DLP® 3D 프린팅에 대해 알아야 할 모든 것

개요:
디지털 라이트 프로세싱(DLP) 3D 프린팅은 투사된 빛을 이용해 광경화성 수지를 경화시켜, 뛰어난 정밀도와 매끄러운 표면 마감, 우수한 기능성 소재 특성을 갖춘 부품을 생산합니다. 속도, 신뢰성, 폭넓은 소재 호환성을 겸비한 DLP는 시제품 제작과 양산 사이의 가교 역할을 하며, 자동차, 항공우주, 산업, 의료 및 소비자용 애플리케이션을 위한 등방성 고성능 부품을 제공합니다. Stratasys의 P3™ 프로그래머블 광중합 기술은 폐쇄 루프 공정 제어와 특허받은 공압 분리 시스템을 통해 DLP 기술을 한 단계 발전시켜 탁월한 정밀도, 재현성 및 표면 품질을 제공합니다.  

DLP 프린팅이란 무엇인가요?

DLP(Digital Light Processing) 프린팅은 디지털 프로젝터 스크린을 사용하여 액체 광경화성 수지를 경화시키는 수지 기반 3D 프린팅 기술입니다. 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 사용하여 전체 레이어 이미지를 동시에 비춤으로써, 점대점 레이저 시스템보다 훨씬 빠른 프린팅 속도와 높은 정밀도를 달성하므로 사출 성형의 실용적인 대안이 됩니다.

따라서 DLP는 소량 생산 부품에 매우 적합합니다.

각 레이어가 경화되면, 빌드 플랫폼이 상승하여 다음 단면을 위해 새로운 수지가 그 아래로 흘러들어가게 합니다. 전체 레이어 투사 방식 덕분에 DLP는 다른 수지 기술에 비해 속도 면에서 우위를 차지합니다.

1987년 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)가 개발한 DMD 자체에는 개별적으로 제어할 수 있는 수천 개의 미세한 미러가 포함되어 있습니다. 각 미러는 빛을 제작 영역 쪽으로 반사하거나 빔 덤프 쪽으로 반사하며, 이 두 위치 간의 빠른 전환을 통해 각 픽셀의 유효 밝기를 제어합니다. 디지털 프로젝션(Digital Projection)은 이 기술을 활용하여 10년 후 최초의 DLP 프로젝터를 제작했습니다.

3D 프린팅에 DLP 활용하기

DLP 프린터의 경우, 실제 DLP 프로젝터는 복잡한 3D 프린팅 기계의 구성 요소 중 하나일 뿐입니다(비록 매우 중요한 요소이긴 하지만). DLP 3D 프린터는 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다: 

• 레진 탱크 
• 빌드 플랫폼 
• DLP 광원 
• 멤브레인/분리 메커니즘 

이들 구성 요소가 서로 상호작용하여 3D 부품을 출력하는 과정은 다음과 같습니다:

1. 탱크에는 광중합 수지, 즉 빛에 노출되면 경화되는 플라스틱이 들어 있습니다.

2. 탱크 바닥(빌드 플랫폼 아래)에 있는 유연한 멤브레인이 아래쪽으로 확장되면, 얇은 층의 수지가 흘러 들어옵니다.

3. DLP 프로젝터는 3D 프린팅 부품의 한 단면 이미지를 탱크 내 수지 표면에 투사하여, 해당 단면 전체를 한 번에 경화시킵니다.

4. 멤브레인이 위쪽으로 수축하여 빌드 플랫폼과 연결되고, 멤브레인과 빌드 플랫폼 사이의 얇은 수지 층이 경화됩니다.

5. 빌드 플랫폼이 (아주 미세하게, 이것이 Z축 해상도입니다) 상승하여 더 많은 수지가 아래로 흘러들 수 있게 합니다. 

6. 부품이 완성될 때까지 각 단면마다 2~5단계를 반복합니다. 

DLP는 적층 제조 분야에서 어떤 위치를 차지할까요?

적층 제조(AM)는 여러 가지 방식으로 분류할 수 있지만, 아마도 가장 간단한 방법은 사용되는 소재부터 시작하는 것입니다. 매우 단순화하여 설명하자면, 소재 범주는 다음과 같습니다: 

• 금속 
• 플라스틱/폴리머 
• 열가소성 수지 
• 광중합체라고도 불리는 열경화성 수지 

모든 플라스틱 유형은 유동적이거나 성형 가능한 상태에서 "최종 결과" 상태로 변화를 겪습니다. 열가소성 수지와 열경화성 수지의 주된 차이점은 이러한 변화의 가역성에 있습니다. 열가소성 수지는 경화되거나 "영구적인" 상태로 굳어질 때 완전히 양방향적인 과정을 거칩니다.  

이 과정은 역전되어 원래의 원료 상태로 되돌릴 수 있습니다. 반면, 열경화성 수지는 이름에서 알 수 있듯이 한 번 굳으면 그 상태가 고정됩니다. 플라스틱이 경화되면 원래 상태로 되돌릴 수 없습니다. 

또 다른 관점에서 보면, 경화된 플라스틱에 열을 가했을 때 어떤 일이 일어나는지 살펴볼 수 있습니다: 

• 열가소성 수지는 녹으며(필요에 따라 다시 경화될 수 있음)
• 열경화성 수지는 타버리며(원래의 성형 가능한 상태로 되돌아가지 않음) 

특정 적층 제조 기술은 (일반적으로) 한 가지 유형의 재료 범주에서만 작동합니다. 

ISO는 7가지 주요 AM 기술 그룹을 인정하고 있습니다: 

이 개요를 통해 DLP가 다른 형태의 탱크
광중합 방식과 가장 밀접한 관련이 있음이 분명합니다. 그렇긴 하지만, DLP를 사용할 때가 언제인지, 그리고 다른 방법이 더 적합한 경우는 언제인지 파악하기 위해서는 모든 형태의 폴리머 3D 프린팅 방식을 비교해 보는 것이 유용합니다.

DLP 3D 프린팅에 사용되는 소재

DLP는 다양한 특성을 지닌 소재를 사용하여 3D 프린팅이 가능합니다. 385nm 자외선(UV) 광원은 광범위한 수지 소재를 경화시키는 데 매우 적합합니다. 호환 가능한 모든 소재의 공통점은 광중합체여야 한다는 것입니다. (DLP 프린팅의 전체 공정은 빛을 이용해 수지를 경화시키는 원리에 기반한다는 점을 기억하십시오.) 

DLP 광경화성 수지는 다음과 같은 기능별 범주로 분류할 수 있습니다: 

• 범용 
• 고강도 
• 탄성체 
• 내열성 
• 의료용 
• 기타/특수 용도 

고온 내성 소재는 더 취성이 강한 경향이 있는 반면, 탄성이 더 좋거나 인성이 강한 소재는 내열성이 낮은 경향이 있습니다. 용도에 가장 적합한 소재를 결정할 때 이 점을 염두에 두어야 합니다. 

범용 DLP 소재

이 소재들은 DLP 3D 프린팅 분야에서 만능 소재로 꼽힙니다. 다음과 같은 장점이 있습니다: 

• 전반적으로 우수한 특성 
• 인쇄 및 가공이 용이함 
• 다양한 용도에 적합 

고강도 DLP 소재

내구성이 뛰어난 소재는 충격이나 반복적인 움직임을 견딜 수 있습니다. 탄성도는 다양할 수 있지만, 일반적으로 높은 충격 강도를 공유합니다. 내구성이 뛰어난 DLP 소재는 모방하는 열가소성 수지의 유형에 따라 분류할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

• ABS 
• 충격 개질 폴리프로필렌 

DLP 3D 프린팅용 엘라스토머

이 소재들은 다양한 형태의 고무를 모방하며, 다음과 같은 용도로 사용됩니다: 

• 씰 및 개스킷 
• 진동 완충 
• “탄성 있는” 고무 

엘라스토머 광중합체는 다음 항목으로 측정됩니다: 

• 쇼어 경도(Shore hardness)로, 수치가 높을수록 더 단단한 소재를 나타냅니다 
• 인열 강도 
• 파단 신장률 

일반적으로 쇼어 경도가 낮은 소재일수록 더 많이 늘어나며(파단 신장률이 더 큽니다). 경도가 높은 엘라스토머는 형상, 적합성 및 기능성 시제품 제작에 사용될 수 있는 반면, 경도가 낮은 엘라스토머는 씰 및 개스킷에 더 일반적으로 사용됩니다. 

내열성 DLP 소재

이들은 지속적인 열 노출을 견딜 수 있는 DLP 소재로, 일반적으로 열변형온도(HDT) 측정값으로 정량화됩니다. 또한 화염, 연기 및 독성(FST)에 대한 인증을 받았을 수도 있습니다. 내열성 소재는 습기에도 잘 견디는 경향이 있어 장기적인 치수 안정성이 더 우수합니다. 고온용 소재는 일반적으로 다른 범주의 소재보다 취성이 높다는 점에 유의하십시오. 반복적인 변형, 충격 또는 낙하 위험이 있는 용도에서는 이러한 소재의 사용을 피해야 합니다. 

의료용 DLP 소재

높은 정밀도와 매끄러운 표면 마감 덕분에 DLP는 관련 규제 요건 및 표준에 따라 인증된 특수 의료용 소재를 사용하여 의료 기기를 프린팅하는 데 적합합니다. 

특수 목적 DLP 소재

위의 일반적인 범주는 다양한 용도에 사용할 수 있습니다. 특수한 특성(예: 정전기 방전(ESD) 보호, 난연성)이 필요한 사용 사례의 경우, 다른 특수 목적 소재를 사용할 수 있습니다. 이러한 3D 소재는 대체하는 기존의 열가소성 소재에 따라 구분할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다: 

• 나일론 6/12 
• PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트) 
• ESD 소재
• 알루미늄 실리케이트 
• ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌) 
• 폴리프로필렌 
• TPU (열가소성 폴리우레탄) 

DLP 3D 프린팅을 위한 설계

적층 제조를 위한 설계(DfAM)는 3D 프린팅이 단순히 프린터에서 시작되는 것이 아니라는 개념입니다. 이는 부품 설계 단계에서부터 시작됩니다. 현재의 설계는 기존 생산 방식의 한계를 고려하여 이루어집니다. 그러나 우리는 근본적으로 다른 생산 방식을 다루고 있으므로, 부품 설계는 관련 없는 제약에 얽매여서는 안 됩니다. DfAM을 통해 적층 제조의 잠재력을 최대한 활용할 수 있습니다. 

왜 적층 제조를 위한 설계를 해야 할까요?

생산용 부품을 위해 적층 제조를 사용할 때, AM의 진정한 이점을 활용하려면 해당 기술에 맞춘 설계가 필수적입니다. 훌륭한 DfAM은 품질, 기능성 및 처리량을 개선하여 전반적인 비용을 절감하고 적층 생산에 적용 가능한 분야를 확대하는 데 도움이 됩니다. 또한, 적층 제조를 고려한 설계를 통해 여러 부품을 하나의 통합된 부품으로 통합할 수 있어, 조립 노동력을 줄이고 정밀한 수동 조립 공정과 관련된 품질 문제를 완화할 수 있습니다.  

적층 제조를 위한 설계 방법

1단계 – 부품 및 적용 분야 고려: 

• 해당 용도에 적합한 AM 소재가 있습니까? 
• 부품이 프린터의 제작 공간(build volume) 내에 들어갈 수 있는가? 
• 200 μm(0.2 mm)보다 작은 특징이나 벽이 있는가? 
• 오버행이 있습니까? 
• 중요한 표면에 지지대가 필요한가요? 
• 수지가 빠져나올 수 없는 부분이 있습니까?  

2단계 – AM 소재 선택: 

• 경질 
• 내구성이 뛰어난 
• 고온 
• 엘라스토머 
• 특수 용도 
• 기타 

3단계 – 프린트 부품의 방향 고려: 

• 높이(Z축)는 프린팅 시간에 가장 큰 영향을 미치는 요소입니다. 가능하다면 부품의 높이가 최대한 짧아지도록 배치하십시오. 
• 지지대를 덜 필요로 하는 안정적인 출력을 위해, 디자인의 평평한 면을 빌드 헤드에 맞닿게 배치할 수 있습니까? 

부품의 방향은 표면 품질에도 영향을 미칠 수 있습니다: 

• 가장 우수한 표면 품질은 빌드 플랫폼과 정확히 평행하게 인쇄된 평평한 표면입니다. 물론, 이 경우 디자인의 자유도가 크게 제한됩니다.  
• 두 번째로 좋은 표면 품질은 빌드 헤드와 비스듬한 각도를 이루는 곡면이나 평면(수직 평면이 아닌)입니다. 대부분의 부품 표면은 이 범주에 속합니다.  
• 가장 까다로운 표면 방향은 빌드 플랫폼에 수직인 평면입니다. Z 방향으로 미세한 레이어 선이 눈에 띄기 때문입니다. 이는 견고한 빌드 플랫폼 구조를 갖춘 프린터(예: Origin® Two)를 사용하여 안정적이고 균일한 Z축을 구현함으로써 어느 정도 완화할 수 있습니다. 

4단계 – 지지대 필요 여부 고려: 

• 부품에 서포트가 필요할까요? 
• 지지 전략은 무엇인가요?
•  중요한 표면에 서포트가 필요할까요? 
• 지지대의 높이는 어느 정도일까요? 지지대가 높을수록 두께가 더 두꺼워야 합니다. 
• 초기 강도(경화 전 강도)가 낮은 소재로 인쇄할 경우 더 많은 지지대가 필요합니다. 

5단계 - 세척 및 후경화: 

• 
  부품을 설계할 때 세척 공정을 고려하는 것이 중요합니다. 엘라스토머와 같은 점도가 높은 수지는 경질 소재와 같이 점도가 낮은 수지보다 세척하기가 더 어렵습니다. 
• 
  밀도가 매우 높은 격자 구조도 세척이 까다롭고 시간이 많이 소요될 수 있습니다. DfAM에서 성공의 핵심은 한 걸음 물러나 시스템 수준에서 부품을 재검토하고, 무게, 성능 및 처리량을 최적화하는 것입니다. 

DfAM 예시: 지지대 및 네스팅 고려 사항

예를 들어, 아래에 단면도로 표시된 벤츄리 밸브는 왼쪽에 표시된 방향(3개의 포트가 아래를 향하고 1개가 위를 향함)으로 인쇄되는 한 완전히 자체 지지됩니다. 만약 다른 방향으로 인쇄된다면, 중앙 내부 유체 배출구(빨간색으로 표시됨)에 지지대가 필요하게 됩니다. 

그러나 이 부품을 대량으로 인쇄하려면 네스팅 밀도가 중요한 역할을 합니다. 모든 부품의 방향이 같다면 단일 인쇄에 더 적은 수의 부품을 배치할 수 있어 처리량이 감소합니다. 따라서 두 방향을 모두 사용해야 했으며, 그중 하나에는 지지대가 필요했습니다. DLP에서 지지 재료를 사용하는 것 자체가 문제는 아니지만, 이 경우에는 어려움이 있었습니다. 지지대를 추가하는 논리적인 방법은 다음과 같을 것입니다(녹색 선): 

하지만 닫힌 관 내부에 지지 구조물을 배치하면 이를 깔끔하게 제거하는 것이 거의 불가능해집니다. 대신 설계를 약간 수정함으로써, 벤츄리 밸브는 두 방향 모두에서 완전히 자체 지지되도록 만들었습니다: 

이 솔루션은 측면 벽과 중앙 내부 유체 배출구를 연결하는 자체 지지형 버트레스(파란색으로 강조 표시)를 추가하여, 지지대가 없는 포트를 지지하면서도 공기 흐름이 방해받지 않도록 합니다. 

DLP 3D 프린팅 기술의 미래 동향 

DLP 3D 프린팅 기술은 이미 고품질의 재현성이 뛰어나고 완벽하게 기능하는 부품을 제작하는 데 사용되고 있습니다. 그리고 이 기술은 더욱 발전할 전망입니다: 

• 새로운 특성을 지닌 더 많은 소재, 더욱 향상된 성능, 더 광범위한 산업 표준 지원 
• 프린터 성능 향상, 프린터 제조의 규모의 경제, 그리고 단일 빌드 내에 더 많은 부품을 배치할 수 있게 해주는 소프트웨어 발전 덕분에 부품당 비용이 지속적으로 감소할 전망 
• 더 빠른 처리 속도 
• 식물성 또는 재생 가능한 원료로 만든 친환경 수지 
• 다중 소재 3D 프린팅 
• 반복성 향상, 오류 감소, 수작업 최소화 및 생산 확장을 위한 추가 자동화(예: 자동 보정) 

이 방법에는 다음과 같은 여러 장점이 있습니다: 

• 매우 높은 표면 마감 품질을 구현할 수 있습니다. 
• 분리 공정 중 파손 없이 섬세한 디테일을 출력할 수 있습니다.
•  큰 단면의 부품을 출력할 수 있습니다. 
• 지지재가 덜 필요하며(즉, 후처리가 덜 필요함), 
• 최대한의 형상 유연성을 확보할 수 있습니다.