3D 프린팅으로도 알려진 적층제조(AM)는 제품 개발과 다양한 산업의 생산을 가속하는 강력하고 인기 있는 도구입니다. 파트 설계를 위해 설계된 모든 도구에는 신뢰성이 중요하며 3D 프린팅도 예외는 아닙니다. 3D 프린터는 지난 10년 동안 큰 도약을 이루었지만, 여전히 많은 프린터가 낮은 신뢰성으로 인해 발목을 잡고 있습니다. 3D 프린팅 업계에서 실시한 2024 설문조사에서 적층 제조 업계의 리더들은 3D 프린팅의 광범위한 채택을 가로막는 가장 큰 장벽으로 '기계 및 공정 신뢰성'을 꼽았습니다.
안타깝게도 지금까지는 고객이 구매 결정을 내리는 데 도움이 되는 신뢰할 수 있는 정량적 정보가 없었습니다. 이를 해결하기 위해 제품 테스트 분야의 독립적인 글로벌 리더를 통해 일련의 종합적인 성능 테스트를 실시했습니다. 이 테스트는 Form 4, Form 3+ 및 비교적 저렴한 레진 3D 프린터 2대를 포함한 일부 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터에서 수행되었습니다. 이 테스트는 각 프린터에서 프린팅된 파트의 프린팅 성공률과 반복성을 평가하기 위한 것이었습니다.
Formlabs Form 4의 프린팅 성공률은 98.7%로 측정된 반면, 테스트한 벤치마크 프린터의 실패율은 Form 4의 10배에서 20배에 달했습니다.
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프로토타입 신속 제작이나 최종 사용 파트 생산도 도와드릴 수 있습니다. Formlabs 영업팀은 고객과 회사의 요구 사항을 정확히 알고 있는 전담 전문가로 구성되어 있습니다.
테스트는 독립적인 제3의 연구소에서 진행되었지만, Formlabs은 모든 프린터에서 이 테스트를 표준화하기 위해 테스트에 사용된 테스트와 절차를 정의했습니다. 이 표준 운영 절차(SOP)는 크게 표준 설정에서 모델을 프린팅하고 동등한 프로세스를 유지하는 것으로 구성되며, 프로세스의 각 단계에서 품질 검사를 통해 사용자 실수로 인해 결과가 변경될 위험을 제거합니다.
SOP에 따라 15개 모델을 각 제조업체의 서로 다른 5가지 공장 출고 상태 프린터로 각각 3회씩 프린팅하여 각 프린터 브랜드별로 225개의 프린트물을 프린팅하고 프린팅 성공 여부를 기록했습니다.
프린터 및 소재
Form Wash 및 Form Cure 포함 Form 4 에코시스템과 빌드 플레이트 및 자동 디스펜싱 레진 카트리지를 포함합니다. Form 4 테스트에는 Grey Resin V4가 사용되었습니다.
다양한 옵션을 완전히 이해하기 위해 이번 테스트에는 SLA 방식, 즉 레진 3D 프린터의 네 가지 유형이 선택되었으며, 모두 액조 광중합을 기반으로 작동합니다.
- Formlabs Form 4
- Formlabs Form 3+
- 벤치마크 A
- 벤치마크 B
각 프린터는 최신 하드웨어(레진 탱크 및 빌드 플랫폼 포함)만 사용했으며, 각 프린터에 선택된 레진은 각 브랜드에서 생산하고 해당 프린터에 광고하는 표준 그레이 레진으로 확인했습니다.
3D 모델 및 슬라이싱
엔지니어링 및 제조 분야, 생물의학 분야, 치과 분야 등 다양한 응용 분야, 크기, 폼 팩터에서 15가지 3D 모델이 선정되었습니다. 모델은 대부분 서포트 구조가 필요하고 빌드 플레이트에 직접 프린팅할 수 없습니다.
표준 설정의 PreForm(왼쪽) 및 Lychee(오른쪽) 자동 서포트 생성 도구.
프린팅 설정을 위해 다음을 수행했습니다:
- 모델 방향은 모든 프린터에 대해 PreForm의 자동 방향 지정 도구를 통해 지정되었습니다.
- 지원 생성 및 최종 슬라이싱은 Formlabs 프린터의 경우 PreForm에서, 두 벤치마크 프린터의 경우 Lychee Slicer에서 수행했습니다.
- 두 슬라이서 모두에서 자동 생성기 툴을 사용하여 서포트가 생성되었습니다.
- 각 소재에 제조업체 권장 설정을 사용했습니다.
- 100μm의 레이어 높이가 사용되었습니다.
각 프린터에 대한 전체 설정은 백서의 부록에서 확인할 수 있습니다.
표준 운영 절차
네 가지 프린터 모두에 대해 SOP를 따랐으며, 각 유형마다 약간의 수정만 필요했습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:
- 전용 프린터 빌드 플랫폼 및 레진 탱크의 주간 점검 .
- 자동 레진 디스펜싱 기능이 없는 프린터의 경우, 각 프린팅 전에 레진 탱크에 권장 최대 충전 높이 바로 아래까지 레진을 미리 채웠습니다.
- 대기열에서 프린트물을 선택하고 프린팅을 시작하기 전에 소모품과 액세서리를 확인했습니다.
- 그런 다음 오류가 생기지 않는 한 프린팅이 간섭 없이 실행되도록 허용되었습니다.
- 오류 코드를 기록한 다음 작업자는 화면의 지시에 따라 필요에 따라 프린팅을 재설정하고 다시 시작하거나 프린팅을 실패하고 프린팅을 중지했습니다.
- 프린팅에 실패하면 탱크에 이물질이 있는지 확인하고 필요한 경우 다음 프린팅 전에 청소했습니다.
Form 3+에 프린팅된 테스트 파트는 프린팅 직후 프린터에 남아 있습니다.
첫 번째 세척 후 Form 3+에 프린팅된 파트를 지지대를 그대로 둔 채로 테스트합니다.
Form 3+에서 프린팅하고 서포트 제거 및 경화를 거친 테스트 파트.
프린팅이 완료되면 다음과 같은 조치가 취해졌습니다:
- 모든 프린트물은 프린터에서 즉시 촬영되었습니다.
- 필요에 따라 스크레이퍼를 사용하여 빌드 플랫폼에서 프린트물을 제거했습니다.
- 파트를 이소프로필 알코올(IPA)로 가득 찬 Form Wash에서 5분간 세척했습니다*.
- 파트는 서포트가 부착된 상태로 촬영했습니다.
- 서포트가 제거되었습니다.
- 파트는 두 번째 IPA 세척액에 10분간 담급니다*.
- 제조업체의 지침에 따라 Form Cure에서 경화된 파트.
- 해당 파트의 최종 이미지 세트가 촬영되었습니다.
* 프린터 유형별로 두 번의 세척을 사용했으며, IPA가 수지로 포화되어 효능이 떨어지는 것을 방지하기 위해 100회 세척할 때마다 새로운 IPA로 세척 사이클을 반복했습니다.
각 프린팅 후 프린팅의 성공/실패가 결정되었으며, 프린팅에 심각한 문제가 있어 파트가 작동하지 않는 것이 분명한 경우 실패로 표시되었습니다. 실패의 예로는 빌드 플랫폼 미준수, 박리, 과도한 뒤틀림, 피처 미생성 등이 있습니다. 핀 스트라이프 또는 심한 지지대 잔여물과 같은 사소한 결함은 성공적인 프린팅로 간주됩니다.
뒤틀림으로 인한 프린팅 실패의 예입니다.
신뢰성 테스트 결과
프린팅 성공 및 실패
Formlabs의 Form 4와 Form 3+는 각각 1.3%의 실패율을 보였고, 벤치마크 A는 13.8%의 실패율을, 벤치마크 B는 25.3%의 실패율로 가장 저조한 성적을 기록했습니다. 이러한 실패율은 종종 파트 비용, 고장 모드 및 영향 분석(FMEA) 및 기타 여러 중요한 기준에 직접적으로 영향을 미칩니다. 장애에 대한 모델별 분석은 백서에서 확인할 수 있습니다.
프린트 실패율
Form 4의 프린팅 성공률은 98.7%로 측정되었으며, 이는 현장에서의 성능 향상을 위해 5년 동안 지속적으로 최적화되어 온 Form 3+ 프린터와 동일한 수준입니다. 벤치마크 프린터인 A와 B는 각각 86.2%와 74.7%의 프린팅 성공률, 즉 13.8%와 25.3%의 실패율을 기록했습니다(Form 4의 경우 1.3%에 비해). 이는 벤치마크 프린터의 실패율이 Form 4의 10배에서 20배에 달하며, 벤치마크 B는 4번의 프린팅 중 1번이 실패한다는 것을 보여줍니다.
이 결과는 모두 최적의 조건을 갖춘 실험실에서 테스트한 네 대의 프린터 모두에서 성공적으로 프린팅된 것으로 검증된 프린트물을 사용하여 얻은 것입니다. 사용자가 생성한 모델을 사용하는 실험실 외부의 조건은 일반적으로 전반적으로 더 낮다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 작성 당시 Form 4의 현장 프린팅 성공률(Formlabs에서 측정)은 94%였습니다.
이 결과에는 벤치마크 B의 프린터 두 대가 고장 나서 테스트를 시작하기 위해 교체해야 했다는 사실은 제외되었습니다. 비즈니스 환경에서는 문제 해결, 실패한 프린트물 청소, 프린팅 재시도를 위한 프린터 재설정으로 인해 며칠의 근무일과 몇 시간의 노동력을 낭비할 수 있습니다.
프린터의 안정성에 영향을 미치는 요소는 여러 가지가 있습니다. Formlabs에서는 다음과 같이 포함합니다:
- 하드웨어: 낮은 박리력, 일관된 환경, 온도, 자동화된 진단 및 모니터링을 위해 설계되었습니다.
- 재료: 고성능 재료, 검증된 프린팅 설정
- 소프트웨어: 자동 알림을 통한 최적화된 프린팅 설정
- 각각의 새로운 프린터 프로토타입에 대한 검증 및 테스트
| 프린터 | Form 4 | Form 3+ | 벤치마크 A | 벤치마크 B |
|---|---|---|---|---|
| 고장 상태로 도착 | 0 | 0 | 0 | 2 |
| 목표 프린트물 수 | 225 | 225 | 225 | 225 |
| 완료된 프린트물 | 225 | 225 | 225 | 216 |
| 실패한 프린트물 | 3 | 3 | 31 | 55 |
| 실패율 | 1.3 % | 1.3 % | 13.8% | 25.3% |
| 출시 연도 | 2024 | 2019 | 2023 | 2022 |
| 빌드 볼륨 | 7.9 x 4.9 x 8.3인치 | 5.7 x 5.7 x 7.6인치 | 7.8 x 4.7 x 8.6 in | 8.6 x 4.8 x 9.3 in |
| 테스트 시 비용 | $4,500 | $2,500 | $450 | $650 |
| 기술 방식 | MSLA | 레이저 광경화성 수지 조형 방식 | MSLA | MSLA |
| 장애 모드 | 조각 누락(x2) 프린팅이 중지됨(x1) | 조각 누락(x2) 뒤틀림 (x1) | 미부착(x13) 박리(x7) 조각 누락(x6) 균열(x5) | 미부착(31건) 균열(10건) 조각 누락(6건) 박리(5건) LCD 고장(3건) |
| 비프린트 문제 | 오래된 펌웨어(x1) | 해당 사항 없음 | 필수 필름 교체(x5) | 원점 복귀 실패(x7) LED 모듈 오류(x1) LCD 오류(x2) |
| 장애로 인한 프린팅 시간 손실 | 9 | 17 | >100 | >250 |
Formlabs Form 4의 프린트 안정성
지난 10년 동안 3D 프린터는 많은 전문가들이 사용하는 도구가 되었으며, 이는 전문가들이 정보에 입각한 비즈니스 결정을 내리는 데 필요한 정보를 얻을 수 있도록 편견 없는 제3자의 성능 데이터와 함께 신뢰할 수 있는 프린터에 대한 필요성이 그 어느 때보다 높아졌다는 의미입니다.
취미용이나 까다롭지 않은 응용 분야의 경우 저가의 레진 3D 프린터가 비용 효율적인 선택이 될 수 있습니다. 그러나 파트를 안정적이고 정확하게, 수작업 없이 프린트해야 하는 전문가에게는 신뢰성이 중요한데, Form 4를 사용하면 레진 및 소모품, 시간, 노동력은 물론 골칫거리와 마감 기한을 놓치지 않고 절약할 수 있습니다.
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