용만화나그림을 3D 프린터를이용하여그림으로제작하는혁신적인서비스를제공하고있으며, 카메라, 자전거및비행기등다양한제품을제작하고있음 - 덴마크의 Widex는 3D 프린터와 3D 스캐너를활용하여보청기제작에성공한바있음 - 네덜란드의쉐입웨이즈는배터리제조를통해 3D 프린팅기술을적용한반도체제조기술을상용화단계에진입시켰으며이처럼반도체와배터리를제조할수있다면이들을조립하여반도체장비를제조할수도있을것으로평가받고있음 - 일본교토대학은 3D 프린터를이용하여경추추간판탈출증환자 4명에게인공뼈 ( 티타늄분말활용 ) 를제작한후이식에성공하였음 그림 4. 3D 프린터의의료분야활용사례 2) 국내기업기술동향 - 현대모비스는 3D 프린터를활용하여자동차의헤드램프, 대시보드, 에어백등다양한시제품을저비용, 고속으로생산하고있으며 3D 프린터활용시제품제작건수는 2011년 2,119건에서 2012년에는 49% 증가한 3,159건을기록하였음. 특히헤드램프시제품의경우제작시간과비용을각각 1/30, 1/12 수준으로절감한것으로나타났음 - 두산인프라코어는 3D 프린터로제작한컨셉굴삭기 CX 가 2009년레드닷디자인어워드에서대상을수상한바있으며최근에는조이스틱디자인에 3D 프린터를적극활용하고있음 - 삼성서울병원은부비동암수술에 3D 프린터를활용함으로써수술후부작용 ( 얼굴골격이나눈의함몰증상등 ) 을최소화하고있음 - 8 -

10 - 사회적기업인딜라이트는 2011 년부터 3D 프린터를활용하여맞춤형 보청기를제작하여저소득층에보급하고있음 그림 5. 3D 프린터로제작된자동차부품들 7. 3D 프린팅기술의응용분야 - 3D 프린팅기술은 Rapid Prototyping 등의산업용소비재및각종전자장치, 의료기기, 자동차, 항공기, 건축자재등매우다양한산업분야에적용할수있음 생활용품분야 : 칫솔, 신발, 의류, 보석, 완구, 각종계기판, 스마트폰케이스, 액세서리, 장난감등 식품분야 : 액상초콜릿등의음식재료 엔터테인먼트분야 : 영화용캐릭터, 애니메이션용툴등 가전분야 : 카메라, GPS 디바이스, 각종전자부품등 의료분야 : 인공뼈, 인공귀, 인공치아, 임플란트, 의료용로봇팔, 보청기, 이식가능한의수및의족등의료용생체조직 기계분야 : 자전거, 자동차, 항공기등 건축분야 : 구조가복잡한사무실이나건물의건축모형및건축자재등 - 9 -

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<2831342D3131313429203344C7C1B8B0C6C32DC6EDC1FD2E687770> 2014-05 kskil@kmi.re.kr hisgrace@kmi.re.kr ahnyg@kmi.re.kr 2014. 10. 31. CONTENTS Ⅰ. 01 Ⅱ. 03 Ⅲ. 32 Ⅳ. 47 Ⅴ. 58 3D 프린팅 기술은 제3차 산업혁명 을 가져올 미래 제조기술 3D 프린팅 기술은 디지털 데이터로부터 물리적인 3D 개체를 만들어 낼 수 있는 조형기술로