`15 한국섬유공학회 3D 프린팅기술과소재산업세미나 일자 : 2015 년 5 월 21 일 ( 목 ) 장소 : 섬유센터 내용 1. 3DP 및 AM 개요 2. 3DP 기본원리 3. 3DP 최근개발동향 4. 산업현장의 3D 프린팅활용 5. 3DP 산업의미래예측

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1 2015 섬유공학회춘계세미나를통해서본 3D 프린팅기술과소재산업동향

2 `15 한국섬유공학회 3D 프린팅기술과소재산업세미나 일자 : 2015 년 5 월 21 일 ( 목 ) 장소 : 섬유센터 내용 1. 3DP 및 AM 개요 2. 3DP 기본원리 3. 3DP 최근개발동향 4. 산업현장의 3D 프린팅활용 5. 3DP 산업의미래예측

3 1. 3DP(3D Printing, 이하 3DP) 및 AM(Additive Manufacturing, 이 하 AM) 개요 가. 3D 프린터의정식용어는 Additive Manufacturing이고, 디자인작업이나개인적취미에서 3D Printing 이라일컬음나. 3D 프린터의기본기술은 3차원형상을 2차원형상으로분할해서쌓는것임다. 3D 프린터의구성은 33% 는데이터, 33% 는형상구현, 33% 는후가공으로이루어짐 2. 3DP 기본원리 가. Photo Polymerization(PP) 원리 1) 빛의조사로플라스틱소재의광중합반응을일으켜선택적으로 UV를쐬어고형화시키는방식임 2) 특징가 ) 한칸을프린터하고, 내리고, 한칸을프린터하고, 내리고를반복하며사출하여아주정교함나 ) 빔을스캐닝 (scanning) 하는방식때문에가격이비싸므로, 빔을한번에쏠수있는방식을고안하여비용을낮춤다 ) 기기의앞부분은정교하나뒷부분은그렇지않아크기가큰물체를사출하는데에는적합치않음 나. Material Extrusion(ME) 원리 1) 고온가열한재료를노즐을통해연속적으로밀어내며위치를이동시켜물체를형성시키는방식임 2) 특징 : 기기의압출방식이 Z축에유리하지않고, 처리시간이출력시간보다길며, 비교적색감이좋지않고정교하지않은단점이있음 다. Binder Jetting(BJ) 원리 1) 가루형태의모재위에액체형태의접착제를토출시켜모재를결합시키는방식임 2) 특징가 ) 고온분말을사용하여좌편에고온분말이넘어와제조되는데, 이때 - 1 -

4 분말을얇게깐뒤, 풀을쏘았다가안쏘았다가를반복함나 ) 풀 (full) 컬러구현이가능하고, 여러소재를사용할수있으며, 굉장히정교함다 ) 기념품이나공산품모델에서부터건축물제조가가능한, 간단해보이지만굉장히파워풀한방법임 라. Material Jetting(MJ) 원리 1) 용액형태의소재자체를젯팅 (jetting) 으로토출시키고자외선등으로경화시키는방식임 2) 특징가 ) 흔히알고있는잉크젯방식으로, 집에서사용하는프린터로제조가가능함나 ) 서포트레이어 (support layer) 방식을이해해야원리를알수있으며, 굉장히저렴하고, 빠르고, 정교함 support layer : 허공에쏠수없으므로물체아래부분에녹는물질을먼저서포트 (suppot) 해주고, 그위에서포트-물질-서포트-물질순서로한 layer를쏘고 UV경화를쐬는방식 마. Direct Energy deposition(ded) 원리 1) 고에너지원 ( 레이저나전자빔등 ) 으로원소재를녹여부착시키는방식임 2) 특징가 ) 기기가운데빔을쏜상태에서, 파우더를뿌리면빔에맞은파우더가퍼짐나 ) 표면산화가잘되므로산화제어및응력제어등을해주어야함다 ) 헤드만으로 3D 프린팅을할수있어서다른기기와적용이용이함라 ) 가공과적층을동시에할수있는기기를제작하여히트를쳤음 바. Power Bed Fusion(PBF) 원리 1) 가루형태의모재위에고에너지빔 ( 레이저나전자빔등 ) 을주사방식으로조사해선택적으로결합시키는방식임 2) 특징가 ) 좌편에파우더를부어내리면얇은분말층이생기고, 분말의침대와같다고해서 Power Bed Fusion(PBF) 방식이라함나 ) 세라믹, 폴리머, 금속등을선택적으로붙일수있고, PBF 방식은독일이강하고, Airs 社를비롯하여독일 3사가거의차지함 - 2 -

5 사. Sheet Lamination(SL) 원리 1) 얇은필름형태의재료를열, 접착제등으로붙여가며적층시키는방식임 표. ASTM F a/ISO TC261 에따른 3D 프린팅방식별분류 명칭원리비고 Photo Polymerization(PP) Material Extrusion(ME) Binder Jetting(BJ) 빛의조사로플라스틱소재의광중합반응을일으켜선택적으로교형화시키는방식고온가열한재료를노즐을통해연속적으로밀어내며위치를이동시켜물체를형성시키는방식가루형태의모재위에액체형태의접착제를토출시켜모재를결합시키는방식 SLA, DLP 등 FDM Material Jetting(MJ) 용액형태의소재자체를제팅으 로토출시키고자외선등으로경 화시키는방식 ( 잉크젯방식 ) Polyjet 등 Direct Energy deposition(ded) Power Bed Fusion(PBF) Sheet Lamination(SL) 고에너지원 ( 레이저나전자빔등 ) 으로원소재를녹여부착시키는방식가루형태의모재위에고에너지빕 ( 레이저나전자빔등 ) 을주사방식으로조사해선택적으로결합시키는방식얇은필름형태의재료를열, 접착제등으로붙여가며적층시키는방식 Powerder 방식 Wire 방식 SLS Ÿ Ÿ Ÿ 미국, 유럽 : ASTM F a/ISO TC261 에따름 한국 : ASTM F a/ISO TC261 중 Sheet Lamination(SL) 을제외 일본 : ASTM F a/ISO TC261 에거의동의 - 3 -

6 3. 3DP 최근개발동향 가. Markforged-USA 1) Markforged 社대표는자동차매니아로, 차체를가볍게하고자하는방법을연구하기시작함 2) 듀얼헤드가자동으로바뀌는시스템으로, FFF방식, CFF방식을같이사용함 3) 효성 ( 주 ) 은번들형태로공급하기때문에제작이어려우나, 국내에서도향후제작하고자노력하고있음 4) 나일론을사용하여나일론-탄소섬유-나일론-탄소섬유순으로프린트하며, 상당히가볍고획기적인제품임 나. ExOne-USA 1) 기본적으로바인더제트 (binder jet) 방식을사용하여모래에풀질을하는프린터로, 모래-풀질-모래-풀질순으로굉장히빠른속도로한번에많은제품을프린터함 2) 실리카샌드, 지르코늄 ( 잘젖지않음 ), 유리가루, 세라비즈등다양한재료공급이장점이고, 페놀계, 퓨란계까지되는잘만들어진프린터임 3) S자가붙은모델은 Sand( 모래 ) 를사용한프린터라는것임 다. M-Flex 1) 먼저, 형상을만든후후속처리를통해서기계적강도를얻음 2) 재료공급부터후처리까지全단계가잘이루어진프린터임 라. DMG-Mori 1) 약 2년전 PBF방식으로출시했는데반응이좋지않아 DED헤드를붙여출시하여잘팔린사례임 2) 가격은 13억정도의머신으로, 레이저헤드와절삭공구를결합하여제작하였고, 소프트웨어및작업호환성에문제가없는편임 3) 단독제품으로출시하는것보다기존장비와맞물려판매하는것이더적합한제품임 마. Liquid Metal 1) 상온 15 도정도에서녹고, 산화되는것만잘조절할수있으면활용도 가클것임현재는기초연구를하고있음 - 4 -

7 바. Carbon3D-USA 1) 현재 FDA프린트는약 20μm속도이하로아주느린데, Carbon3D는노스캐롤라이나화학과교수가만든것으로, 에펠탑을찍어내는데 10분정도밖에안걸림 2) 위에서구배가지면서구울수있고, 초당 30프레임이면가능함 3) 연속적으로사출해도작업이가능하고, 한층한층켜가보이면연속적이지않다는것인데, 이프린트의경우는켜가안보임 사. Gizmo3D-AUS 1) Carbon3D-USA 의사출방법을뒤집어제조한프린터로, 배트 (bat) 를여 러개까는것이특징임 아. Matsuura-Japan 1) Matsuura는서비스업회사인데, 복합가공을해야한다고주장한첫회사로서업계에서유명함 2) SLS프린트와밀링결합한프린트임 자. Voxel8-USA 1) Voxel8는 CIA가가장주목하는프린트로, 실버페이스트헤드와 FDA헤드가결합된제품임 2) 이회사에서드론의베스배드형태를만들었는데, 그런시도가처음이어서현재시장에서과대평가를받고있음 차. Optomec: Bimodal approach 1) 굉장히오래된회사로, 전기전자적기능에충실한회사임 2) 에어로졸방식으로재료를프린팅하며, 3D에가까운 2D프린트방식을사용함 카. nscrypt 1) nscrypt 社는마이크로펌프를잘만들고그기술을기반으로해서프린 트를만든회사로서, 우리나라의한대안이될수있는곳임 타. Staratasys 1) 크게두가지로나누면 FDM-Polyjet 과 photo polymer-uv 경화임 - 5 -

8 2) UV 로제일많이진화한프린터이고, 장비엔지니어와재료엔지니어의 협력이가장잘되고있는회사임 3) Connect3 란말은 head 3 개를모두결합할수있다는것임 파. KOIWAI-Japan 1) KOIWAI 社는전통적인주물회사인데 SLS장비를이용하여서비스하는회사로, 일본내에서급격히성장하고있으며비즈니스모델을잘갖추었음 2) 제작기간이짧아도완성도가높은제품을만들고, 세라비즈 (SLS), 순수한규사등을사용하며, 국내한국생산기술연구소에저모델을가지고있음 하. 기타 : Prismlab, EPSON - 6 -

9 표. 주요기업최신 3DP 제품사진 기업명 제품사진 Markfor ged -USA ExOne- USA M-Flex DMG -Mori - 7 -

10 Liquid Metal Carbon3 D-USA Gizmo3 D-AUS Matsuur a-japan - 8 -

11 Voxel8- USA Optome c: Bimodal approac h nscrypt Staratas ys - 9 -

12 KOIWAI printer Prismlab EPSON Ÿ 출처 : google images

13 4. 산업현장의 3D 프린팅활용 가. 3DP 적용별분류 1) 자동차산업가 ) 고분자재료에한해서, 탄소섬유와함께넣어서, 녹이고, 사출한뒤, 다듬어줌나 ) 미국의어느전시회에서전시회가시작할때자동차를만들기시작해서전시회가끝날때자동차를완성하여운전한사례가있음다 ) 전기자동차생산에이용되고, 기타자동차부품을조립하여자동차를제조하며, 자동차업체중로털모터스는전세계로부터의견을수렴하고반영하는것으로유명한회사임 2) 패션및건축산업가 ) 거미모양의성형품안에센서장치를삽입하여옷에부착하여, 주변의위험을감지하면거미다리가펴지도록의상을디자인함나 ) 휴대하기쉬운핸드용 3DP를이용하여어디서든지디자인하여제품을사출함다 ) 중국에서는 3DP를건축물을제조하는데에사용하는데, 부자재의적층뿐만아니라다듬기작업까지가능함라 ) US Army Mobile Parts Hospital 이라는모바일시스템은, 호주의탄광에서사용되거나, 중국의기차레일을보수하는데이용함 3) 의료산업가 ) 미국에서는 MRI 기기를통해엉덩이뼈등환자개개인에맞는맞춤형뼈를제작함 나. 금속 3DP 기술및재료 1) 3DP 기술 7가지중에서 4가지가금속 3DP기술에해당됨 2) 금속 3DP 시장의 70% 이상을차지하는 PBF(Powder Bed Fusion) 기술의대부분이독일회사임 3) 또한, DED 기술은레이저클래딩기술을기반으로반복적층하여 (layer by layer) 3차원형상을만드는것으로, 미국에서개발된시스템으로, 사출시간을단축해야하는과제를안고있음

14 4) 금속재료는단가가비싸므로주로항공우주분야에사용되고, 덴탈, 주얼리 ( 전라북도지역특화사업으로, 현재의기술수준은디자인본을뜨는정도임 ) 등에사용됨 5) Ceramics, Paper, Bio-Materials 등을사용함 6) 페이퍼의경우, 시트라미네이팅 (sheet laminating) 방식으로, 복사용지를기기에채워넣은후, 기기가종이를한장씩가져와서칼로자르고풀로붙이고를반복함또한, 색감이떨어지기는하나종이에잉크젯프린터로컬러인쇄를하여원하는색상을구현함

15 5. 3DP 산업의미래예측 가. Modular화 1) 모듈러제조는자동차, 가전, 주택등다양한산업에서시도하고있고, 특히제품교체주기가빠른산업에서점차제조표준으로자리매김하고있음 2) 하드웨어설계도, 인터페이스및소프트웨어를모두공개하고자유롭게수정하여다양한기기를손쉽고저렴하게개발할수있도록함 3) Supply chain이붕괴되고신개념마켓이등장함 나. Local화 1) 3D 프린터의보급은화석에너지에근간한대규모생산, 대규모물류의세계경제질서에서새로운로컬경제의신질서를만들것임 2) 3D 프린터의도움으로필요한것을적정한수준으로만들어서사용하는적정기술, 자급자족의시대가열릴것임 3) 산업문명의혜택을충분히누리지못하는후발국들의문명갈증을상당부분해소할것임 다. Digital화 1) 3D 프린터의헤드는단순한조형기능뿐아니라, 조리 ( 냉각 / 가열 ) 및식품의기능화역할까지하게될것임 2) 정량화가가능화여식품의양극화현상이나타날것임 3) 가전이일체화되는모듈러기반의 3DP 가전화가이루어질것임 라. 안드로이드화 1) 치아, 의족, 의수, 인공혈관, 두개골수준이아닌세포를이용한프린팅이가능할것임 2) 3D 프린터도움으로조직세포, 줄기세포, 인공장기기술이대중화될것임 3) 맞춤형 / 교체형의료산업의발달로 130년의평균수명시대가도래할것임 마. 재앙화 1) 총기, 대규모살상무기, 가미가제드론등경제적이고효율적인테러도구로사용될수있음 2) 생체인식 (WLALNS, 홍채, 얼굴등 ), ATM( 위폐 ) 등의위조및변조가가능함 3) 정부보다기업에서정보나소재를독점함

16 참고발표자료 1. 3D 프린팅기술과장비개발현황, 신진국 ( 전자부품연구원 ) 2. 산업현장의 3D 프린팅활용 ( 금속, 세라믹, 종이 3D Printing), 김대중 (( 주 ) 에이엠솔루션즈 ) 3. 3D 프린팅소재별특성과적용제품및향후신소재발전방향, 성유철 ( ( 주 ) 대림화학 ) 4. 3D 프린팅을이용한제품개발사례및유의사항, 박근 ( 서울과학기술대학교 ) 5. 생체의료분야 3D 프린팅소재활용기술동향, 박석희 ( 한국생산기술연구원 )

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(편집) KEIT PD(15-6)-2차.indd / KEIT PD / KEIT PD / SUMMARY 3D 3D 3D 3D 3D,,,,, / 3, 3D, 3D 3D KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT JUNE 2015 VOL 15-6 1. 3D 6 3D,,.,. ASTM 7, ISO 1 7. ASTM. 7 6. (ME, Material Extrusion) ( ) FDM(Fused