작성일 2015년 03월 16일
3D Fit 안면조소술에 활용되는 3D프린팅의 기본 원리와 모델링·출력·후처리 과정을 설명하고, FDM·PolyJet·SLA·DLP·SLS·PBP·LOM·DMT 방식의 특징을 비교한 기술 칼럼입니다.
RP와 3D프린팅은 어떻게 다른가
2013년 무렵 3D프린팅은 ‘제조업의 혁신’으로 크게 주목받았습니다. 그러나 RP(Rapid Prototyping, 쾌속조형)는 그 이전부터 사용된 개념이며, 3D프린팅은 기존 RP 기술이 대중적으로 다시 알려지는 과정에서 널리 쓰이게 된 표현입니다.
RP는 NC·CNC처럼 재료를 깎는 절삭 방식과 재료를 층층이 쌓는 적층 방식을 포괄합니다. 3D프린팅은 주로 적층제조를 가리키며, 절삭 방식으로 만들기 어려운 복잡한 내부 구조와 입체 형상을 제작할 수 있다는 장점이 있습니다.
3D프린팅의 세 단계: 모델링·출력·후처리
3D프린터는 플라스틱, 액체 수지, 분말과 금속 등 다양한 재료를 적층하거나 응고해 3차원 물체를 제작하는 장비를 통칭합니다. 제작 과정은 크게 다음 세 단계로 나눌 수 있습니다.
- 모델링(Modeling): 출력할 물체의 3D 설계 데이터를 만듭니다.
- 프린팅(Printing): 데이터를 여러 층으로 나누고 선택한 재료를 적층합니다.
- 후처리(Post-processing): 지지대 제거, 세척, 경화와 표면 정리 등을 시행합니다.
프린터는 사용하는 원료의 형태와 열·빛·레이저·접착제 등의 경화 방식에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 같은 원리도 제조사의 특허나 상품명에 따라 다른 용어로 표현될 수 있습니다.
FDM: 용융 재료 압출 방식
FDM(Fused Deposition Modeling)은 열로 녹인 필라멘트를 노즐에서 압출하고 X·Y·Z축으로 이동시키며 층을 쌓는 방식입니다. 구조가 비교적 단순하고 오픈소스 하드웨어와 함께 대중화됐습니다.
출력 중 흘러내릴 수 있는 부분에는 지지대가 필요하므로 형상에 따라 부재료 사용량과 후처리 작업이 늘어날 수 있습니다.
PolyJet: 재료 분사와 광경화를 결합한 방식
PolyJet(Photopolymer Jetting Technology)은 모델 재료와 지지 재료인 광경화성 수지를 잉크젯처럼 분사하면서 UV 광원으로 경화하는 방식입니다. 원문은 0.025~0.05mm 수준의 정밀도와 매끄러운 표면을 장점으로 소개했습니다.
SLA: 레이저 광경화 수지 조형 방식
SLA(Stereolithography Apparatus)는 액체 상태의 광경화성 수지에 레이저나 자외선을 조사해 원하는 단면을 굳히고, 조형판을 이동시키며 층을 반복해 만드는 방식입니다. 정밀도가 높고 표면이 매끄럽지만 원문 작성 당시에는 장비 가격이 높고 조형 속도가 상대적으로 느린 점을 단점으로 설명했습니다.
DLP: 면 단위 이미지를 투영하는 광경화 방식
DLP(Digital Light Processing)도 액체 광경화성 수지를 사용하지만, 레이저가 선을 그리는 대신 단면 이미지를 빛으로 한 번에 투영해 경화합니다. 표면조도가 우수하고 소음이 적으며, 면 단위로 경화하므로 같은 층의 형상에 따른 출력시간 변화가 상대적으로 적다는 특징이 있습니다.
SLS: 분말을 레이저로 소결하는 방식
SLS(Selective Laser Sintering)는 분말 재료에 레이저를 조사해 필요한 부분을 소결하고, 새 분말층을 도포한 뒤 같은 공정을 반복합니다. 굳지 않은 주변 분말이 지지대 역할을 하므로 별도의 지지 구조가 거의 필요하지 않으며, 나일론·유리섬유·금속 계열 등 다양한 분말 재료를 사용할 수 있습니다.
장비와 레이저 시스템이 고가이고 출력 후 분말 제거와 관리가 필요하다는 점도 함께 고려해야 합니다.
PBP: 분말에 바인더를 분사하는 방식
원문에서 PBP(Powder Bed & Inkjet Head 3D Printer)로 소개한 방식은 분말층 위에 액체 바인더를 잉크젯 헤드로 분사해 형태를 만듭니다. 컬러 잉크를 함께 사용해 색상을 표현할 수 있지만, 출력 후 남은 분말을 제거하고 표면을 처리해야 합니다.
LOM: 시트 재료를 절단하고 접합하는 방식
LOM(Laminated Object Manufacturing)은 종이, 플라스틱이나 금속 라미네이트 같은 시트 재료를 칼 또는 레이저로 절단하고 층층이 접합하는 방식입니다. 종이를 사용하면 내구성이 낮을 수 있지만 제작 비용이 비교적 저렴하고 실사 색상을 표현할 수 있다는 특징이 있습니다.
DMT: 금속 분말을 레이저로 용융하는 방식
원문에서 DMT(Direct Metal Tooling)로 소개한 방식은 작업 플랫폼에 금속 분말을 얇게 도포하고 레이저로 필요한 영역을 선택적으로 용융해 층을 만듭니다. 산화를 줄이기 위해 챔버에 아르곤 같은 불활성 가스를 공급하면서 공정을 반복해 금속 제품을 제작합니다.
3D Fit 의료 3D프린팅에서 방식 선택이 중요한 이유
3D프린팅 방식마다 사용할 수 있는 재료, 정밀도, 표면조도, 지지대와 후처리, 장비 비용이 다릅니다. 안면골 모델이나 환자 맞춤형 보형물을 제작할 때는 단순히 출력 가능 여부만 볼 것이 아니라 사용 목적과 요구 정밀도, 재료의 의료적 적합성, 멸균과 후처리까지 함께 검토해야 합니다.
자주 묻는 질문
3D프린팅은 모두 같은 적층 방식을 사용하나요?
아닙니다. 필라멘트 압출, 액체 수지 광경화, 분말 소결, 바인더 분사와 시트 접합 등 재료와 경화 원리에 따라 방식이 다릅니다.
3D프린팅의 기본 제작 과정은 무엇인가요?
3D 데이터를 만드는 모델링, 재료를 적층하는 프린팅, 지지대 제거와 표면 정리 등을 하는 후처리의 세 단계로 구분할 수 있습니다.
SLA와 DLP의 차이는 무엇인가요?
둘 다 액체 광경화성 수지를 사용하지만 SLA는 주로 레이저로 단면을 그리며 경화하고, DLP는 한 층의 이미지를 면 단위로 투영합니다.
의료용 3D프린팅에서 가장 중요한 선택 기준은 무엇인가요?
목적에 맞는 정밀도와 표면, 재료의 의료적 적합성, 후처리와 멸균 가능성을 종합적으로 검토해야 합니다.
작성 및 의학적 내용 감수: 백정환 원장 / 에이치성형외과
이 글은 2015년 3월 16일 작성된 기술 칼럼을 바탕으로 정리했습니다. 장비 성능, 용어와 특허·시장 상황은 당시 시점을 기준으로 하며 현재 제품별 사양과 다를 수 있습니다.
