[연재] 3D 프린터란? - 3D 프린터의 종류와 원리

 지난번 첫 연재에서 3D 프린터의 시작에 대해 좀 다루었습니다. 이번에는 일반적으로 가정용 데스크탑형 3D 프린터를 표방한 제품들을 대상으로 종류와 원리를 이야기할려고 합니다. 그래서 소개할 내용이 사출 방식인 FDM(혹은 FFF)과 SLA 타입을 이야기할 생각이구요. 또 형태별로 몇몇 기구형태를 이야기할 겁니다. 이런 종류에 대한 분류는 큰 의미는 없습니다만, 뭐 그래도 해놓으면 일목요연하게 장단점도 구분가고 뭐 정리도 되고 그러니까요^^. 아무튼 한가지 또 이야기하는 것은 이번 연재에서 주로 다루는 부분은 기업용이 아닌 일반용을 표방하고 있는 것들이 대상입니다.

3DP

1. 3D 프린터의 탄생

3DP

2. 3D 프린터의 종류와 원리

3DP

3. 오픈소스기반의 3D 프린터

3DP

4. 3D 프린터는 무엇인가?

FDM(혹은 FFF) 방식

FDM은 Fused Deposition Modeling의 약자입니다. 직역하면 녹여서 쌓는 방법이라는 뜻인데요. 연재 첫 회때 이야기했지만 특허권 입장에서 창시자는 Stratasys의 스콧 크룸입니다. 이 방식은 흔히 동일한 의미로 FFF 방식이라고도 표현되는데요. 스콧 크룸이 FDM이라는 단어에 상표권을 가지게 되면서 RepRap이 혹시 모를 분쟁에 대비해서 같은 의미의 다른 단어를 사용하게 되었다고 합니다. FFF는 Fused Filament Fabrication으로 역시 허접한 영어로 그냥 직역하면 녹인 필라멘트 제조법 정도 되겠습니다.ㅠㅠ.(제 인생의 발목은 영어입니다.ㅠㅠ) 이제 저도 FDM과 FFF의 혼용은 살짝 버리고, 그냥 FFF방식이라고 하겠습니다.

FDM방식의 개념도. 출처 : 위키백과 FDM 문서

 위키백과의 FDM 문서[바로가기]를 확인해보면, FFF방식은 위 그림으로 설명이 됩니다. (위키백과는 참 좋은 곳이에요^^. 언제가 삶이 여유로워지면 꼭 위키백과에 기부금을 내야겠다고 일단 지금은 다짐합니다.) 먼저 그림의 1번이 특수한 플라스틱(요즘은 플라스틱이 아닌 재료도 사용하고 있습니다.)를 가열되는 노즐을 통해 녹여서 일종의 젤 형태로 사출합니다. 그리고 노즐이 움직이든 혹은 밑에 베드가 움직이든 사출 압출 (3d printer님이 알려주셨습니다. 사출과 압출은 다르군요.ㅎㅎ 감사합니다. 이하도 동일하게 적용됩니다.^^)된 결과물 입장에서는 여하튼 X-Y-Z축으로 움직이면서 2번처럼 쌓아가는 겁니다. 가느다란 재료를 뜨거운 노즐을 통과시켜 녹이고 그걸 얇은 두께로 계속 쌓아서 일정한 형상을 만든다는게 FFF 방식의 기본 개념입니다.

 위 유투브 동영상은 FFF 방식의 3D 프린터의 원리를 잘 보여주는 겁니다. 아주 빨간부분이 노즐입니다. 그 위 그림에서 1번 빨간 부분이죠. 그리고 플라스틱 재질의 재료를 녹여서 사출합니다. 그리고 그걸 쌓아 가는 거죠. 그게 식으면서 노란색에서 녹색으로 바꿔지고 있습니다. 위 동영상으로 FFF 방식의 3D 프린터를 바로 확인할 수 있습니다.^^.

출처 : http://sd3dprinting.com/의 fff와 sla의 차이를 설명하는 문서

을 보면 쉽게 알 수 있습니다. 재료로 요즘 많이 쓰는 건 ABS나 PLA입니다만, 하여튼 그 재료를 Filament Spool에 감겨 있고, Extruder를 통해서 이 재료가 노즐(nozzle)로 들어갑니다. 이 노즐이 바로 200도 이상의 온도로 달궈진 Heater Block에 의해 역시 달궈지고, 결국 노즐로 들어간 재료가 노즐을 통과하면서 녹게 되는 거죠. 그게 쌓여서 제품이 되는 겁니다. 이제 FFF 방식으로 3D 프린팅을 할 때의 전체적인 부분에 대해 설명을 해야할 듯 합니다.

FFF 방식의 3D 프린트의 전체적인 구성

 사실 이 부분을 이야기한다는 것은 정말 어려운 이야기 입니다. 너무 경우의 수가 많고 너무 방대하거든요. 시간이 대략 2년 전만 되었더라도 쉽게 정리가 가능했는데 이제는 그렇지 못합니다. 더더구나 너무나 많은 종류가 있어서 딱 맞는 그림을 찾기도 어렵고 직접 그리자니 겨우 블로그활동 하나 하는데 그 많은걸 다 그릴 수도 없습니다.ㅠㅠ. 그래서 고민고민 하다가 이 부분에서 살짝 건드리고, 연재의 3회때 좀 더 보강을 해야겠다고 생각했습니다.

 먼저 위 그림 우측의 이쁜 그림은 당연히 따온 그림입니다. 출처는 밑에서 또 저 그림이 나올거니 그때 이야기 할께요. 일일이 출처를 밝히는 것도 어렵습니다.^^. 하도 자기들이 3D 프린터의 기술을 모조리 다 가지고 있다고 떠드는 사람들, 자기들이 최초 3D 프린터를 개발한 사람이라고 떠드는 사람들이 황당하리만큼 많아서 그런 사람들이 제가 블로그에 사용하는 그림마저 지들꺼라고 황당한 이야기를 할까봐 일일이 출처를 답니다. 뭐 당연히 달아야합니다만^^. 일단 사실 대부분의 3D 프린팅 방식이 다 위 방식을 따릅니다만, 여기서 언급하겠습니다. 제일 먼저 뭘? 프린터할 것인지 하는 3D 모델이 있어야 합니다. 3D 모델은 초창기에는 여러가지 형식이 사용되었는데요. 그게 조금씩 시간이 흐르면서 요즘은 거의 STL 화일로 표준처럼 굳어지는 듯 합니다. 아무튼 예를 들어서 바퀴를 하나 만들고 싶었다고 하면 바퀴모양을 의미하는 3D 모델은 있어야하는거죠. 여기서 그냥 3D 프린터가 뚝 하고 되면 참 좋겠습니다만, 현실은 아니죠.^^ 이제 다시 3D 프린팅을 연구했던 초창기 개발진들이 도입한 방법은 G-Code를 사용하는 것입니다. G-Code[바로가기]라는 것은 아주 예전인 1950년대 부터 사용되던 일종의 언어로, CNC 같은 수치 제어형 가공기에 입력되는 일종의 명령어(혹은 언어)입니다. 이 언어는 꽤 심플하게 구성되어 있은데요. Tool의 끝단에 대해 X-Y-Z축 방향으로 얼마만큼 이동해서, 툴을 동작시키고, 또 이동하고 동작하고 뭐 이런 느낌의 시퀸스를 다루고 있습니다.

위키백과에 소개된 G-Code의 예시

위 그림의 코드는 G-Code의 한 예시입니다. 몇몇 설정을 제외하면 그냥 움직이고, 뭔가 일을 하고, 또 움직이고의 반복입니다. 결국 3D 프린터에서 보면, 3D 모델에서 G-Code를 생성한다는 것은 3D 모델을 프린터하기 위해 X-Y-Z 축은 어떻게 움직이고, 또 재료를 녹여서 사출 시킬 extruder 모터는 얼마의 속도로 움직여 줘야하는지 등등을 가진 정보가 됩니다. 이 정보들로 인해 3D 프린팅이 되는거죠.

 이제 3D 프린터 자체에서 필요한 기능들을 이야기해 보겠습니다.

출처 : supermediastore.com Andrew Montiveo의 3D 프린터에 관련된 특별기사

 위 그림은 FFF방식의 3D 프린터의 전형적인 모습을 보여줍니다. 여기서 X-Y-Z축을 움직이는 것이 Bed냐 노즐(그림에서는 Hot End)냐의 차이가 조금씩 존재합니다. 그러나 요즘 나오는 상용 제품들은 대부분은 그림과는 조금 달리 베드는 Z축 방향의 움직임만 가지고, 나머지는 노즐부가 움직이는 형식으로 굳혀지고 있습니다. 아무튼 G-Code에 의해 생성된 XYZ축의 이송정보를 해석해서 각 모터에 실제 구동 지령을 내리는 역할이 프린터에 필요합니다. 물론 익스투르더 모터에 지령도 내려야 하구요. 또 재료에 따라 다르지만 대략 200도에서 240도 사이로 달궈져야하는 노즐 히터에 대한 온도 제어와 센싱이 필요하며, 역시 재료에 따라 다르지만, 대략 40도에서 100도 사이에서 달궈져야하는 프린트 베드의 온도 제어와 센싱도 필요합니다. 결국 전체적으로 FFF 방식의 3D 프린터에 요구되는 기능 - 결국 그걸 완수하면 3D 프린터가 만들어 지는 거니까 - 을 정리해 보겠습니다.

FFF 방식의 3D 프린터에 요구되는 기술 혹은 기능

1. 당연히 (모터의 구동부등의 회로부분을 포함한) 3D 프린터 기구부
2. 이미 확보 혹은 제작된 3D 모델링에서 G-Code를 생성하는 G-Code Generator
3. 생성된 G-Code를 읽어서 X-Y-Z을 담당하는 각 모터에게 적당한 지령을 내리는 해석기 -- 통상 이부분은 3D 프린터에 포함된 회로의 Firmware가 담당함.
4. (1번에 포함시켜 퉁칠 수 있지만 정말 중요하므로) 재료를 녹일 노즐부분 히터와 재료를 베드에 잘 안착시키기 위한 베드부분 히터, 그리고 온도센서
5. (3번에 포함시켜 퉁칠 수 있지만 역시 정말 중요하므로) 노즐부분 히터와 베드부분 히터에서 온도를 피드백 받아 해당 온도를 유지하는 제어기

 위에서 적은 기술 혹은 기능이 모두 충족되면 FFF 방식의 3D 프린트를 직접 제작할 수 있습니다. 물론 위에 기술된 하나하나는 모두 중요하면서 어려운 기술들로 그 분야에 대해 잘 모르는 사람이 접근한다면 꽤 어렵고 긴 기간을 제품 개발 기간으로 가질 수 밖에 없습니다. 그러나, 위의 모든 부분이 사소한 치수 하나하나 부터, 한 줄 한줄의 코드까지 모두 공개되어 있다면 어떨까요? 그건 다음 연재에서 다루죠^^. 아무튼 이렇게 해서 FFF 방식의 3D 프린터에 대해 그 원리와 방법에 대해 다루었습니다.

SLA 방식

 또 하나의 방식으로 SLA 방식이 있습니다. 이게 SLA라는게 좀 어려운 영어 단어 인데요. Stereolithography라는 뜻입니다. 흠..ㅠㅠ. 이게.. 그게... 음 각 종 사전에 그 뜻이 나타나지 않습니다.ㅠㅠ. 네이버 같은 곳에서도 웹수집 결과만 보여주지 단어로 등재되어 있는 것 같지는 않습니다. 단 위키백과 같은 곳에서는 그 뜻을 정의하고 있습니다. 그곳에서 직접 읽어보셔도 됩니다.[바로가기] 아무튼 Stereolithography 헉헉 발음도 어려우니 그냥 SLA라고 하죠. SLA는 3D 프린팅을 하는 한 방법이다라고 깔끔하게 정의되어 있습니다.^^. 그러나 조금 더 지저분하더라도 좀 더 자세한 설명이 필요하죠^^. 그래서 일반적으로 사용되는 정의는

Stereolithography (SL or SLA from Stereolithography Apparatus) is an additive manufacturing process using a vat of liquid UV-curable photopolymer "resin" and a UV laser to build parts one layer at a time. On each layer, the laser beam traces a cross-section pattern of the part onto the surface of the liquid resin. Exposure to the UV laser light cures, solidifies the pattern traced on the resin and adheres it to the layer below.

- 출처 : 위키백과 Stereolithography 문서

라고 합니다. SLA는 레진(resin)이라고 하는 UV(Ultra Violet, 즉 자외선) 경화성 포토폴리머에 UV 레이저를 쏴서 한번에 한 층(layer)씩 굳혀가는 적층형 제조 과정의 일종라고 한다고 하네요. 여기서 UV 포토폴리머라는 것은 UV영역(자외선)의 빛을 받으면 그 특성이 액체에서 고체로 굳어지는 특수한 플라스틱 계열의 용액을 이야기 합니다만.... 흠... 뭐 어려우니까 밑에 그림 보죠...^^ 아 그전에 위 문장에서 additive manufacturing이라는 단어에 대한 해석은 좀 어렵습니다. 왜냐면 이제 additive manufacturing을 하나의 분야로 봐야하기 때문이기도 하며 또 거의 요즘은 3D 프린터를 이용한 산업이라고 좁은 의미로 해석하는 것도 무방할 수도 있습니다. 그러나 누군가 저명한 학식을 가진 분이 멋지게 번역해줄 것을 기대합니다. 좀 더 자세한 내용은 [바로가기]에서 확인하실 수 있습니다.

출처 : 위키백과의 SLA 문서

 SLA 타입의 3D 프린팅 기술은 이전 연재에서도 이야기했지만 척 헐이라는 분이 특허를 최초 출원했었습니다. 아무튼, 액체형태의 레진(resin)이 있고, 거기에 레이져 빔을 쏘고, 그 액체가 레이저 빔을 받으면 굳어지는 것입니다. 그렇게 해서 3D 프린팅을 하는 것이죠. 결국 자외선 성분의 빛을 받으면 굳어지는 뭔가 특수한 액체 성분의 레진이 있다는 겁니다. 거기에 자외선을 겁나게 쏴 주겠다는거죠^^. 거기에 대한 간편한 동영상 하나 보시겠습니다.

 위 동영상에서 빛이 번쩍번쩍하는 것은 레진에다가 자외선을 쏘고 있는 겁니다. 그러면 그 빛을 받은 부분이 굳어지는 거죠. 그렇게 하면서 조금씩 굳어지는 부분을 쌓아가면서 3D의 물체를 만들어 가는 겁니다.^^. 이게 SLA 방식입니다. 조금더 자세한 설명을 위해 formlabs라는 회사[ 바로가기의 홈페이지에 있는 동영상 내용을 가지고 설명을 해볼까 합니다. 회사의 시작과 과정등은 살짝 인터넷으로 찾아보시면 되구요.

 동영상을 보면 SLA 타입의 3D 프린터의 완성된 모습을 보실 수 있을 겁니다. 물론 아직 FFF 타입의 3D 프린터들에 비해 아주아주 비싼 가격대를 형성하고 있습니다만, 앞으로 꽤 경쟁력있는 분야가 되지 않을까 생각됩니다.  Raveh Gonen이라는 분이 SLA방식에 대해 아주 적절한 그림과 알고리즘을 자신의 블로그에 공개하고 있더군요.[바로가기] 이분의 블로그에서 그림하나 가져와보면

출처 : Raveh Gonen의 블로그

딱 저 그림이 바로 SLA의 모든걸 다 말해준다고 해도 됩니다. 위의 3D 입체 모델을 Z축 방향으로 올리면서 한 층씩 잘라(slice) 놓은 그림이 아래에 있는 그림입니다. 이해되시죠. 그걸 자외선(혹은 레이져)으로 쏴주는 거죠. 그럼 굳어지는 거거든요^^. 이렇게 하면 SLA는 다 이해가 되실 겁니다. 여기까지 하고 하나의 동영상을 더 보면 확실히 SLA는 이런 방식이군~~ 하고 이해되실 듯 해요.

 동영상 중간에 보면 노트북에서 그림(동그란 원 두개)을 화면에 띄우는 장면이 나옵니다. 그걸 또 화면복제로 일종의 빔프로젝트에 쏘는데요. 이 빔프로젝트는 일반적인 아이가 아니라 DLP 빔 프로젝트 입니다. DLP 빔 프로젝트를 이용하면 레이저를 쏘는 부분을 쉽게 구현할 수 있거든요. 그래서 특별히 SLA 중에서도 DLP 프로젝트를 사용한 경우에 DLP 방식의 3D 프린터라고 말하는 경우도 있습니다. 아무튼 위 동영상은 전체적으로 SLA 타입의 3D 프린팅을 하는 과정을 (비록 손으로 하고 있지만) 보여주고 있습니다. 최종적으로 SLA 방식을 하기 위해서 필요한 부분을 정리해보겠습니다.

FSLA 방식의 3D 프린팅에 요구되는 기술 혹은 기능

1. 당역시나 당연한 이야기지만 3D 프린팅을 할 (빛을 쏘고 하는 부분과 모터 등의 회로부분을 포함한) 기구부
2. 이미 확보된 3D 모델을 각 층 별로 자르는 slicing 기술 혹은 알고리즘
3. 아주아주 당연한 이야기지만 UV를 받으면 굳어지는 액체로 된 레진(Resin)
4. 3D 모델에서 획득한 한 층별 사진(혹은 도면)을 얼마의 시간 동안 레진에 쏴야하는지에 대한 데이터
5. 그렇게 확보된 데이터에 의해 일정시간 빛을 쏘고 또 그다음 사물을 이송시키고 또 쏘고 할 수 있는 모터 등을 구동하는 firmware

 위에 적인 구술 혹은 기능들이 구현되면 SLA 타입의 3D 프린터를 하나 가질 수 있답니다.^^. 아무튼 위 부분도 참 아름답게 오픈소스진영이 공개하고 있습니다.

3D 프린터의 종류와 원리라는 주제의 글을 마치며

 참으로 해야할 이야기가 많고 또 지금 이 순간도 수시로 변화하고 있는 것이 3D 프린터의 세계이기 때문에 뭔가를 정리한다는 것은 웃긴 일일 수도 있습니다. 그러나 지난번 연재에서 그래도 탄생에 대한 이야기를 해야하지 않을까하고 끄적거렸다면, 이번 글은 현재 가장 많은 사람들이 만들어내고 있는 FFF방식의 프린터에 대해 먼저 이야기를 했습니다. 이 방식은 현재 조형 속도가 그나마 괜찮은 편입니다만, 흔히들 후가공이라고 하는 과정을 거쳐야 합니다. 그 이야기는 다음 연재에서 하겠지만 말이죠. 또 그 다음 아직 많은 제품이 나와 있지 않고 또 나온 제품들도 비싸긴 합니다만 SLA 타입도 이야기를 했습니다. 물론 더 많은 방식이 있습니다만, 이전에 이미 이야기했지만, 이미 활성화 되어 있고, 개인용 데스크탑 프린터라는 개념처럼 저렴한 형태와 더불어 현시점에서 지적재산권에 위배되지 않는 범위안에서 다루었기 때문입니다. 물론~ 제가 잘 아는 부분만 다룬건 기본으로 가져가야죠. 흠.... 모르는걸 끄적 거릴 순 없으니까요. 지금 아직 글 발행은 하지 않았는데 벌써 후회가 됩니다. 이게 뭔 사서 고생인가 싶어서 말이죠.ㅠㅠ. 뭐 그래도 시작한 일이니 끝은 맺어야죠. 다음 연재는 오픈소스 진영의 도움을 어떻게 받으면 뭘 받으면 얼마나 받으면 3D 프린터를 만들어 볼 수 있을지에 대해 이야기해 보겠습니다.