실리콘을 3D 프린팅할 수 있을까요? 최고의 실리콘 3D 프린터와 그 대안

실리콘은 제조용 재료로 몇 가지 매력적인 특성이 두드러지는 합성 고무입니다. 화학 구조가 놀랍도록 다재다능하여 씰에서 조인트, 웨어러블, 의료 기기, 로봇 그리퍼, 조리기구, 열 및 전기 절연 등에 이르기까지 다양한 산업 응용 분야에 맞게 화학 공식을 조정할 수 있습니다.

오늘날 대부분의 실리콘 제품은 사출 성형, 압축 성형 또는 주조로 생산됩니다. 3D 프린팅의 발전으로 많은 사람들이 "실리콘 파트를 3D 프린팅할 수 있을까요?"라는 질문을 합니다. 대답은 예스(yes)!

실리콘은 점도가 매우 높아 정밀한 3D 프린팅이 어렵습니다. 실리콘은 광중합체 소재와 같이 가열 및 압출되거나 UV 광선으로 경화할 수 없습니다. 즉, 3D 프린팅 실리콘은 일반적으로 다른 재료만큼 널리 사용되지 않았지만, 마침내 오늘 접근 가능한 솔루션이 출시되었습니다.실리콘과 물성이 동일한 3D 프린팅 소재를 사용할 수 있는 3D 프린팅 프로세스가 많이 있으며, 3D 프린팅을 실리콘 파트 성형용 금형을 제작하는 데에도 사용할 수 있어 3D 프린팅의 많은 이점을 기존 실리콘 제조 방법에 적용할 수 있습니다.

이 포괄적인 가이드에서 실리콘 3D 프린팅의 다양한 옵션, 그 대안 및 적층 제조가 기존의 실리콘 제조 공정을 뒷받침하는 방법을 알아보세요.

실리콘 3D 프린터와 대안적 솔루션은 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

1. 직접 실리콘 3D 프린팅: 100% 순수 실리콘 소재로 프린팅할 수 있는 실리콘 3D 프린터.

2. 실리콘과 유사한 특성을 가진 재료를 사용한 3D 프린팅: 일반적으로 폴리머 3D 프린팅 프로세스를 사용하면 소재 특성이 특정 응용 분야의 대안으로 사용할 수 있는 실리콘과 유사한 소재를 사용할 수 있습니다. 

3. 3D 프린팅 금형을 사용한 실리콘 주조 또는 성형: 3D 프린팅을 통한 신속 툴링은 전통적인 제조 방법을 통한 실리콘 파트의 프로토타입 제작과 대량 생산 사이의 격차를 해소할 수 있습니다.

3D 프린팅 기술은 대부분 수년 또는 수십 년 동안 사용되어 왔지만 실리콘 3D 프린터는 실리콘 프린팅의 복잡성으로 인해 여전히 상대적으로 새롭고 실험적인 분야입니다. 지난 몇 년 동안 일부 기업이 실리콘 3D 프린터를 시장에 출시했지만 이러한 솔루션은 모두 지나치게 높은 비용($100,000 상회)과 함께 특정 제한 사항이 있어 비즈니스 및 응용 분야 대부분에 적합하지 않습니다. 

2023년 Formlabs은 최초로 실용성까지 갖춘 실리콘 3D 프린팅 소재인 Silicone 40A Resin을 출시하게 되어 무척이나 자랑스럽습니다. 해당 소재는 실리콘 주조에서 찾아볼 수 있는 뛰어난 소재 물성과 3D 프린팅의 장점을 접목하여 특허 출원 중인 Pure Silicone Technology™(순수 실리콘 기술)로 구현되었습니다.

솔루션은 접근성(시작 가격 $2499)과 다용성(45가지 추가 소재 사용 가능)이 뛰어난 Form 3+ 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 에코시스템을 채택하여 100% 실리콘 파트를 인하우스 방식으로 제작할 수 있고 작업 시간도 단 몇 시간에 불과합니다.

Silicone 40A Resin으로 제작된 파트는 쇼어 경도 40A , 파단신율 230%, 인열강도12 kN/m의 물성을 갖추고 있어 반복적인 연신, 굴곡, 압축에도 유연성과 내구성이 요구되는 응용 분야에 제격입니다. Silicone 40A Resin 파트의 반발 탄성은 34%이며 내화학성과 내열성(-25°C ~125°C)이 우수하고 기존 제조 공법을 사용했다면 구현할 수 없었을 최소 0.3 mm의 미세 피쳐와 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.

Silicone 40A Resin 파트는 다음 응용 분야에 적합합니다. 

• 커넥터, 그로밋, 액추에이터, 키패드, 시계 밴드와 같은 탄성 소비재, 자동차 부품 및 산업용 장비의 제품 개발 주기의 신속 프로토타입 제작, 베타 테스트 및 검증 단계.
• 씰 및 개스킷과 같은 실내 최종 사용 파트의 비용 효율적 소량 또는 맞춤형 제조.
• 유연한 주형, 지그, 고정구, 마스킹 도구 등 품질이 우수하고 오래 가는 제조 보조 도구와 공구.
• 의료 기기 구성품, 환자 맞춤형 보철물, 청각 기기
• 기존 방식으로는 제조하기 어려운 복잡한 형상의 파트.

FINIS, Inc.의 제품 개발팀은 단 8시간 만에 생산 품질과 유사한 수영 고글 개스킷을 3D 프린팅했습니다. 개당 제작 단가는 $10로 우레탄 주조를 아웃소싱했을 때의 $1,000과 3주의 작업 기간 보다 훨씬 저렴하고 짧은 기간에 파트를 손에 쥘 수 있었습니다. 3D 프린팅 실리콘 개스킷은 수영장 환경에서 엄격한 수밀성 평가를 거쳐 제품 개발 일정을 단축하는 데 도움이 되었습니다.

100년의 역사를 자랑하는 애프터마켓 자동차 부품 제작사인 Dorman Products는 신제품 압력 테스트에 사용할 맞춤형 개스킷의 제조 방법을 실리콘 3D 프린팅으로 전환했습니다. 이전에는 아버 프레스에서 금속 다이로 개스킷을 절삭 가공했지만, 3D 프린팅으로 전환한 후에는 수백 개의 새로운 파트를 테스트해야 한다는 점을 고려하면 리드 타임과 비용을 크게 줄일 수 있었습니다.

HGM Automotive Electronics는 변속기 컨트롤러 전문 제조업체이며 엄격한 화학적 테스트와 기계적 테스트를 통해 Silicone 40A Resin으로 프린팅한 파트가 기존에 사용하던 사출 성형 실리콘과 유사한 우수한 기계적 특성과 내화학성을 가지고 있음을 입증했습니다. 정상 작동 조건으로 엔진 베이에서 6주간의 열 순환과 추가적인 화학 유체 노출 테스트를 거쳐 최종 사용 자동차 부품용 3D 프린팅 Silicone 40A Resin 파트를 검증했습니다.

제조업체가 실리콘을 선택하는 주된 이유 중 일부는 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있는 해당 소재의 탄력성과 유연성입니다.

실리콘은 일반적으로 쇼어 경도계 경도가 10A에서 80A 사이입니다. 용융 적층 모델링 방식(FDM), 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 방식(SLS)과 같은 일반적인 폴리머 3D 프린팅 프로세스를 사용하면 경도 범위가 실리콘과 같고 내구성, 열 안정성, UV 저항성, 식품 안전, 생체 적합성 등 실리콘의 다른 물성과 다양하게 유사한 물성이 있고 색상 및 반투명도 옵션을 다양한 정도로 활용할 수 있는 소재를 사용할 수 있습니다.

FDM 3D 프린팅의 경우 열가소성 폴리우레탄(TPU) 및 열가소성 엘라스토머(TPE)와 같은 엘라스토머가 실리콘을 대체할 수 있는 가장 유연한 소재입니다. 이 재료는 쇼어 경도가 45A ~ 90A으로 상업적으로 이용 가능하며 가장 부드러운 재료를 제외하고 일부는 실리콘의 경도 범위와 같습니다.

이러한 대체 소재와 관련된 장점은 FDM 3D 프린터를 사용할 수 있는 점과 소재의 일반적인 경제성입니다. 반대로, 단점에는 낮은 정밀도와 치수 정확도, 낮은 해상도, 품질 및 파트 강도, 실제 사용성을 제한하는 설계 자유의 제한이 포함됩니다. 실리콘과 유사한 FDM 소재는 일반적으로 표준 실리콘보다 내구성이 떨어지고 식품에 안전하지 않으며 온도 저항이 낮고 색상이 제한적이며 실제 반투명 옵션이 없지만 생체적합성이 있고 피부에 안전할 수 있습니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅은 정밀도가 우수하고 재료 옵션이 다양하여 전문가들 사이에서 인기가 있습니다. 제조업체가 SLA 3D 프린팅을 이용하면 실리콘을 대체할만한 다양한 소재를 사용할 수 있어 실리콘과 유사한 파트의 시제품을 제작하거나 실리콘의 유연성, 탄력성 및 내구성을 갖춘 최종 사용 파트를 제조할 수 있습니다. SLA 파트는 FDM보다 표면 마감이 훨씬 매끄럽고 설계 자유도의 폭이 넓습니다.

실리콘과 유사한 유연한 3D 프린팅 레진은 일반적으로 표준 실리콘보다 내구성이 떨어지고 식품 안전하지 않고 생체적합성이 없지만(피부에 안전할 수는 있음) 온도 저항이 낮습니다. 실리콘 유사 SLA 소재는 반투명할 수 있으며 다른 색상으로 염색할 수도 있습니다.

특정 재료 가용성은 프린터 모델에 따라 다르지만 일반적으로 쇼어 경도가 30A와 90A 사이의 범위에 속합니다. Formlabs의 SLA 3D 프린팅 소재 중 실리콘을 대체할 만한 소재는 다음과 같습니다.

• Elastic 50A Resin은 일반적으로 실리콘으로 생산되는 파트의 프로토타이핑에 적합한 부드러운 소재입니다. 쇼어 경도가 50A인 해당 소재는 구부러지고, 늘어나고, 압축되는 파트와 찢어짐 없이 반복되는 주기를 견디고 원래 모양으로 빠르게 되돌아오는 파트를 제작하기에 제격입니다. 웨어러블(스트랩), 신축성 있는 인클로저 및 케이스, 압력을 가하는 버튼 또는 의료 분야의 연조직 해부학 모델과 같은 응용 분야에는 Elastic 50A Resin을 선택해주세요.

• Flexible 80A Resin은 쇼어 경도가 80A이며 강성이 우수하지만 촉감이 부드러운 소재로 유연성이 고무 또는 TPU뿐만 아니라 경질 실리콘과 유사합니다. Flexible 80A Resin은 연성과 강도가 균형을 이룬 소재로 우수한 내굽힘성, 내굴곡성, 내압축성을 지니고 있어 반복 사용에도 손상이 적습니다. 핸들, 그립, 오버몰드, 완충, 제동, 충격 흡수, 씰, 개스킷, 마스크 또는 의료 분야의 연골, 힘줄 및 인대 해부학 모형의 프로토타입을 제작하기에 제격입니다.

• 실리콘 재료의 경도 범위를 약간 넘어서는 Rebound Resin은 쇼어 경도 86A의 3D 프린팅 소재로 최종 용도에 고유한 특성을 제공합니다. 현재 시판 중인 양산형 완제품 수준의 탄성 중합 소재보다 5배 높은 인열 강도, 3배 높은 인장 강도, 2배 높은 연신율을 자랑합니다. Rebound Resin은 탄력과 복원력을 가진 파트를 3D 프린팅하기에 적격입니다. Rebound Resin의 높은 연신율은 손잡이나 그립처럼 탄력 있게 손에 잡히는 파트를 출력에 적격입니다. 지속적인 압축 또는 장력을 처리할 수 있을 만큼 충분히 강하여 오래 지속되는 복잡한 개스킷 및 씰 제조에 이상적입니다.

선택적 레이저 소결(SLS) 3D 프린팅은 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 적층 제조 기술입니다. 융합되지 않은 분말이 프린팅 중에 파트를 지지하여 전용 서포트 구조가 필요하지 않으므로 높은 정확도, 높은 처리량 및 거의 제한이 없는 설계 자유를 제공합니다.

실리콘과 유사한 특성을 지닌 SLS 재료에는 TPU, TPE 및 TPA가 포함되며 쇼어 경도 범위는 45A~90A입니다. 정확한 가용성은 프린터 모델에 따라 다릅니다.

Formlabs Fuse 시리즈 SLS 3D 프린터에서 사용되는 TPU 90A Powder는 인성이 우수한 엘라스토머로 탄력 있는 제품을 생산하며 그 디자인 자유도와 편리성은 타 소재와 견줄 수 없습니다. 높은 연신율과 우수한 인열 강도가 균형을 이루는 TPU 90A Powder를 사용하면 유연하고 피부에 안전한 프로토타입과 일상적인 사용 마모를 견디는 최종 사용 파트를 생산할 수 있으며 어떤 것을 생산하더라도 파트당 비용은 저렴합니다. TPU 90A Powder는 웨어러블, 소프트 터치 요소, 패딩, 댐퍼, 그리퍼, 개스킷, 씰, 밑창, 부목, 보조기, 보철물 등의 최종 사용 파트 생산은 물론 프로토타입을 제작하기에도 좋은 소재입니다.

실리콘과 유사한 SLS 재료로 생산된 파트는 정확하고 내구성이 있으며 내마모성 및 내마모성이 있으며 3가지 플라스틱 3D 프린팅 공정 중 내열성이 가장 높습니다. 생체적합성이 있고, 피부에 안전하며 후처리를 거치면 식품 안전성을 얻을 수 있습니다. 단점은 SLS 프린팅에 사용할 수 있는 색상이 제한적이며 반투명 옵션이 없고 벽이 얇은 디자인은 식는 동안 뒤틀릴 수 있다는 점입니다.

독특한 특성(다양한 경도, 색상 등)이 있는 순수 실리콘 파트를 생산하려는 사람들에게 3D 프린팅은 기존 제조 방법으로 실리콘 파트의 원형 제작과 대량 생산 사이의 격차를 해소하는 데 도움이 될 수 있습니다.

사출성형, 열성형, 압축 성형 및 실리콘 주조는 모두 금형을 사용하여 완성된 실리콘 제품을 만듭니다. 그러나 툴링에는 높은 초기 비용이 소요되며, 전문 서비스 업체에 맡길 경우, 몇 주 또는 몇 달이나 걸리는 리드 타임으로 인하여 제품 개발 속도가 더뎌지고 결과적으로 제품을 신속하게 시장에 출시하기가 힘들어집니다.

인하우스 신속 툴링을 제품 개발 프로세스에 통합하면 기업이 대량 생산으로 전환하기 전에 설계 및 재료 선택을 검증할 수 있으며 맞춤형 또는 제한된 일련의 최종 사용 부품을 생산할 수 있는 경제적인 수단을 제공합니다.

Google의 진보 기술 및 프로젝트(ATAP) 팀은 공장 초기 툴 튜닝에 오버몰딩된 전자 서브 어셈블리 대신 3D 프린팅 스탠드인 또는 대리 부품을 사용했습니다. 3D 프린팅과 인서트 성형의 조합으로 $100,000 이상의 비용을 절감하고 테스트 주기를 3주에서 단 3일로 단축할 수 있었습니다. Google ATAP 팀은 3D 프린팅 테스트 부품을 사용하여 공급사에서 제공하는 고비용의 전자 부품의 사용과 비교하여 시간과 비용을 절약할 수 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다.

브루클린에 본사를 둔 신생 기업인 Dame Products는 건강 및 웰빙 산업용 제품을 디자인합니다. 그들은 고객의 베타 프로토타입용 내부 하드웨어를 캡슐화하는 데 실리콘 인서트 몰딩을 사용합니다. Dame Products는 자사의 제품군을 정교한 인체 공학적 형태를 피부에 안전하고 색상 또한 발랄한 실리콘층으로 완전히 감싸 제작합니다.

실리콘 인서트 몰딩은 소량의 최종 사용 파트를 제조하기에도 이상적입니다. 고급 보철 제조업체인 싸이오닉(Psyonic)은 실리콘으로 오버몰딩된 단단한 3D 프린팅 코어가 있는 의수용 손가락을 만드는 공정을 사용하고 로봇 제조업체인 라이트핸드 로보틱스(RightHand Robotics)는 동일한 공정을 사용하여 로봇용 그리퍼를 만듭니다.

압축 성형용 3D 프린팅 신속 툴링은 열가소성 레진, 실리콘, 고무 및 복합 부품 생산에 활용할 수 있습니다. 주방 기기 제조사인 OXO의 제품 개발자는 3D 프린팅 금형으로 2액형 실리콘을 압축 성형하여 개스킷과 같은 고무 파트의 프로토타입을 제작하는 데 3D 프린팅을 사용합니다.

주조는 또한 의료 기기, 청력학, 식품 안전 응용 분야 등을 위한 실리콘 및 플라스틱 파트를 생산하는 데 널리 사용되는 방법입니다.

의료 기기 회사인 Cosm은 골반저 장애 환자용 환자 맞춤형 페서리(pessary, 피임 기구)를 생산합니다. 구체적으로 파트는 SLA 3D 프린터로 3D 프린팅한 금형에 생체적합성 의료 등급의 실리콘을 주입하는 방식으로 제작됩니다. 3D 프린팅을 통한 신속 툴링을 사용하여 기존 툴링의 고비용에 대한 부담 없이 맞춤형 파트를 제작할 수 있습니다.

3D 프린팅으로 맞춤형 이어 몰드를 제조할 수 있게 된 사실은 보청기, 소음 방지 및 맞춤형 이어폰과 같은 응용 분야를 통해 청력 분야에도 혁명을 일으켰습니다. 디지털 제조는 기존의 금형 생산과 비교하여 제어력 및 정확성이 개선되어 오류 및 재제작 횟수가 크게 감소되었습니다.

실리콘 캐스팅은 엔터테인먼트 산업에서도 사용됩니다. 수상 경력에 빛나는 실용적인 프로스테틱 메이크업 및 소품 제작 회사인 드림스미스 스튜디오(Dreamsmith Studio)의 창립자인 자코 스니맨은 SF 시리즈 "레이즈드 바이 울브즈(Raised by Wolves)"에 이러한 다양한기술을 사용했습니다. 스니맨은 Form 3L 대형 포맷 레진 3D 프린터의 대규모 빌드 볼륨을 활용하여 여배우의 신체를 초현실적인 형태로 복제한 실리콘 복제품, 배우용 실리콘 마스크, 인간 크기 더미 인형 등을 제작했습니다.

반대로 실리콘 소재를 다양한 소재 성형에 사용되는 금형 제작에 사용할 수도 있습니다. 가이드에서 실리콘 금형 제작법을 알아보세요.

마침내 직접 실리콘 3D 프린팅에 쉽게 접근할 수 있게 되었고 3D 프린팅의 이점을 활용하여 실리콘 또는 실리콘 유사 파트를 생산할 수 있는 방법이 다양하게 존재합니다.

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