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고속 조형

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선택적 레이저 소결 (SLS)을 이용한 고속 조형 기계
3D 모델 슬라이싱

고속 조형 또는 래피드 프로토타이핑(rapid prototyping)은 3차원 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 데이터를 사용하여 물리적 부품 또는 조립품의 축척 모형을 신속하게 제작하는 기술 그룹이다.[1][2] 부품 또는 조립품의 제작은 일반적으로 3차원 인쇄 기술을 사용하여 이루어진다.[3]

고속 조형의 첫 번째 방법은 1987년 중반에 등장했으며, 모형과 프로토타입 부품을 생산하는 데 사용되었다. 오늘날 이 기술은 광범위한 응용 분야에 사용되며, 일반적인 불리한 소량 생산 경제성 없이도 원하는 경우 비교적 적은 수의 생산 품질 부품을 제조하는 데 사용된다.[4] 이러한 경제성은 온라인 서비스 뷰로를 장려했다. RP 기술에 대한 역사적 조사[2]는 19세기 조각가들이 사용했던 시뮬라크르 생산 기술에 대한 논의로 시작한다. 일부 현대 조각가들은 그 후손 기술을 사용하여 전시회 및 다양한 물건을 제작한다.[5] 데이터셋에서 디자인을 재현하는 능력은 2D 이미지에서 체적 데이터를 보간할 수 있게 됨에 따라 권리 문제를 야기했다.

CNC 절삭 방식과 마찬가지로, 전통적인 고속 조형 과정의 컴퓨터 지원 설계 – 컴퓨터 지원 제조 CAD-CAM 워크플로우는 CAD 워크스테이션을 사용하여 3D 솔리드로, 또는 스캐닝 장치를 사용하여 2D 슬라이스로 기하학적 데이터를 생성하는 것으로 시작된다. 고속 조형의 경우 이 데이터는 유효한 기하학적 모델을 나타내야 한다. 즉, 경계면이 유한한 부피를 둘러싸고, 내부를 노출하는 구멍이 없으며, 자체적으로 접히지 않는 모델이어야 한다.[6] 다시 말해, 객체는 "내부"를 가져야 한다. 컴퓨터가 3D 공간의 각 지점에 대해 해당 지점이 모델 경계면의 내부에 있는지, 위에 있는지, 외부에 있는지를 고유하게 결정할 수 있다면 모델은 유효하다. CAD 후처리기는 응용 프로그램 공급업체의 내부 CAD 기하학적 형태(예: B-스플라인)를 단순화된 수학적 형태로 근사화하고, 이는 다시 특정 데이터 형식으로 표현되는데, 이는 적층 가공의 일반적인 특징인 STL 파일 형식으로, SFF 기계로 솔리드 기하학적 모델을 전송하는 사실상 표준이다.[7]

실제 SFF, 고속 조형, 3차원 인쇄 또는 적층 제조 메커니즘을 구동하는 데 필요한 모션 제어 궤적을 얻기 위해, 준비된 기하학적 모델은 일반적으로 레이어로 슬라이스되고, 슬라이스는 선으로 스캔되어 (CNC의 툴패스와 같이 궤적을 생성하는 데 사용되는 "2D 도면"을 생성), 레이어별 물리적 빌딩 프로세스를 역으로 모방한다.

응용 분야

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고속 조형은 소프트웨어 공학에서도 항공우주, 자동차, 금융 서비스, 제품 개발 및 의료와 같은 새로운 비즈니스 모델과 애플리케이션 아키텍처를 시도하기 위해 일반적으로 적용된다.[8] 항공우주 설계 및 산업 팀은 산업에서 새로운 AM 방법론을 만들기 위해 프로토타이핑에 의존한다. SLA를 사용하여 며칠 만에 프로젝트의 여러 버전을 빠르게 만들고 더 빠르게 테스트를 시작할 수 있다.[9] 고속 조형을 통해 디자이너/개발자는 너무 많은 시간과 돈을 프로토타입에 투자하기 전에 완성된 제품이 어떻게 나올지에 대한 정확한 아이디어를 제공할 수 있다. 고속 조형에 3차원 인쇄가 사용되면 산업용 3차원 인쇄가 가능해진다. 이를 통해 대규모 금형부터 예비 부품까지 짧은 시간 내에 빠르게 생산할 수 있다.[10]

종류

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  • 광조형 (SLA)[11] → 열가소성 광중합체와 같은 재료를 위한 레이저 경화 광중합체.
  • 선택적 레이저 소결 (SLS)[11] → 나일론 또는 TPU와 같은 재료를 위한 레이저 소결 분말.
  • 직접 금속 레이저 소결 (DMLS)[11] → 스테인리스강, 티타늄, 크롬, 알루미늄과 같은 재료를 위한 레이저 소결 금속 분말.
  • 용융 적층 모델링 (FDM)[11] → ABS, PC, PPCU와 같은 필라멘트의 용융 압출.
  • 멀티젯 퓨전 (MJF)[11] → 나일론 분말층에 걸쳐 잉크젯 배열 선택적 용융을 사용하여 검정색 나일론 12를 만든다.
  • 폴리젯 (PJET)[11] → UV 경화 분사 광중합체를 사용하여 아크릴 기반 및 탄성 중합체 광중합체와 함께 작동한다.
  • 컴퓨터 수치 제어 기계 (CNC)[11] → 엔지니어링 등급 열가소성 수지 및 금속을 조작하는 데 사용된다.
  • 사출 성형 (IM)[11] → 알루미늄 금형을 사용하여 사출하며 열가소성 수지, 금속 및 액상 실리콘 고무에 사용된다.
  • 진공 주형 → 고품질 프로토타입 및 소량의 부품을 만드는 데 사용되는 제조 공정.

역사

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1970년대에 조셉 헨리 콘돈과 벨 연구소의 다른 연구자들은 연구 개발 목적으로 도면을 회로 기판 제작으로 수동으로 변환하는 힘들고 오류가 많은 작업을 자동화하는 유닉스 회로 설계 시스템 (UCDS)을 개발했다.

1980년대까지 미국 정책 입안자들과 산업 관리자들은 미국이 공작 기계 제조 분야에서 우위를 잃어버린 '공작 기계 위기'에 주목할 수밖에 없었다. 수많은 프로젝트가 미국에서 시작된 전통적인 CNC CAM 분야의 이러한 추세에 대응하려고 했다. 나중에 고속 조형 시스템이 실험실에서 상업화될 때, 개발이 이미 국제적이었고 미국의 고속 조형 회사들은 주도권을 놓아줄 여유가 없을 것이라는 인식이 생겼다. 미국 국립과학재단은 미국 항공 우주국 (NASA), 미국 에너지부, 미국 상무부 NIST, 미국 국방부, 방위고등연구계획국 (DARPA), 그리고 해군연구청의 상위 기관으로, 전략 기획자들이 숙고하는 데 도움이 되는 연구들을 조정했다. 그러한 보고서 중 하나는 1997년 유럽 및 일본의 고속 조형 패널 보고서[2]였는데, 이 보고서에서 DTM Corporation의 설립자인 조셉 J. 비먼[12]은 다음과 같은 역사적 관점을 제시한다.

“ 고속 조형 기술의 뿌리는 지형학과 사진 조각의 관행에서 찾을 수 있다. 지형학 내에서 블란터(Blanther, 1892)는 융기된 구호지형도를 만들기 위한 금형을 만드는 계층화된 방법을 제안했다. 이 과정은 일련의 판에 등고선을 자른 다음 쌓는 것을 포함했다. 미쓰비시의 마츠바라(Matsubara, 1974)는 광경화성 광중합체 수지를 사용하여 얇은 층을 쌓아 주조 금형을 형성하는 지형학적 과정을 제안했다. 사진 조각(PHOTOSCULPTURE)은 19세기에 물체의 정확한 3차원 복제품을 만들기 위한 기술이었다. 가장 유명한 프랑수아 빌렘 (1860)은 원형 배열로 24개의 카메라를 배치하고 동시에 물체를 촬영했다. 각 사진의 실루엣은 복제품을 조각하는 데 사용되었다. 모리오카(Morioka, 1935, 1944)는 구조화된 빛을 사용하여 물체의 등고선을 사진으로 만드는 하이브리드 사진 조각 및 지형학적 과정을 개발했다. 이 선들은 시트로 개발되어 잘라 쌓거나, 조각을 위한 재료에 투영될 수 있었다. 문즈(Munz, 1956) 공정은 내려가는 피스톤에 사진 에멀젼을 층별로 선택적으로 노출시켜 물체의 3차원 이미지를 재현했다. 정착 후, 고체 투명 실린더는 물체의 이미지를 포함한다. ”
 
— 조셉 J. 비먼[13]

"고속 조형의 기원 – RP는 끊임없이 성장하는 CAD 산업, 특히 CAD의 솔리드 모델링 측면에서 비롯되었다. 1980년대 후반 솔리드 모델링이 도입되기 전에는 와이어프레임과 표면으로 3차원 모델을 만들었다. 그러나 진정한 솔리드 모델링이 개발되기 전까지는 RP와 같은 혁신적인 공정이 개발될 수 없었다. 1986년에 3D 시스템즈를 공동 설립한 찰스 헐은 최초의 RP 공정을 개발했다. 스테레오리소그래피라고 불리는 이 공정은 특정 자외선에 민감한 액체 수지를 저전력 레이저로 얇은 연속 층으로 경화시켜 물체를 제작한다. RP의 도입으로 CAD 솔리드 모델은 갑자기 생명을 얻을 수 있었다."[14]

솔리드 자유형 제작(Solid Freeform Fabrication)이라고 불리는 기술들은 오늘날 우리가 고속 조형, 3차원 인쇄 또는 적층 제조로 인식하는 것들이다. 스웨인슨(Swainson, 1977), 슈워젤(Schwerzel, 1984)은 두 개의 컴퓨터 제어 레이저 빔의 교차점에서 감광성 폴리머의 중합에 대해 연구했다. 시라우드(Ciraud, 1972)는 소결 표면 클래딩을 위해 전자 빔, 레이저 또는 플라스마를 이용한 정자기적 또는 정전기적 증착을 고려했다. 이 모든 것들이 제안되었지만 실제 작동하는 기계가 제작되었는지 여부는 알려져 있지 않다. 나고야 시립 산업 연구소의 고다마 히데오는 광중합체 고속 조형 시스템을 사용하여 제작된 솔리드 모델에 대한 설명을 처음으로 발표했다(1981).[2] FDM(Fused Deposition Modeling)에 의존하는 최초의 3D 고속 조형 시스템은 1992년 4월 스트라타시스(Stratasys)에 의해 만들어졌지만, 특허는 1992년 6월 9일까지 발행되지 않았다. 샌더스 프로토타입(Sanders Prototype, Inc)은 1992년 8월 4일 (헬린스키) 발명품을 사용하여 최초의 데스크톱 잉크젯 3D 프린터(3DP)인 Modelmaker 6Pro를 1993년 후반에, 그리고 더 큰 산업용 3D 프린터인 Modelmaker 2를 1997년에 출시했다.[15] MIT 3DP 분말 결합 방식을 사용하여 1993년에 발명된 Direct Shell Casting (DSP)을 이용하는 Z-Corp는 1995년에 시장에 출시되었다.[16] 심지어 그 초기에도 이 기술은 제조 관행에서 중요한 위치를 차지할 것으로 여겨졌다. 낮은 해상도, 낮은 강도의 결과물은 디자인 검증, 금형 제작, 생산 지그 및 기타 분야에서 가치가 있었다. 결과물은 점차적으로 더 높은 사양의 용도를 향해 발전했다.[17] 샌더스 프로토타입(Sanders Prototype, Inc. (Solidscape))은 CAD 모델의 희생적인 열가소성 패턴을 만드는 Modelmaker 6Pro와 함께 Drop-On-Demand (DOD) 잉크젯 단일 노즐 기술을 사용하는 고속 조형 3D 프린팅 제조업체로 시작했다.[16]

속도 향상 및 대량 생산 응용 프로그램에 대처하는 능력 향상을 위한 혁신이 끊임없이 추구되고 있다.[18] RP가 관련 CNC 분야와 공유하는 극적인 발전은 전체 CAD-CAM 툴체인을 구성하는 고수준 응용 프로그램의 프리웨어 오픈 소싱이다. 이는 저해상도 장치 제조업체 커뮤니티를 만들었다. 아마추어들도 더욱 까다로운 레이저 효과 장치 설계에 뛰어들었다.[19]

1993년에 출판된 RP 공정 또는 제작 기술의 초기 목록은 마샬 번즈(Marshall Burns)가 작성했으며, 각 공정을 매우 철저하게 설명한다. 이 목록에는 아래 목록의 이름들의 전신이 되는 일부 기술들도 언급되어 있다. 예를 들어, Visual Impact Corporation은 왁스 증착을 위한 프로토타입 프린터만 생산한 후 특허를 Sanders Prototype, Inc.에 라이선스했다. BPM은 동일한 잉크젯과 재료를 사용했다.[20]

장점

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저정확도 프로토타이핑과 고정확도 프로토타이핑 모두 가능하게 하여 어떤 제품이든 설계 과정을 가속화하며,[21] 최종 생산 라인 전에 필요한 조정을 예측할 수 있게 한다. 그 결과, 전체 제품 개발에 드는 생산 비용도 절감하며[21] 일반 비용의 일부만으로 기능성 테스트를 가능하게 한다. 설계팀의 부상 위험과 모델링 과정에서 프로토타입이 손상될 위험을 제거한다. 또한 초기 프로토타입부터 최종 모델까지 각 프로토타입과의 상호작용을 통해 사용자나 포커스 그룹이 설계 과정에 참여할 수 있게 한다. 예를 들어: CNC 가공 프로토타입 기반의 쾌속 금형 제작 제조 공정은 금형 제조 비용을 절감하고, 금형 제조 주기를 단축하며, 금형 제작 공정의 실현 적용을 더 쉽게 촉진하는 등의 장점이 있다.[22] 나아가, 제품이 사용자의 요구를 충족하고 독특한 사용 경험을 제공할 수 있도록 인체공학[23] 및 인체측정학 (인적 요인)을 테스트하는 데 이상적인 방법이다.

단점

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고속 조형에는 다양한 장점이 있지만, 부정적인 측면으로는 3D 모델의 치수 오차 범위로 인해 프로토타입의 품질이 높거나 다른 부품들이 잘 맞을 것이라고 보장할 수 없으므로 정확도가 부족할 수 있다.[23] 또한 이 생산 기술의 초기 비용은 기술 때문에 비쌀 수 있다.[23] 이는 제품을 만들 수 있는 재료의 범위를 제한할 수 있으며[23], 디자인이 수반하는 복잡성 수준에 따라 고숙련 노동을 필요로 할 수 있다.

같이 보기

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각주

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  1. ↑ “Rapid Prototyping: An Overview”. Efunda.com. 2013년 6월 14일에 확인함. 
  2. ↑ 가 나 다 라 “JTEC/WTEC Panel Report on Rapid Prototyping in Europe and Japan” (PDF). 2017년 8월 30일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2016년 12월 28일에 확인함. 
  3. ↑ "Interview with Dr Greg Gibbons, Additive Manufacturing, WMG, University of Warwick", Warwick University, KnowledgeCentre 보관됨 2013-10-22 - 웨이백 머신. Accessed 18 October 2013
  4. ↑ Liou, Frank W. (2007). 〈Rapid Prototyping Processes〉. 《Rapid Prototyping and Engineering Applications: A Toolbox for Prototype Development》. CRC Press. 215쪽. ISBN 978-1-4200-1410-5. 
  5. ↑ Unger, Miles (1999년 4월 25일). “ART/ARCHITECTURE; Taking Over the Joystick of Natural Selection”. 《뉴욕 타임스》. 2019년 12월 22일에 확인함. 
  6. ↑ Kocovic, Petar (2017). 《3D Printing and Its Impact on the Production of Fully Functional Components: Emerging Research and Opportunities: Emerging Research and Opportunities》. IGI Global. xxii쪽. ISBN 978-1-5225-2290-4. 
  7. ↑ Chang, Kuang-Hua (2013). 《Product Performance Evaluation using CAD/CAE: The Computer-Aided Engineering Design Series》. Academic Press. 22쪽. ISBN 978-0-12-398460-9. 
  8. ↑ Haberle, T. (201x). 《The Connected Car in the Cloud: A Platform for Prototyping Telematics Services》. 《IEEE Software》 32. 11–17쪽. doi:10.1109/MS.2015.137. S2CID 6722642. 
  9. ↑ The New Age of Rapid Prototyping. (n.d.). Retrieved February 24, 2021, from https://www.machinedesign.com/3d-printing-cad/article/21837908/the-new-age-of-rapid-prototyping
  10. ↑ 3D printers for industrial. (n.d.). Retrieved February 24, 2021, from https://www8.hp.com/us/en/printers/3d-printers/industries/industrial.html?jumpid=ps_4196a3d547
  11. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 “Selecting a Rapid Prototyping Process”. 《PROTOLABS》. Proto Labs. 2024년 2월 17일에 확인함. 
  12. ↑ history of laser Additive Manufacturing “The History of Laser Additive Manufacturing”. 2013년 2월 13일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 5월 15일에 확인함. 
  13. ↑ JTEC/WTEC Panel Report on Rapid Prototyping in Europe and Japan pg.24
  14. ↑ Cooper, Kenneth G. (2001). 《Rapid prototyping technology : selection and application》. New York: Marcel Dekker. 2–3, 9–10쪽. ISBN 0-8247-0261-1. OCLC 45873626. 
  15. ↑ Zalud, Todd (1967년 10월 9일). “Machine design - Don't print the drawing-print the part”. 《penton.com/md》. 
  16. ↑ 가 나 Barnatt, Christopher (2013). 《3D printing : the next industrial revolution》. ExplainingTheFuture.com. 38, 54–57, 75쪽. ISBN 978-1-4841-8176-8. OCLC 854672031. 
  17. ↑ Wohlers, Terry (April 2012). “Additive manufacturing advances” (PDF). 《Manufacturing Engineering Magazine》 (Society of Manufacturing Engineers). 55–63쪽. 2020년 3월 1일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2013년 5월 20일에 확인함. 
  18. ↑ Hayes, Jonathan (2002), "Concurrent printing and thermographing for rapid manufacturing: executive summary". EngD thesis, University of Warwick. Accessed 18 October 2013
  19. ↑ Wharton, Knowledge (2013년 9월 2일). “Will 3D Printing Push Past the Hobbyist Market?”. 《The Fiscal Times》. 2016년 11월 1일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 10월 18일에 확인함. 
  20. ↑ Burns, Marshall (1993). 《Automated fabrication : improving productivity in manufacturing》. Englewood Cliffs, N.J.: PTR Prentice Hall. ISBN 0-13-119462-3. OCLC 27810960. 
  21. ↑ 가 나 “Rapid prototyping”. 《Engineering Product Design》. 2024년 2월 17일에 확인함. 
  22. ↑ ZiYi Yang. “Rapid Tooling Based on CNC Machining Rapid Prototype”. 《RuiYi Model》. 
  23. ↑ 가 나 다 라 “Rapid Prototyping”. 《Engineering Product Design》. 2024년 2월 17일에 확인함. 

참고 문헌

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외부 링크

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