적층 가공(3D 프린팅) — 적층과 절삭·FDM·SLA·SLS | 기계공작법 11.3
기계공작법Chapter 11 기타 가공 › Section 03
11.3 적층 가공(3D 프린팅)
덜어 내지 않고 한 층씩 쌓아 올려 입체를 만드는 적층 가공. 재료를 더하는 원리에서 나오는 성질과 FDM·SLA·SLS 세 방식의 재료·경화 방식을 정리.
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01적층 가공의 원리교재 236p
- 앞 편의 분말 야금은 가루를 틀에 눌러 만듦 — 이 편은 틀 없이 한 층씩 쌓는 가공. 1.2 안전 수칙에서 3D 프린터로 한 번 나온 가공.
- 적층 가공(additive manufacturing)은 컴퓨터로 설계한 3차원 모델 데이터를 얇은 층으로 잘라 그 단면을 바닥부터 한 층씩 쌓아 올려 입체를 만드는 공법. 흔히 3D 프린팅이라 부름.
- 절삭 가공은 큰 소재에서 필요 없는 부분을 칩으로 떼어 내고, 적층 가공은 아무것도 없는 자리에 재료를 더해 형상을 만듦. 덜어 냄과 더함이라는 정반대의 차이.
02재료를 더하기에 생기는 성질교재 236p
1형상의 자유도
공구가 닿아야 깎을 수 있는 절삭 가공과 달리 내부에 빈 공간이 있거나 안쪽으로 파인 형상도 한 번에 제작.
2버리는 재료가 거의 없음
필요한 자리에만 재료를 놓고 금형이 필요 없어 설계 데이터만 바꾸면 곧바로 다른 형상. 시제품 제작과 다품종 소량 생산에 유리.
3층 자국과 방향별 강도
옆면에 계단 모양의 층 자국이 남아 표면 거칠기가 절삭 가공보다 나쁨. 대량 생산에는 성형 시간이 길어 불리하고, 층 사이 결합력이 약해 쌓은 방향에 따라 강도 차이.
- 플라스틱 수지를 쓰는 대표 세 방식은 FDM·SLA·SLS. 재료의 형태와 층을 굳히는 방법이 서로 다름.
03FDM — 용융 적층 모델링교재 237p
- FDM(fused deposition modeling)은 철사처럼 말린 필라멘트를 가열된 압출 헤드(노즐)로 녹여 분출하며 층층이 쌓는 공법. 헤드가 X·Y축으로 이동해 한 층의 단면을 그리면 받침대가 Z축으로 한 층만큼 이동.
- 주재료는 ABS·PLA 같은 열가소성 플라스틱 필라멘트. 식으면 원래의 강도·경도를 회복하는 가역적 특성이 녹여 짜내고 식혀 굳히는 방식에 적합.
- 관련 특허 만료로 개인용 데스크톱 3D 프린터에 가장 폭넓게 보급. 결과물의 강도·내열성이 좋은 대신 표면이 계단처럼 거침.
FDM에 열경화성 수지를 쓰지 않는 까닭
- 열경화성 수지는 한 번 굳으면 다시 열을 가해도 녹지 않고 타 버림. 녹여서 짜내는 FDM의 재료로는 사용 불가.
04FDM 필라멘트 재료교재 237p
- ABS는 충격에 강하고 강도·내열성이 뛰어나 실제 작동하는 기구 부품에 적합. 냉각 중 수축률이 커서 바닥이 들뜨거나 갈라지는 휨(warping)이 쉬워 히팅 베드가 필요하고, 냄새로 환기에 주의.
- PLA는 옥수수 전분·사탕수수에서 뽑은 친환경 수지. 냄새가 적고 수축률이 매우 낮아 가장 널리 쓰이나 60 ℃ 이상에서 변형될 수 있고 ABS보다 잘 부러짐.
- TPU는 고무처럼 탄성·유연성이 뛰어난 열가소성 폴리우레탄으로 스마트폰 케이스·신발 밑창에 사용. 재료가 물러 출력 속도를 느리게 설정.
- PETG는 페트병 소재(PET)에 글리콜을 첨가해 내구성을 높인 재료. PLA의 낮은 수축률과 ABS의 강도·내열성을 함께 지니며 내화학성으로 생활 용품·방수 용기에 사용.
05SLA — 광경화성 수지 조형교재 238p
- SLA(stereolithography apparatus)는 세계에서 가장 먼저 개발된 3D 프린팅 기술. 액상 광경화성 수지에 레이저를 주사해 빛을 받은 부분만 선택적으로 굳히며 적층.
- 지지대는 FDM처럼 굵게 뽑지 않고 가느다란 기둥으로 세웠다가 떼어 냄. 날카로운 모서리처럼 정밀하고 복잡한 형상 구현에 탁월하며, 주로 아크릴 계열 수지를 쓰나 광경화성 재료로 제한.
06SLS와 세 방식의 비교교재 238p
- SLS(selective laser sintering)는 나일론 같은 고분자 분말을 얇고 평평하게 도포하고 레이저를 선택적으로 조사해 소결·융착하며, 새 분말층을 도포해 같은 과정을 되풀이.
- 조사되지 않은 둘레의 분말이 지지대 역할을 하므로 별도 지지 구조 없이 복잡한 형상·내부 공간을 성형. 대표 재료는 폴리아미드(PA) 분말이며 예열·냉각과 후처리가 필요할 수 있음.
- 금속 분말을 레이저로 완전히 용융하는 방식은 SLS와 구분해 SLM 또는 금속 분말 베드 융합(metal PBF, 대표적으로 LPBF). 분말 야금이 금형으로 눌러 한꺼번에 소결한다면 SLS는 같은 소결을 층마다 레이저로 국부적으로 일으킴.
| 방식 | 재료의 형태 | 층을 굳히는 방법 |
|---|---|---|
| FDM | 고체 필라멘트 | 가열 노즐로 녹여 짜낸 뒤 식혀 굳힘 |
| SLA | 액상 광경화성 수지 | 레이저 빛을 쬐어 광경화 |
| SLS | 고분자 분말 | 레이저로 소결·융착 |
- 금형에서 굳히는 플라스틱 성형, 가루를 눌러 굽는 분말 야금, 틀 없이 쌓는 적층 가공으로 11장 기타 가공을 마무리 — 기계공작법 본문의 마지막 편.
이 절의 핵심 정리
- 적층 가공은 3차원 모델 데이터를 얇은 층으로 잘라 한 층씩 쌓는, 재료를 더하는 가공이다.
- 적층 가공은 형상의 자유도가 높고 금형이 필요 없지만 층 자국으로 표면이 거칠고 대량 생산에는 불리하다.
- FDM은 열가소성 필라멘트를 가열 노즐로 녹여 짜내며 표면이 계단처럼 거칠다.
- SLA는 액상 광경화성 수지를 레이저 빛으로 굳히며 정밀하고 복잡한 형상에 탁월하다.
- SLS는 고분자 분말을 레이저로 소결·융착시키며 둘레의 분말이 지지대 역할을 맡는다.
강의 자료11.3 적층 가공(3D 프린팅)
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1. 7.4-2 나사 가공용 공구와 보링 머신 (표지)
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