기출 3D 프린팅(Three-Dimensional Printing)

1. 3D 프린팅(Three-Dimensional Printing)의 작동 원리

3D 프린팅은 디지털 3D 모델을 기반으로 재료를 층(layer) 단위로 적층(additive)하여 실제 물체를 제작하는 기술입니다. 기존 절삭가공(subtractive manufacturing)과 달리 재료를 제거하는 것이 아니라, 필요한 위치에 재료를 층별로 축적합니다.

1.1 기본 작동 단계

1. 디지털 모델 준비(Digital Model Preparation)

   • CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어로 설계
   • STL(Stereolithography) 등 3D 모델 형식으로 변환

2. 슬라이싱(Slicing)

   • 3D 모델을 수평 단면(layer)으로 분할
   • 각 층의 경로(tool path), 재료 공급 속도, 온도 등을 계산

3. 프린팅(Printing)

   • 노즐, 레이저, 전자빔 등 재료를 선택적·층별로 적층

   • 주요 방식:

     • FDM(Fused Deposition Modeling, 용융 적층 모델링): 열가소성 수지를 가열·용융 후 노즐로 압출
     • SLA(Stereolithography, 광경화 수지 적층): UV 레이저로 수지 경화
     • SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결): 금속 또는 플라스틱 분말 레이저 소결
     • DED(Directed Energy Deposition, 지향성 에너지 적층): 금속 와이어 또는 분말을 고에너지로 용융

4. 후처리(Post-processing)

   • 서포트 제거, 표면 정리, 열처리, 도금 등

1.2 핵심 원리

• 적층 제조(Additive Manufacturing): 층 단위로 재료를 쌓음
• 정밀 제어(Precision Control): XYZ 좌표와 재료 공급 속도를 정밀하게 제어
• 재료 상태 전환(Material State Transformation): 고체/액체/분말 재료를 열, 광, 화학적 방식으로 고정

2. 3D 모델의 분할(Slicing)

3D 프린팅의 품질과 제작 가능성은 모델의 분할 전략에 크게 좌우됩니다.

2.1 슬라이싱 개념

• 3D 모델을 수평 단면(layer)으로 나누는 과정
• 각 층의 경로(path), 적층 순서(sequence), 속도(speed), 압출량(flow rate) 등을 산출
• 파일 형식: G-code (기계 제어 코드)

2.2 분할 고려 사항

1. 층 두께(Layer Thickness)

   • 두꺼우면 제작 속도 ↑, 정밀도 ↓
   • 얇으면 정밀도 ↑, 제작 시간 ↑

2. 적층 방향(Build Orientation)

   • 기계적 강도 및 표면 품질에 영향
   • 오버행(overhang) 최소화 → 서포트 필요성 결정

3. 서포트 구조(Support Structures)

   • 오버행이나 브리지 구조에서 필수
   • 제거 용이성, 재료 낭비 최소화 고려

4. 분할 전략(Part Segmentation)

   • 큰 부품 → 분할 후 제작 → 조립

   • 이유:

     • 프린터 빌드 볼륨 제한
     • 열 변형 최소화
     • 복잡 형상 제작 용이

3. 조립 관련 기술(Assembly Techniques)

3D 프린팅 후 대형 구조물, 복잡 형상, 다중 재료 구조는 조립 기술이 중요합니다.

3.1 조립 설계(Design for Assembly)

• 인터페이스 구조 설계: 핀-홀(Pin-Hole), 스냅핏(Snap-Fit), 볼트/너트 체결
• 공차(Tolerance) 고려: 재료 수축, 프린팅 오차 고려

3.2 조립 방식

1. 기계적 결합(Mechanical Joining)

   • 나사, 볼트, 클립, 스냅핏
   • 장점: 분해/교체 가능

2. 접착 결합(Adhesive Bonding)

   • 에폭시, UV 경화 접착제, 열융착 접착
   • 장점: 표면 평활성 우수

3. 융합 결합(Fusion or Welding)

   • 열 또는 레이저를 이용한 접합
   • 플라스틱 용융/금속 레이저 용접

3.3 고려 기술

• 정밀 위치 결정(Alignment)
• 조립 강도 및 내구성
• 열/화학적 후처리(Post-processing)과의 호환성
• 분해 가능성 및 유지보수성

4. 요약

핵심 포인트:
3D 프린팅은 단순한 출력이 아니라 재료 물성, 열/기계적 변형, 조립 및 후처리까지 고려한 통합 제작 기술입니다. 기술사 수준에서는 재료, 적층 전략, 조립 구조의 상호 관계를 이해하고 설계에 반영할 수 있어야 합니다.