FDM vs. SLA vs. SLS: 3D 프린팅 기술 비교

최근 몇 년간 하드웨어와 소프트웨어, 소재를 아우르는 3D 프린팅 기술이 급격하게 발전해오면서 3D 프린터는 얼리 어답터들의 전유물에서 다양한 산업 분야에서 디자인, 엔지니어링, 제조 워크플로를 통합하는 구성 요소로 변모하게 되었습니다.

용융 적층 모델링 방식(FDM)과 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 방식(SLS), 이들은 시장에서 가장 인기 있는 세 가지 3D 프린터 방식입니다. 지난 십 년간 혁신을 줄곧 가속해 온 프린터 제조사의 노력 덕분에 이제 더 많은 기업이 이 세 가지 3D 프린팅 기술에 접근할 수 있게 되었지만, 다양하고 경쟁적인 3D 프린팅 솔루션 중 비즈니스에 적합한 것을 고르기란 쉽지 않을 수 있습니다.

이 종합 구매 가이드에서는 (필라멘트, 레진, 분말 3d 프린터로도 알려져 있는) FDM과 SLA, SLS 3D 프린터를 자세히 살펴보고 프린트 품질, 소재, 응용분야, 워크플로, 속도, 비용을 비롯한 다양한 측면에서 비교하여 개개의 비즈니스에 꼭 들어맞는 기술을 선택하실 수 있도록 도움을 드리고자 합니다.

용융 필라멘트 제조 방식(FFF)으로도 알려진 용융 적층 모델링 방식(FDM)은 소비자 계층에 가장 널리 알려진 3D 프린팅 방식이자, 파트를 빌드하는 데 '뜨거운 글루 건'을 사용하는 광의의 3D 프린팅 개념에 익숙한 비전문가들에게 인지도가 가장 높은 유형입니다.

3D 프린터 사용자 중에는 FDM 3D 프린터로 3D 프린팅에 입문하는 사람들이 많은데, 그 이유는 초중등 학교와 심지어 대학교의 메이커스페이스에서도 가장 흔하게 접해 볼 수 있는 프린터 유형이 FDM 방식이기 때문입니다. 디자인, 엔지니어링, 제조 기업에서는 주로 컨셉 증명 모델을 빠르게 제작하여 디자인 팀과 합의를 거친 후에 기능을 더 추가한 프로토타입을 제작할 목적으로 FDM 프린터를 사용합니다.

시중의 FDM 3D 프린터는 크기와 가격대 면에서 선택의 폭이 넓습니다. 기술과 워크플로가 단순하여 투자 비용을 아끼면서 3D 프린팅에 입문하려는 사용자들에게 매력적인 선택지가 될 수 있습니다. 그렇지만 FDM 프린터를 사용하면 그 단순성과 실용성을 제작하는 파트 품질, 그리고 성능과도 맞바꾸어야 할 때가 종종 있고, 기능적인 성능, 수밀성, 등방성, 매끄러운 표면이 필요한 사용자에게는 SLA와 SLS 3D 프린터가 훨씬 우수한 대안이 될 수 있습니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅은 1980년대에 세계 최초로 발명된 3D 프린팅 기술입니다. 그럼에도 불구하고 SLA 방식이 FDM 3D 프린팅만큼 널리 채택되고 인지도를 확보하기까지는 비교적 긴 시간이 필요했는데, 이는 대체적으로 가격대가 높고 프린팅 기술이 살짝 더 복잡하기 때문입니다.

광경화성 수지 조형 방식, 즉 레진 3D 프린팅이란 광원으로 액상 레진을 경화하여 한 층씩 딱딱하게 쌓아 올리는 공정을 의미합니다. 처음에는 광원으로 레이저를 사용했지만 최근에는 DLP 3D 프린터의 디지털 광 프로젝터나 MSLA나 LCD 3D 프린터의 발광 다이오드(LED)로 교체되는 추세입니다. 요약하면 광경화성 수지 조형 방식이라는 용어를 레이저로 레진을 경화하는 프린터와 연결하여 사용하기는 하지만 오늘날 각기 다른 광원을 사용하는 레진 3D 프린터도 모두 광경화성 수지 조형 방식 3D 프린터입니다.

SLA 3D 프린터로 생산한 파트는 다른 3D 프린팅 기술보다 비교적 표면 마감이 더 매끄럽고, 공차와 치수가 더 정확합니다. SLA 3D 프린터는 이렇게 우수한 표면 마감과 다양한 소재 물성 덕분에 (그리고 결과물이 사출 성형으로 제작된 파트와 외관과 성능이 흡사하므로) 기능성 프로토타입 제작에도, 최종 사용 제품과 공구 제작에도 사용하기에 안성맞춤입니다.

SLA용 소재는 FDM과 SLS 3D 프린팅에 사용되는 업계 표준 열가소성 플라스틱과는 정반대로 그 배합이 각각 고유합니다. 소재의 다양성은 SLA의 주요 장점에 속합니다. 광학, 기계, 열 관련 물성을 폭넓게 얻을 수 있는 혁신적인 SLA 포토폴리머 레진 배합이 탄생하여 표준, 엔지니어링, 산업용 열가소성 플라스틱의 물성과 일치하는 물성 뿐만 아니라 세분화된 응용 분야에서 요하는 난연성이나 정전기 방전성, 생체적합성과 같이 특수한 성능도 얻을 수 있게 되었습니다. 이렇게 무궁무진한 물성에 SLA 파트의 정확도와 표면 마감을 결합하면 항공우주, 자동차, 소비재 제조, 헬스케어, 치의료 외 다양한 산업 분야에서 응용 분야를 개척할 수 있습니다.

선택적 레이저 소결 방식(SLS)은 강력하고 기능적인 부품을 생산할 수 있어 다양한 산업 분야에서 신뢰하는 기술이자, 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 적층 제조 기술입니다.

SLS 3D 프린터는 고출력 레이저를 사용하여 입자가 미세한 폴리머 분말을 용융하여 융합합니다. 프린팅 과정 내내 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 이런 점 덕분에 SLS 3D 프린팅은 내부 피처, 언더컷, 박벽, 네거티브 피처 같은 복잡한 형상을 제작하는 것 뿐만 아니라 생산 물량이 큰 응용 분야도 무리 없이 처리하는 데 적합한 기술이 되었습니다. 즉, 프린트 베드에서 자체 서포트가 가능하므로 파트를 '네스팅(3차원 공간 상에서 파트 내부에 파트를 배치) '할 수 있고 결과적으로 빌드 챔버를 꽉 채워 배치할 수 있어 생산 물량에 도달하기 쉬우며 심지어 프린터가 단 한 대라도 이런 장점을 이용할 수 있습니다.

SLS 방식에서 가장 흔히 사용하는 재료는 나일론으로, 기계적 물성이 우수하여 인기 있는 엔지니어링 열가소성 플라스틱입니다. 나일론은 튼튼하면서도 가볍고 유연할 뿐만 아니라 충격, 화학물질, 열, 자외선, 물, 먼지의 영향에 안정적이기까지 합니다. 기타 인기 있는 SLS 3D 프린팅 소재에는나일론 복합재, 폴리프로필렌(PP), 플렉서블 TPU가 있습니다.

저렴한 파트당 비용과 우수한 생산성, 기존 재료를 사용할 수 있는 실용성을 모두 겸비한 SLS 방식은 기능성 프로토타입 제작용으로 엔지니어들에게 널리 사랑을 받고 있으며 단기 생산 실행 또는 브릿지 제조에서 사출성형을 대체할 수 있는 경제적인 대안이 되었습니다. 최근 몇 년간 SLS 방식의 워크플로와 진입 가격대에서 접근성이 점차 확대됨에 따라 SLS 역량을 인하우스로 도입하여 공급망 강화와 프로토타입에서 생산까지의 워크플로 가속의 효과를 도모하고자 하는 기업이 점점 늘고 있습니다.

3D 프린팅에 투자한 기업은 대부분 3D 기술을 두 가지 이상 사용합니다.각 기술에는 장단점이 있으며, 일반적으로는 각 기술을 다양한 상황에서 사용 가능한 도구로 취급해야 가장 완벽한 워크플로라 할 수 있습니다.

자사의 고유한 요구 사항에 맞는 한 가지 유형의 기술을 선택하려는 기업의 경우 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. FDM, SLA, SLS 3D 프린터를 선택할 때 고려해야 할 주요 요인을 요약하면 다음과 같습니다.

해상도는 쉽게 오해하는 사양이며 그 측정 방법이 제조 업체와 3D 프린팅 공정에 따라 달라지는 사례가 종종 있습니다. 일반적으로는 3D 프린터로 구현할 수 있는 가장 작은 피처나 가장 미세한 디테일, 표면 텍스처의 세밀함을 의미하며 최소 피처 크기 같은 지표로 측정할 수 있습니다. 세 가지 서로 다른 3D 프린팅 공정(용융 적층 모델링 방식(FDM), 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 방식(SLS))의 역학은 해당 방식으로 제작된 파트의 해상도에 지대한 영향을 끼칩니다.

FDM 3D 프린터는 용융된 플라스틱을 노즐로 압출하여 사전에 지정된 형태대로 레이어를 형성한 다음 그 위에 다음 레이어를 쌓아갑니다. FDM 방식으로 제작된 3D 프린팅 파트의 해상도는, 따라서 노즐의 크기, 용융된 소재의 물성, 레이어 사이에서 노즐을 XY 축과 Z 축으로 움직이는 데 사용되는 모터에 따라 달라집니다. FDM 3D 프린터로는 일반적으로 0.8 mm 두께의 벽을 만들 수 있고 양각과 음각 디테일은 폭이 약 0.6 mm, 높이(깊이)가 약 2 mm는 되어야 시각적으로 확인이 가능합니다.

SLA 3D 프린터는 광원(레이저, 디지털 광 프로젝터, LED)으로 액상 레진을 한 번에 한 층씩 경화하는 방법으로 파트를 만들어 냅니다. SLA 3D 프린터의 해상도는 다양한 인자에 따라 달라지며, 여기에는 사용하는 광원의 유형과 산란성, 블리딩(광원이 의도했던 것 보다 더 깊이 조사되어 레이어를 투과해버리는 현상), 그리고 레진의 광중합성이 포함되지만 일반적으로는 최소 Z축 레이어 높이를 고려하여 XY 평면 위에서 파트를 구체적으로 추적하는 성능으로 생각할 수 있습니다.

SLA 3D 프린터가 다양하고 사용되는 광원 유형이 다르더라도 SLA 방식의 해상도는 FDM이나 SLS 3D 방식과 견주어도 가장 우수합니다. 광원으로 레이저를 사용하거나 디지털 프로젝터, LCD 스크린을 마스킹해서 제어하는 LED를 사용하더라도 고도로 정밀한 빛을 액상 레진에 직접 조사할 수 있습니다. SLA 3D 프린팅으로 제작된 레진 파트에서는 미세한 피처, 정교한 표면 텍스처, 완벽한 매끄러움, 고도의 치수 정확도 등으로 이런 탁월한 해상도를 확인할 수 있습니다. Formlabs의 Form 4 같은 전문가용 SLA 3D 프린터를 이용하면 박벽은 0.2 m까지, 양각과 음각은 각각 0.1 mm와 0.15 mm까지 정교하게 표현할 수 있습니다.

^{_{설계 원칙은 프린터에 따라 달라질 수 있습니다. 나열된 값은 FDM 3D 프린터의 경우 Protolabs / Hubs에서, SLA 3D 프린터의 경우 Form 4 설계 원칙에서, SLS 3D 프린터의 경우 Fuse 시리즈 설계 원칙에서 추정한 값을 기반으로 합니다.}}

세 가지 3D 프린팅 기술 중 SLA 기술의 해상도가 가장 우수하며 SLS 방식이 차상위로 그 뒤를 바짝 뒤쫓고 있습니다. 두 공정 모두 CAD 설계 원본의 미세한 디테일을 포착해 내는 데 반해 FDM 방식은 일반적으로 평평한 표면에서 텍스처를 정확하게 구별해 내거나 작은 특징을 명확하게 정의하기에는 어려움이 있습니다.

3D 파일에서 의도한 형상과 재현된 파트의 단면의 흡사한 정도를 의미하는 정확도와 파트 전체에서 해당 정확도를 반복할 가능성인 정밀도는 3D 프린팅 기술의 유형에 따라서도, 또 프린터의 제조사에 따라서도 달라집니다.

FDM 3D 프린터라면 압출 공정의 균일성과 반복 가능성, 그리고 용융 및 압출되는 필라멘트의 물성이 정확도에 영향을 미칩니다. 레이어 내부와 레이어 사이의 일관성이 떨어지게 되는 요인은 이런 압출 과정에 있습니다. 예를 들어 노즐이 부드럽게 움직이지 않거나 필라멘트의 직경이 균일하지 않을 때, 압출 온도에 편차가 생기거나, 소재가 레이어의 지점마다 동일한 속도와 양으로 증착되지 않을 때 일관성이 떨어집니다.

전체적인 정밀도를 살펴보면 반쯤 딱딱해진 레이어를 '압착'하는 과정에서도 일관성이 깨집니다. 어떤 제조 업체는 가열 베드와 폐쇄형 빌드 챔버를 사용해 온도를 일정하게 유지하는 방법으로 공정에서 변수가 생기지 않도록 제어하려고 하지만 압출 과정에 사용되는 열 때문에도 파트가 휘거나 변형될 수 있습니다.

등방성 vs. 비등방성은 3D 프린팅을 논할 때 자주 등장하는 개념입니다. 이는 3D 프린팅은 한 번에 한 층씩 적층하는 방법으로 파트를 제작하며 완성된 파트는 프린트 공정에 따라 지정된 파트 방향에 따라 강도에 편차가 발생하며 X축,Y축, Z축 방향으로 물성이 달라지기 때문입니다.

FDM 방식으로 3D 프린팅한 파트는 프린팅 공정에서 발생하는 레이어와 레이어 사이의 편차 때문에 등방성이 없는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 이방성(등방성이 아님) 때문에 FDM 방식은 특정 응용 분야에 사용할 수 없는 제한이 생기거나 사용하더라도 이런 점을 보완하려면 파트 형상을 더 조정해야 합니다.

제작하는 파트에서 등방성을 획득하려면 소재의 화학적 특성을 프린팅 프로세스와 함께 고려하고 다양한 요인을 엄격하게 제어해야 합니다. 프린팅 과정에서 레진 성분이 공유 결합을 형성하지만 파트의 레이어들 간에는 절반 반응이 일어난 '그린 상태(green state)'로 남아 있습니다.

그린 상태의 레진에는 레이어를 교차하여 결합할 수 있는 중합가능 기(polymerizable group)가 있으므로 최종 경화 과정에서는 중합반응이 일어나 파트에서 등방성과 수밀성을 획득할 수 있습니다. 분자 수준에서는 X, Y 또는 Z 평면 간 물성에 차이가 없습니다. 결과적으로 작업에서 제작하는 파트의 물성을 예측할 수 있게 되었으며, 이는 지그 및 고정구와 최종 사용 파트, 기능성 프로토타입과 같은 응용분야에 꼭 필요한 점입니다.

로드아일랜드 대학의 해저 로봇 공학 및 영상 연구실(URIL)에서 진행한 광범위한 연구에서 FDM 방식으로 제작된 3D 프린팅 로봇 인클로저는 수중에서 내부 기계 장치가 물에 닿지 않도록 유지하는 데 실패했으며, 심지어 몇 초 만에 물이 침투했습니다. SLA 3D 프린팅 파트는 아주 높은 압력에서도 수밀성이 유지되는 것으로 간주했지만 SLS 3D 프린팅 파트는 중간 수준의 압력까지만 내부의 전자 장치에 물이 닿지 않도록 유지할 수 있었습니다. 증기 스무딩을 거친 SLS 인클로저의 경우, 압력이 상승해도 수밀성을 유지할 수 있었습니다.

각각 FDM, SLA, SLS 방식으로 제작된 3D 프린팅 파트 사이의 차이 중 가장 잘 알려진 것은 표면 마감의 차이입니다. FDM은 레이어별 ‘뜨거운 글루건’ 방식을 사용하므로 면밀히 검사했을 때 레이어 선을 관찰할 수 있습니다. 이렇게 레이어 선이 보이면 후처리 공정을 엄청나게 거쳐야 해서 전체 파트 생산 시간에 가외의 작업 시간을 추가해야 합니다. 레이어 선은 반투명 또는 투명 소재로 속이 완전히 비쳐보이는 파트를 제작하는 데 걸림돌로 작용하기도 합니다. 파트에 있는 선이 아무리 미세해도 그 선 때문에 빛이 굴절되므로 완성된 파트는 투명하지 않고 흐리게 보입니다.

SLA 3D 프린터로 제작된 파트는 사출 성형으로 제작된 플라스틱과 거의 구별할 수 없을 만큼 흡사합니다. 이런 탁월한 표면 마감은 표면 마감 상태와 매끄러운 질감이 무엇보다 중요한 최종 디자인 검토용 프로토타입과 최종 사용 제품, 심지어 소비재 상품 카테고리에도 잘 어울리는 특성입니다. 나아가 SLA 방식으로 제작하는 파트에는 레이어 선이 없다는 점 덕분에 거의 완벽하게 투명한 파트도 제작할 수 있습니다. 내부가 투명하게 비쳐 보이는 파트는 주입 과정을 관찰할 수 있는 금형 장치, 즉 최종적으로 투명 플라스틱, 미세 유체공학, 의료 장치 등을 제작하는 데 도움이 됩니다. 치의료 분야 3D 프린팅 산업에서는 에나멜의 매끄러운 외관을 시뮬레이션하는 데 Premium Teeth Resin 같은 SLA 레진을 이용하면 실제 치아와 분간하기 어려운 의치를 제작할 수 있습니다.

SLS 방식으로 3D 프린팅한 파트는 표면 마감이 살짝 거칠거나 오톨도톨합니다. 그렇지만 SLS 파트를 프린팅할 때는 서포트 구조가 필요하지 않아 전체적으로 균일한 표면 마감을 얻기가 쉽습니다. 이와 비교해 보면, SLA와 FDM 방식으로 3D 프린팅한 파트는 서포트 구조 때문에 남겨진 사소한 흔적들을 제거하기 위해 후처리해야 하는 경우가 종종 있습니다. 또한, SLS 3D 프린팅 파트에 증기 스무딩이나 미디어 블라스팅을 거치면 SLA 파트와 흡사하게 광택이 흐르며 매끄러운 표면을 얻을 수 있습니다.

적절한 3D 프린팅 공정을 선택한다고 해서 모든 문제가 해결되는 것은 아닙니다. 궁극적으로 원하는 기계적 물성이나 기능적 특성, 외형을 갖춘 파트의 생산 가능 여부는 대부분 3D 프린팅 소재에 달려 있습니다.

FDM, SLA, SLS 파트의 성능은 직접적인 비교가 꽤나 어렵습니다. 이 세 가지 기술은 사용하는 소재가 다르고 파트 형성 과정이 서로 다르기 때문입니다. 그렇지만 세 가지 방식에 걸쳐 사용되는 유사 소재가 있으므로 기술을 변경하더라도 동일한(또는 흡사한) 소재 물성은 간단히 얻을 수 있습니다.

FDM 프린터용 소재로는 ABS와 PLA같이 흔히 찾아볼 수 있는 친숙한 열가소성 플라스틱으로 만든 필라멘트를 주로 사용합니다. 나일론, PETG, TPU, PEEK 등의 엔지니어링 소재나 탄소 섬유 복합재 같은 고성능 열가소성 플라스틱도 사용 가능하지만 선택한 FDM 프린터와 호환되는 소재일 때만 가능합니다.

FDM용 필라멘트는 사출 성형이나 열성형 같은 대량 생산용 공정에 사용되는 소재와 동일한 소재인 경우가 많습니다. 소재에서 동일한 명칭을 사용하므로 엔지니어들이 프로토타입 제작 옵션으로 FDM을 선택하기가 쉬운데, 이는 사용자가 소재에 확신이 있으면 디자인에서 제조 공정까지 모든 과정에 걸쳐 동일한 소재를 사용할 것이기 때문입니다. 그렇지만 FDM 3D 프린팅 공정에서는 파트에 레이어 선이 남는 데다 기능적으로 튼튼하지 않아서 작동해야 하는 응용 분야에는 이런 파트를 사용하기가 곤란합니다.

FDM 방식은 디자이너가 파트의 외관이 의도한 대로 제작되는지를 확인하거나 학생들에게 3D 프린팅 기술을 가르쳐야 하는 교육 기관에 적합합니다. 소비재용 프로토타입을 FDM 방식으로 제작하면 파트의 형태를 시각적으로 확인하고 손으로 쥐었을 때의 촉감을 경제적으로 확인할 수 있습니다.

SLA 3D 프린터에서는 맞춤형으로 배합한 소재를 사용할 수 있으며 이런 소재는 제조사별로 다양합니다. 맞춤형 소재의 장점은 제조사가 자사의 특정 레진 배합에 맞춰 자사의 장비를 광범위하게 보정할 수 있어 정확하고 반복 가능한 결과를 보장할 수 있다는 점입니다. 단점이라면 SLA 레진만큼 맞춤형 소재를 잘 알지 못 하는 고객사가 많아서 지식의 격차가 발생하고 채택하는 기업이 별로 없다는 점입니다. SLA 장비 제조사라면 맞춤 배합 레진을 장기 사용 장치에 사용되는 치의료용 레진이나 테크니컬 세라믹 등의 첨단 응용 분야에 사용할 수 있는 특수 소재로 공급할 수 있습니다.

일반적으로 SLA 3D 프린팅 파트는 디자인에서 제조 단계까지 각 과정마다 사용할 수 있습니다. 사용 소재에 등방성이 있고 표면 마감이 우수하여 기능성 프로토타입 제작, go/no-go 테스트, 최종 사용 파트 제작, 제조 보조 도구 제작에 걸맞습니다. 테크니컬 세라믹이나 왁스 복합재 같이 소성이 가능한 독보적인 신규 레진을 개발할 수 있으므로 SLA 기술은 다른 공정으로는 대응하기가 어려운 특정 산업과 응용 분야와 잘 어울립니다. 여러 산업에 걸쳐 사용되는 비교적 일반적인 응용 분야의 경우 SLA 레진은 내구성과 강도를 갖추고 있어 종단 팔 도구, 로봇 인클로저, 씰, 수술 가이드 등으로 사용할 수 있습니다. 레진 배합의 가능성이 무궁무진하다보니 레진 파트로 제작 가능한 분야는 거의 무한합니다.

Formlabs은 독창적으로 맞춤 배합된 SLA 3D 프린팅 레진을 40가지가 넘게 공급하고 있으며 이중에는 첨단 테크니컬 세라믹, 화염 및 연기 독성에서 바람직한 등급을 획득한 난연성 레진, 정전기 방전 소재와 심지어 의치나 영구 크라운 같은 최종 사용 의료 장치를 제작할 수 있는 소재도 포함되어 있습니다.

SLS 3D 프린팅 소재는 분말 제형의 나일론, TPU, 폴리프로필렌 같이 친숙한 열가소성 플라스틱입니다. 이런 분말은 성능이 우수하고 물질의 거동이 잘 알려져 있습니다. SLS 3D 프린터를 제조하는 기업들은 이런 분말을 독자적으로 배합하여 공급하거나 타사의 화이트 라벨 분말을 대량으로 유통합니다. SLS 3D 프린팅으로 이용 가능한 형상의 유연성과 생산 처리량, 강도를 이렇게 산업에서 익숙한 소재와 접목하면 프로토타입 제작에서 기능 테스트와 제조 보조 도구, 최종 사용 생산까지 응용 분야마다 꼭 맞는 소재를 프린팅할 수 있습니다.

FDM, SLA, SLS 기술의 빌드 볼륨은 편차가 큰 편입니다. 각 기술마다 대형 빌드 볼륨을 사용할 수는 있어도 가장 흔한 FDM 3D 프린터와 SLA 프린터는 사무용 책상이나 작업대에 올려 놓을 수 있는 정도의 크기이고 가장 흔한 SLS 3D 프린터는 작업대에 올려둘 만한 크기이거나 더 큰 것도 있습니다.

시중의 FDM 3D 프린터는 크기와 가격대 면에서 선택의 폭이 넓습니다. FDM 기술은 크기에 제한이 있거나 영향을 받지도 않습니다. 정확도가 우수한 노즐을 사용하면 비교적 규모가 큰 파트를 만들 수 있지만 모터 시스템은 더 넓은 면적에서 작동해야 하므로 더 크고 느릴 뿐입니다. 시중에는 대형 FDM 3D 프린터도 있는데, 벤치톱이나 데스크톱 장비보다는 작은 방에 더 가까운 프린팅 인클로저가 있지만, 이런 프린터는 극히 좁은 틈새 시장용이고 흔하지 않습니다. 흔히 보이는 FDM 3D 프린터는 데스크톱이나 벤치톱 거치형이며 프로토타입을 빠르게 제작할 수 있는 솔루션이나 교실과 제조 연구소 내 교육용 도구로 사용됩니다. 일반적인 데스크톱용 FDM 3D 프린터의 빌드 볼륨은 200 x 200 x 200 mm 정도입니다.

SLA 3D 프린터도 데스크톱용 제품에서 대형 산업용 프린터까지, 크기가 다양합니다. 지금까지 ‘하향식’ 레이저 구동 SLA 3D 프린터는 거대한 단일형이었고 규모도 커서 수 미터에 달하는 설치 공간을 차지했고 보조 환기 시스템과 전용 회로가 필요했습니다. 산업 규모의 시스템은 수십 년 전, 하향식 광경화성 수지 조형 프린팅의 고가의 구매 비용과 유지 관리 뿐만 아니라 거대한 설치 공간과 인프라스트럭쳐 요구사항을 감당할 수 있었던 대기업에서나 일반적으로 사용되던 것입니다.

데스크톱 규모의 레진 3D 프린터는 상향식 SLA 3D 프린팅의 발명으로 탄생한 결실로, 제조 업체들 사이에서 상향식 SLA 3D 프린팅 기술의 저변이 확대됨에 따라 각 방향으로 길이가 10~20cm인 장방형 빌드 공간을 갖춘 비교적 규모가 더 작은 프린터가 보편화되었습니다. 예를 들어, Formlabs의 Form 3+는 빌드 볼륨이 14.5 × 14.5 × 19.3 cm이고, Form 4는 빌드 볼륨이 30% 더 확장되어 20.0 × 12.5 × 21.0 cm입니다.

이와 유사하게 벤치톱 레진 3D 프린팅 기술도 상향식 SLA 기술과 개선된 박리 테크닉의 조합으로 실현되었습니다. Form 3L 같은 벤치톱 3D 프린터는 빌드 볼륨이 33.5 x 20 x 32 cm이며 컴팩트하고 사용하기 쉬운 반면 폼 팩터는 기존 대형 산업용 시스템과 유사합니다. 이런 벤치톱 거치형 장치는 휴먼 스케일 소비재의 프로토타입 제작과 최종 사용 제품 제작에 사용되는 3D 프린팅 신속 툴링 부분에서 우수한 성능을 발휘하고 있습니다.

SLS 3D 프린터는 기존에는 대형 포맷으로만 출시되었으며, 일반적으로 데스크톱 FDM이나 SLA 프린터보다 규모가 큽니다. 하지만 최근에는 데스크톱 거치형 SLS 장비를 시장에 출시하려는 노력이 있었습니다. 그러나 SLS 3D 프린터는 대부분 벤치톱에 놓을 수 있는 크기이거나 그 이상이고 기존의 산업용 장비는 넓은 설치 공간이 필요합니다. 빌드 볼륨이 16.5 x 16.5 x 30cm인 Formlabs Fuse 시리즈는 비용과 크기 면에서 접근성이 우수한 SLS 기술을 탑재한 최초의 프린터였습니다. 공간이 제한된 소규모 기업은 Fuse 시리즈 덕분에 마침내 장비를 사내에 설치할 수 있게 되었습니다.

생산 뿐만 아니라 신속 반복 설계에도 3D 프린팅을 이용하는 기업이 늘어나면서, 기술을 선택할 때 3D 프린팅의 속도와 처리량을 중요한 요소로 고려하게 되었습니다. 어떤 기업이라도 사업에 적합한 3D 프린터란 고품질 파트를 빠르게 생산하면서도 정확도, 안정성, 소재 성능에는 저하가 생기지 않는 제품입니다.

FDM 3D 프린팅에서 속도는 압출 공정과 모터 전력에 따라 제한이 생깁니다. FDM 3D 프린터로 파트를 정확하게 제작하려면 프린터가 편차가 없는 일정한 속도로 필라멘트를 압출하고 XY 평면에서 노즐을 균일한 속도로 부드럽게 움직여야 합니다. 해당 과정을 빠르게 진행하면 필라멘트의 기계적 물성에 편차가 발생하고 결과가 부정확해집니다.

SLA 3D 프린팅 분야에서 일반적으로 프린팅 속도는 레진 3D 프린팅 공정의 유형에 따라 달라지며 속도가 가장 빠른 유형은 MSLA 기술입니다. Formlabs의 Form 4 같은 MSLA 3D 프린터의 최첨단 세대 장비는 강력한 프린트 엔진과 진보한 광학시스템을 결합하여 각 레이어를 생성과 거의 동시에 경화합니다.

Form 4와 Form 4L은 Fast Model Resin과 같이 특별히 설계된 소재로 시간당 최대 100mm의 속도로 파트를 제작할 목적으로 설계했습니다. Form 4 빌드는 대부분 어떤 재료를 사용하더라도 2시간 이내에 완료되므로 하루에 설계를 여러 번 반복할 수 있습니다. Form 4L의 경우 빌드 대부분을 6시간 미만으로 완료할 수 있습니다. 프린터 전체 높이에 해당하는 빌드나 전체 빌드 플랫폼을 덮는 여러 조각으로 이루어진 대량 생산 작업도 하루 안에 프린트할 수 있어 하루 안에 대형 파트를 반복 설계나 대량 생산할 수 있습니다.

지금까지 3D 프린팅 공정이 한결같이 모두 더 빨라졌지만 레진 프린팅의 발전을 따라잡을 만한 공정은 없습니다.이런 속도가 하루하루, 그리고 한 주 한 주 쌓이면 처리량은 놀랍도록 늘어납니다. 이제 Form 4와 Form 4L은 사출 성형 기술에 맞먹는 초대물량의 속도를 발휘하게 되는 것입니다. 완료하는 데 몇 시간이면 충분한 풀 빌드 챔버를 하루에 여러 번 프린팅하면 중간 물량의 사출 성형 기계에서 나오는 생산량과 유사한 결과를 낼 수 있으며, 고가의 초기 툴링 비용도 발생하지 않습니다.

FDM, SLA, SLS 3D 프린터의 비용은 얼마나 되며 각 기술 이용 시 ROI는 얼마나 빨리 실현할 수 있을까요? ROI를 계산하려면 장비 구매 가격, 장비의 수명 주기 동안 발생하는 소유 비용, 소재 비용, 인건비를 이해해야 합니다.

FDM 3D 프린터의 주요 셀링 포인트 중에는 저렴한 장비 가격이 있습니다. 보급형 FDM 프린터를 겨우 몇 백 달러에 구매할 수 있으니 취미용 사용자와 소규모 기업이라면 FDM 기술을 사용해보고 3D 프린팅을 공구 목록에 추가할 가치가 있는지 확인해볼 수 있습니다. 어디에서 시작해야 할지 확실하지 않은 사용자에게 보급형 FDM 프린터의 저렴한 가격은 구매를 정당화하기에 충분히 설득력 있습니다. 그러나 저가의 FDM 프린터는 신뢰하기 어렵고 장기간 전문가가 계속 작동해야 하는 일이 종종 발생합니다.

전문가용 데스크톱 FDM 프린터는 사용하기 쉽고 비즈니스에 더 적합하고 가격대가$2,000~$8,000인데 반해 산업용 시스템은 가격이 최하 $15,000에서 시작합니다. 일반적으로 더 신뢰할 수 있으며 프린트 품질이 훌륭하고 빌드 볼륨이 더 넓습니다. 이런 장비는 작동하는 파트를 생산하는 데 적합하지만 SLA 장비는 응용 분야가 더 광범위하고 프린트 품질이 월등하여 가격 경쟁이 치열합니다.

가장 저렴한 저가형 레진 3D프린터는 가격대가 $200~ $1000입니다. 이런 장비는 취미 사용자나 초보자에게 적합할 수 있으나 각 레진의 유형에 맞춰서 보정과 미세 조정을 해야 하며 일반적으로 안정성이나 내구성이 떨어지므로 유지 관리, 휴지기, 부품 고장 및 소재 낭비 측면에서 비용이 더 많이 발생하는 경우가 많습니다.

전문가용 SLA 3D 프린터는 가격이 일반적으로 $2000~$10,000 범위이며, 대형 포맷 레진 3D 프린터라면 일반적으로 $8,000~$25,000입니다.

SLS 기술에는 선택 가능한 제품 옵션이 거의 없습니다. 지난 몇 년간 접근성이 향상된 SLS 프린터가 보급되어 소기업들은 생산 제어력을 갖추게 되고 대기업들은 민첩한 생산 옵션을 이용할 수 있게 되었지만 일반적으로, SLS 3D 프린터는 FDM이나 SLA 프린터보다 가격대가 높습니다.

3D 프린팅이 등장한 이래로 SLS 프린터의 가격은 거의 배타적이었고 $200,000 이상을 투자해야 했습니다. Fuse 시리즈가 출시된 이후에는 최초로 SLS의 접근성을 확대할 수 있게 되었고 SLS 프린터를 $30,000(프린터와 분말 제거 키트) 미만에 구매할 수 있게 만든 아이디어는 정말 독보적인 것이었습니다. Formlabs은 Fuse 시리즈 세트로 접근성의 기준을 새롭게 제시했지만 동시에 파트의 산업 품질이나 성능에서는 일말의 타협도 없었습니다. 분말 재생용 Fuse Sift와 파트 표면의 잔여 분말 제거용 Fuse Blast가 포함된 전체 에코시스템을 $60,000이 안 되는 가격에 구매할 수 있게 만든 것은 소규모 기업, 개인, 교육 기관이 분말 베드형 3D 프린팅 역량을 인하우스에 도입할 수 있는 기회의 문을 최초로 개방한, 가히 혁명적인 사건이었습니다. 다음으로는 구매가가 수백에서 수천 달러이며 매년 $30,000의 서비스 플랜을 함께 이용하는 옵션이 있습니다. Formlabs은 이전 Fuse 시리즈(Fuse 1 프린터)를 반복 설계한 버전을 더 저렴한 가격에 출시하여 SLS 기술의 접근성을 더욱 개선했습니다. 생산 물량과 처리량이 최우선 고려 사항이 아닌 프로토타입 제작 전문 기관이라면 Fuse 1을 이용해도 품질이 우수한 SLS 파트를 일관성 있게 얻을 수 있습니다.

3D 프린터의 소유 비용을 고려할 때는 계산식에서 프린팅 소재와 소모품 비용이 중요한 부분을 차지합니다. FDM 필라멘트는 SLA 3D 프린팅 레진보다 비교적 비용이 저렴한데 이는 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 플라스틱이기 때문이기도 하고 제조 공정이 그다지 복잡하지 않기 때문이기도 합니다.

ABS, PLA와 이들을 다양하게 블렌딩한 것과 같이 흔한 FDM 소재의 가격은 일반적으로 $30/kg 내외에서 시작하고 엔지니어링 응용 분야에 특화된 FDM 필라멘트는 $100~150/kg에 이를 수 있습니다. 이중 압출 FDM 3D 프린터용 용해 가능 서포트 재료는 $100~200/kg에 구매할 수 있습니다. 이런 필라멘트는 다양한 제조 공정에서 널리 사용되는 탓에 쉽게 구할 수 있고, 제조사 사이에 경쟁도 있어서 가격이 더 저렴해졌습니다. 필라멘트는 안정적으로 보관할 수 있고 특별히 유통 기한도 없어서 공급 업체가 부족이나 수요 변화를 고려하지 않고도 가격을 매길 수 있습니다.

SLA 레진은 필라멘트보다는 배합과 제조, 보관 과정이 복잡하다보니 이 모든 요인이 가격 상승에 기여하게 됩니다. 시중에서 비교적 저렴한 레진을 구매할 수 있지만 이런 레진은 일반적으로 프린터 자체와 별도로, 기존 보유 장비의 제조사와는 다른 타사 제품이라서 프린터 설정값을 더 미세하게 조정해야 하며 지독한 냄새나 잠재적으로 유해한 화학 물질이 포함되었을 가능성이 있습니다.

Formlabs의 일반 용도 레진은 리터당 $99으로, 품질이 우수한 3D 프린팅 파트의 접근성이 확대되었고 다양한 산업과 응용 분야에서 더 폭 넓게 활용할 수 있습니다.

(개방형 플랫폼이나 간단히 화이트 라벨 레진을 유통하는 제조사도 있지만) 레진은 일반적으로 프린터 제조사가 배합하는 탓에 가격에 개발 과정에 든 연구비가 반영되어 가격 상승의 요인이 됩니다. .자체적으로 레진을 생산하는 제조사는 특정 프린터 시스템에서 사용할 수 있도록 설정값을 테스트하고 검증하는 데도 자본을 투자합니다. 연구 개발에 들인 투자 비용은 고객 가격에 영향을 미치지만 프린팅 작업의 안정성과 결과물의 품질은 더 우수해집니다. 제조사에서 자체적으로 개발하는 레진은 ABS나 PLA 같은 업계 표준 소재가 아니라 신소재일 때가 많고 이런 신소재 개발에는 자원을 광범위하게 투자해야 합니다.

SLS 제조사는 대부분 약 $100/kg인 업계 표준 가격에 분말을 공급하지만, Formlabs을 비롯한 일부 기업은 대량 구매 시 할인가를 제공합니다. kg당 가격이 저렴한 소재에서는 종종 단점을 감내해야 할 수 있습니다. 저렴한 분말을 사용하는 프린터는 열 축적 가능성을 줄이기 위해 파트 간의 간격을 넓게 유지해야 하기 때문입니다. 이런 대형 모놀리식 시스템은 권장 패킹 밀도가 대략 8~10%인데 이는 프린팅에 사용한 소재와 동량의 소재를 폐기해야 한다는 의미입니다. 이런 시스템에서는 재생이 불가능한 분말이 많이 생성되어 프린팅 비용 상승으로 이어진는 것으로 해석할 수 있습니다. Formlabs의 SLS 시스템에는 패킹 밀도에 제한이 없으며 밀도가 높을 수록 더욱 효율적으로 프린터를 운용할 수 있습니다.

인건비는 제일 마지막 부분을 차지하고 있어 계산식에서 종종 잊어버리게 되는 부분입니다. FDM 파트에서 매끄러운 표면 마감을 얻으려면 비교적 광범위하게 후처리해야 하는 사례가 종종 발생하며 특히 파트에 서포트를 사용했다면 후처리는 피할 수 없는 공정입니다. 어떤 전문가용 FDM 프린터에서는 용해되는 서포트 재료를 사용하여 서포트 구조를 용해시키는 용제에 담가 재빨리 후처리할 수 있습니다. 그렇지만 FDM 파트에서 서포트 구조를 용해시킬 수 있다 해도 수작업 샌딩을 더 해야만 SLA 파트와 동일한 품질과 표면 마감 상태를 얻을 수 있습니다. 심지어 그런 품질을 획득할 수 있을 때의 이야기입니다. 전문적인 사용자층에서는 이렇게 노동을 더해야 한다는 사실 자체가 필라멘트 3D 프린팅 파트의 파트당 비용을 상승시키는 주요인이 되는 사례가 자주 있습니다.

SLA 파트에는 세척과 소재에 따라 후경화도 필요하지만 이 두 과정 모두 거의 자동화된 액세서리(Formlabs Form Wash와 Form Cure, Form Wash L과 Form Cure L)를 이용해 작업 시간을 최대한 절약할 수 있습니다. 전문가용 SLA 시스템에는 소프트웨어, 펌웨어, 소재 엔지니어링이 포함되어 있어 접촉점이 좁은 서포트를 사용할 수 있고 후처리 과정도 비교적 편리하게 진행할 수 있습니다.

설계에 따라 다르지만, 어떤 SLA 파트는 서포트 없이도 프린트할 수 있고 서포트를 사용한 SLA 프린트물이라 할지라도 약간의 샌딩과 서포트 흔적 제거만으로 품질이 우수한 표면 마감을 얻을 수 있습니다.

SLS 3D 프린팅에서는 파트에서 (서포트가 필요하지 않으므로 서포트 제거는 아닌) 미소결 분말을 제거하고 미디어 블라스팅을 거쳐 표면을 매끄럽게 다듬는 후처리를 거쳐야 합니다. 이런 공정에는 Fuse Sift와 Fuse Blast같이 간단한 자동 후처리 솔루션을 사용해 작업 시간을 단축하고 일관성을 유지할 수 있습니다. 더욱이 이런 자동 작업은 일괄로 처리할 수 있어 생산 물량이 클 때 인건비 절감 효과도 거둘 수 있습니다.

일반적으로 FDM 3D 프린터는 비교적 간단한 프로토타입만 한정 수량으로 프린팅하는 경우 적은 비용으로 사용할 수 있습니다. SLA 레진 3D 프린터는 더 높은 해상도와 우수한 품질을 얻을 수 있고, 광범위한 3D 프린팅 재료를 사용할 수 있지만 비용을 살짝 더 지출해야 합니다. 하지만 번거로운 후가공 작업을 수월하게 진행할 수 있기 때문에 복잡한 설계나 규모가 비교적 큰 일괄 생산의 경우, 그 비용의 차이는 빠르게 줄어듭니다. SLS 3D 프린터는 다른 기술 방식과 비교했을 때 초기 비용이 가장 많이 들 수 있지만, 분말 비용은 경쟁력이 있고 인건비는 최소화할 수 있어, 처리량이 많은 응용 분야에서는 가장 비용 효율적인 방식입니다.

워크플로에서 정기적으로 3D 프린팅 작업을 진행하는 기업은 대다수가 한 가지 이상의 기술을 사용합니다. 엔지니어, 디자이너, 제조 인력 대부분이 3D 프린터를 CNC나 사출 성형 장비와 마찬가지로 공구 상자에 담긴 각기 다른 도구로 인식합니다. 즉, 파트 요구 사항과 공정 단계에 따라 각 작업에 가장 적합한 도구가 따로 있는 것입니다. FDM, SLA, SLS 3D 프린터는 각기 다른 영역에서 우수한 성능을 발휘하며 서로 상호 보완적인 도구로 사용할 때 최고의 성과를 얻을 수 있습니다.

다음은 몇 가지 실용적인 예입니다.

• Brose는 자동차 구성품의 초기 단계 프로토타입부터 250,000개가 넘는 시트 조립 부품의 생산 실행까지 각 단계에 필요한 것들을 생산하는 데 FDM, SLA, SLS 기술을 활용합니다.

• Labconco는 실험 장비용 컴포넌트, 공구, 지그, 고정구, 프로포타입을 제작하는 데 SLA, FDM, SLS 기술을 모두 활용합니다. 제품 엔지니어인 Brent Griffith 씨의 경우, 아이디어 단계에는 FDM 프린터를 사용하고 이후 장비나 연구실 내 최종 사용 용도로 파트를 제작할 때는 SLA나 SLS 프린터를 사용하여 프로토타입 비용을 절약합니다.

• Hyphen은 디자인 검토용으로 빠르게 프린팅할 때는 FDM 3D 프린터를 사용하지만 고도의 정확도와 마찰력 축소가 필요한 공구용 파트와 최종 사용 컴포넌트에는 Form 3+와 Form 3L SLA 프린터를 사용합니다 이들은 반복되는 응력과 하중를 견뎌야 하는 컴포넌트나 민감한 전자 기기 컴포넌트를 포장할 하우징을 제작하는 데 세 대의 Fuse 시리즈 SLS 프린터를 이용합니다. Hyphen사는 생산하는 장비에 들어가는 파트는 대부분 SLS 3D 프린팅으로 생산합니다. 

• Vital Auto 연구소의 Anthony Barnicott 책임 연구원은 맥라렌, 볼보, 닛산, 로터스 외 다양한 브랜드에서 의뢰해온 컨셉카의 기능성 프로토타입과 디자인 검토용 파트를 제작하는 데 대형 포맷 FDM 프린터를 14대, Form 시리즈 SLA 프린터를 세 대, Fuse 시리즈 SLS 프린터를 다섯 대를 운용합니다.

• Black Diamond는 와사치 산에서 실제로 기능을 테스트할 등반용 기어 컴포넌트를 Nylon 12 Powder를 Fuse 시리즈에서 SLS 방식으로 3D 프린팅하는 방법으로 제작하고 차후에야 사출 성형 장비에 투자합니다. Black Diamond의 담당자들은 반복 설계 속도를 향상하는 데는 Form 4를, 매끄럽고 최종 사용 제품과 동일한 표면 마감이 필요한 헬맷 같은 대형 파트의 디자인을 검토할 때는 Form 3L을 사용합니다.

• 호주의 하이드로 포일 장비 제조사인 Foil Drive는 최종 사용 전기 엔진용 인클로저를 Fuse 시리즈 SLS 프린터로 프린팅하고 그 수량은 100~2000개에 달합니다. Nylon 12 Powder는 수중 프로펠러 어셈블리에 폭넓게 사용되며 SLS 3D 프린팅은 이들이 바라는 중간 물량 생산에 적합합니다. Foil Drive는 탈착식 프로펠러와 임펠러 블레이드를 제작할 때 Tough 2000 Resin, Rigid 10K Resin을 Form 시리즈 SLA 3D프린터로 프린팅합니다. 작은 어셈블리가 매끄럽게 작동하려면 SLA 방식에서 얻을 수 있는 정확한 공차가 필요하기 때문입니다.

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