광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 가이드: 기술 특성, 소재, 응용 사례

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 방식은 액층 광중합(vat photopolymerization 또는 수지 3D 프린팅) 방식으로 알려진 적층 제조 기술군에 속합니다. 이들 기기는 모두 동일한 원리를 기반으로 제작되었으며, 광원(레이저 또는 프로젝터)을 사용하여 액체 레진을 고체의 플라스틱으로 경화합니다. 주요 물리적 차이점은 광원, 빌드 플랫폼 및 레진 탱크와 같은 핵심 구성요소의 배열에 있습니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 작동 방식에 대해 살펴보세요.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터는 "레진"이라는 광반응성 열경화 소재를 사용합니다. 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 레진이 특정 파장의 빛에 노출되면, 짧은 분자 사슬이 결합되어 단량체와 올리고머를 고체화된 강체 또는 유연한 기하학적 구조로 중합합니다.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 부품은 모든 3D 인쇄 기술 중에서 해상도와 정확도가 가장 높고, 세부 정보가 가장 뚜렷하며, 표면 마감이 가장 매끄럽지만, 광경화성 수지 조형 방식(SLA)의 주요 이점은 다목적성에 있다고 할 수 있습니다.

소재 제조업체는 표준용, 엔지니어링용 및 산업용 열가소성 수지의 특성과 일치하는 광범위한 광학적, 기계적, 열적 특성을 가진 혁신적인 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 레진 제형을 만들었습니다.

3D 프린팅 기술 발전은 기업의 프로토타입 제작 및 생산 접근법을 지속적으로 변화시키고 있습니다. 기술의 접근성과 경제성이 높아지고 하드웨어와 소재가 시장 기회 및 수요에 맞춰 발전함에 따라 설계자, 엔지니어 등은 3D 프린팅 기능을 개발 주기 전반에 걸쳐 워크플로에 통합하고 있습니다. 산업 전반에서 3D 프린팅은 전문가들이 외주 제작 비용 절감, 신속히 반복 작업 수행, 생산 프로세스 최적화 그리고 완전히 새로운 비즈니스 모델을 도출할 때 도움을 줍니다.

특히 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅은 상당한 변화를 겪었습니다. 전통적으로 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 기기는 모놀리식 방식이었고 고비용이 소요되었기 때문에 숙련된 기술자 및 고가의 서비스 계약을 체결하는 것이 필요했습니다. 오늘날 소형 데스크탑 프린터는 훨씬 더 합리적인 가격대와 타의 추종을 불허하는 다목적성으로 업계의 품질 요구를 충족하는 출력물을 생산하고 있습니다.

플라스틱 부품 생산을 위한 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅과 두 가지 일반적인 기술 비교하기: 융용 적층 모델링(FDM), 선택적 레이저 소결(SLS) .

Form 3+ SLA 3D 프린터로 디자인에서 3D 프린팅으로 전환하는 방법을 알아보세요.소프트웨어, 재료, 프린팅 및 후가공 절차에 이르기까지 Form 3 사용 방법에 대한 기본 사항을 5분 분량의 동영상으로 학습하십시오.

광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 공정은 1970년대 초에 일본의 연구원 Hideo Kodama 박사가 자외선을 사용하여 감광성 폴리머를 경화시키는 광경화 수지 조형 방식에 대한 현대적 적층 기법을 발명을 통해 처음 등장했습니다. 광경화성 수지 조형 방식(SLA)이라는 용어는 Charles (Chuck) W. Hull이 1986년에 이 기술에 특허를 내고 상업화를 위해 3D Systems를 설립했습니다. Hull은 이 방법을 자외선으로 경화 가능한 소재의 얇은 층을 연속적으로 "프린팅"하여 3D 물체를 제작하는 것이라고 설명했습니다.

하지만 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅 기법이 광범위한 인기를 얻은 최초의 3D 프린팅 기술이 아니었습니다. 2000년대 말에 특허가 만료되면서 소형 데스크탑 3D 프린팅의 도입으로 적층 제조에 대한 접근이 확대되었으며 융합 증착 모델링(FDM)이 데스크탑 플랫폼에서 처음 채택되었습니다.

이 저렴한 압출 기반 기술이 3D 프린팅의 광범위한 채택과 인식의 첫 번째 물결을 촉발했지만 FDM 프린터는 전문적인 요구 사항의 스펙트럼을 충족하지는 못했습니다. 반복 제작이 가능한 고정밀 결과는 치과 산업의 생체 적합성 재료 및 보석 산업, 그리고 밀리플루이딕스와 같은 응용 분야에서 미세한 특성을 구현하는 역량과 마찬가지로 전문 응용 분야에서 매우 중요합니다.

Formlabs에서는 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 기술을 채택한 2011년 FDM에 이어 데스크탑 SLA 프린터를 출시했습니다. 소형 데스크탑 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린터는 예전에 모놀리식 산업 시스템에 제한적으로 적용되던 고해상도 3D 프린팅을 다양한 프린트 소재를 사용하여 훨씬 더 작고 경제적인 설정을 갖도록 구현했습니다. 이러한 기능을 통해 엔지니어링, 제품 디자인, 제조는 물론 치과, 보석 및 기타 산업 분야 전반에 걸쳐 다양한 맞춤형 및 고정밀 응용 분야에서 3D 프린팅에 대한 접근성이 확대되었습니다.

2015년에 Formlabs는 차세대 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린터인 Form 2를 출시를 통해 업계 최고의 데스크탑 3D 프린터가 되었으며, 저렴한 맞춤형 보철부터 맞춤형 면도기 핸들까지 다양한 부품들이 현장에서 출력되고 있습니다.

Form 2는 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린팅의 대화 방식을 재설정하여 회사가 출력 작업을 점진적으로 확장할 수 있는 "분산형" 생산 모델을 대중화하고, 각 프린터에서 다양한 소재로 출력할 수 있는 유연성이 있으므로 수요 증가에 따라 더 많은 소형 프린터를 추가할 수 있습니다. 시간 경과에 따라 소재의 성숙도가 향상되어 이 모델의 사용을 증가시켰는데, 그 이유는 고급 수지가 프로토타입 제작을 넘어 산업 전반의 생산 및 최종 사용 부품에 적용할 수 있게 되었기 때문입니다.

2019년에 Formlabs는 Low Force Stereolithography라고 하는 완전히 새로운 특허 프린트 프로세스를 기반으로 구축된 시스템으로서 SLA의 새로운 표준을 설정하는 두 가지 새로운 하드웨어 제품, 즉 Form 3와 Form 3L을 출시하여 업계에 또 하나의 변화를 일으켰습니다.이를 계기로 SLA 제품 라인의 부품 품질, 안정성, 사용 용이성 및 후가공 작업이 개선되었으며, Formlabs는 업계 선도 기업으로서의 입지를 다지고 있습니다.

LPU의 모듈식 설계, 균일한 선형 조명, 유연한 탱크의 낮은 힘은 LFS(Low Force Stereolithography) 기술이 강력한 프린트 엔진을 중심으로 구축된 더 큰 프린트 영역까지 원활하게 확장할 수 있음을 의미합니다.

최초의 경제적인 대형 레진 프린터인 Form 3L은 최적화된 프린트 경로를 따라 동시에 작동하는 두 개의 지그재그 LPU를 사용하여 대형 부품을 빠르게 프린팅합니다. Form 3L 출시 덕분에 많은 기업에서 저렴한 비용으로 고품질의 대형 부품을 사내에서 신속하게 프린팅할 수 있습니다.

Low Force Stereolithography(LFS) 기술은 SLA 3D 프린팅의 다음 단계로서, 확장 가능하고 안정적인 산업용 품질의 3D 프린팅을 기대하는 오늘날의 시장 요구를 충족합니다.

이 고급형 SLA 3D 프린팅은 유연한 탱크와 선형 조명을 사용하여 놀라운 표면 품질과 출력 정확도를 제공함으로써 프린트 과정에서 부품에 가해지는 힘을 크게 줄여줍니다. 출력 힘이 낮아지면서 가벼운 light-touch 보조물 출력이 적용되고 지지대가 보다 쉽게 분리되며, 이 프로세스는 고급 생산용 소재의 향후 개발 가능성을 광범위하게 열어줍니다.

역구조 SLA(Inverted SLA) 프린팅은 탱크 표면에서 분리될 때 출력물에 영향을 미치는 박리력(peel force)이 가해지므로 빌드 출력 사이즈가 제한되고 견고한 서포트 구조가 필요합니다. Formlabs Form 2는 필링 프로세스의 힘을 감안하고 고품질 부품을 생산하기 위해 충분히 보정됩니다.

LFS 기술을 사용하는 Form 2와 Form 3의 차이점에 대해 자세히 알아보세요. 

Formlabs는 LFS 기술을 지속적으로 개선했으며 2022년에는 데스크탑 SLA 프린터의 최신 버전인 Form 3+를 출시했습니다. Form 3+는 그 어느 때보다 빠른 인쇄 속도, 후처리의 추가적 개선, 부품 품질의 지속적인 개선을 지원하므로 설계에서 완성 부품까지 빠르고 안정적으로 작업을 진행할 수 있습니다.

LFS 3D 프린팅은 유연한 탱크와 선형 조명을 사용하여 출력 과정에서 부품에 가해지는 힘을 크게 줄임으로써 놀라운 표면 품질과 출력 정확도를 제공합니다. 이 심층 분석 동영상에서 LFS의 작동 방식을 자세히 알아보세요.

등방성이 확보되기 때문에 Pankl Racing Systems의 이 지그와 같은 SLA 출력 부품은 높은 응력을 받는 제조 작업 중에 가해지는 다양한 방향력을 견딜 수 있습니다.

SLA 방식으로 프린팅된 부품은 솔리드 피처 형상 또는 내부 채널이 있는 형상을 제작하든 간에 연속성을 갖습니다. 이러한 수밀성은 공기 또는 유체 흐름을 제어하고 예측하는 것이 가능해야 하는 엔지니어링 및 제조 응용 분야에서 중요합니다. 엔지니어와 설계자는 SLA 프린터의 수밀성을 사용하여 자동차 용도, 생의학 연구를 위한 공기 및 유체 흐름 문제를 해결하고, 주방 용품과 같은 소비자 제품의 부품 설계 내용을 검증할 수 있습니다.

OXO는 SLA 프린팅의 수밀성을 바탕으로 이 커피 메이커와 같이 공기 또는 유체 흐름이 있는 제품을 위해 강력한 기능의 프로토타입을 제작합니다.

치과에서 제조업에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 SLA 3D 프린팅에 의존하여 정확하고 정밀한 구성품을 반복적으로 제작합니다. 정확하고 정밀한 부품을 생산이 요구되는 프린팅 공정에서는 여러 요소를 엄격하게 제어해야 합니다.

기계 가공 정확도와 비교할 경우, SLA 3D 프린팅은 표준 가공과 정밀 가공 사이에 해당합니다. SLA는 상용 3D 프린팅 기술 중에서 최고의 허용 오차를 지원합니다. 3D 프린팅의 허용 오차, 정확도 및 정밀도에 대해 자세히 알아보세요.

가열 레진 탱크와 폐쇄된 빌드 환경의 조합은 각 출력물에 대해 거의 동일한 조건을 제공합니다. 향상된 정확도는 원료를 녹이는 열가소성 기반 기술에 비해 낮은 프린팅 온도 때문이기도 합니다. 광경화 수지 조형 방식은 열 대신 빛을 사용하기 때문에 프린팅 공정이 실온에 가깝고 출력 부품에 열팽창 및 수축 아티팩트가 발생하지 않습니다.

Low Force Stereolithography(LFS) 3D 프린팅은 X 방향으로 움직이는 LPU(Light Processing Unit) 내부에 광학 장치를 포함하고 있습니다. 하나의 검류계가 레이저 빔을 Y 방향으로 배치한 후, 폴드 미러와 포물선 미러를 가로질러 빌드 평면에 항상 수직인 레이저 빔을 전달합니다. 따라서 항상 직선으로 이동함으로써 훨씬 더 높은 정밀도와 정확성을 제공하고, 하드웨어가 Formlabs 대형 SLA 프린터 Form 3L과 같이 대형 크기로 확장될 때에도 균일성을 보장합니다. 또한 LPU는 공간 필터를 사용하여 선명한 레이저 스팟을 생성함으로써 정밀도가 향상됩니다.

신뢰할 수 있고 반복 가능한 프린팅 공정을 보장하기 위해 개별 소재의 특성도 매우 중요합니다.

Formlabs Rigid Resin의 높은 그린 계수(green modulus) 즉 후경화 전 계수를 가지며, 이는 매우 얇은 부품을 정밀하게 프린팅할 수 있고 실패 가능성을 낮출 수 있음을 의미합니다.

SLA 프린터는  기계 가공, 사출 성형 및 압출과 같은 전통적인 제조 방법과 유사한 외관으로 매끄러운 표면 마감을 달성하는 최적의 표준으로 간주됩니다.

이러한 표면 품질 때문에 부품에 대해 쉽게 샌딩, 광택 및 페인팅 작업을 수행할 수 있기 때문에 완벽한 마감이 필요한 응용분야에 이상적이며 후처리 시간 단축에도 도움이 됩니다. 예를 들어, Gillette와 같은 선도 기업은 면도기 제작 플랫폼에서 SLA 3D 프린팅을 사용하여 3D 출력 면도기 손잡이 등 최종 사용 소비자 제품을 제작합니다.

Gillette와 같은 선도 기업은 면도기 제작 플랫폼에서 SLA 3D 프린터로 3D 출력 면도기 손잡이 등 최종 사용 소비자 제품을 제작합니다.

Z축 레이어 높이는 일반적으로 3D 프린터의 해상도를 정의하는 데 사용됩니다. 이는 속도와 품질 간의 균형을 유지하면서 Formlabs SLA 3D 프린터에서 25-300미크론 사이로 조정할 수 있습니다.

이에 비해 FDM 및 SLS 프린터는 일반적으로 100~300미크론으로 Z축 레이어를 출력합니다. 그러나 FDM 또는 SLS 프린터에서 100미크론으로 출력된 부품은 SLA 프린터에서 100미크론으로 출력된 부품과 다르게 보입니다. SLA 출력물은 외측 둘레 벽이 직선이고 새로 출력된 레이어가 이전 레이어와 상호 작용하여 계단 효과를 부드럽게 만들기 때문에, 프린터에서 나온 직후에 표면 마감이 더욱 매끄럽습니다. FDM 출력물은 레이어가 명확하게 보이는 경향이 있고, SLS는 소결 파우더의 표면이 거칩니다.

가능한 최소 디테일 측면에서도 산업용 SLS 프린터가 350미크론, FDM 기계가 250-800미크론 노즐임을 감안할 때 Form 3+의 레이저 스팟 크기가 85미크론이므로 SLA가 훨씬 더 섬세함을 알 수 있습니다.

SLA 레진은 다양한 포뮬레이션 구성의 이점이 있습니다. 부드럽거나 단단한 소재도 가능하고, 유리 및 세라믹과 같은 보조 소재로 많이 채우거나, 높은 열 변형 온도 또는 내충격성과 같은 기계적 특성을 부여할 수 있습니다. 의치와 같은 특정 산업용 소재부터 프로토타입 제작용 최종 소재와 긴밀하게 일치하는 재료들까지 광범위한 테스트를 견디고 스트레스 환경에서도 성능을 발휘하도록 포뮬레이션되었습니다.

이처럼 범용성과 기능성을 조합한 소재라는 특성 덕분에 일부 기업에서는 레진 3D 프린팅 시스템을 조기에 사내로 도입하기도 합니다. 특정 기능성 소재로 응용분야의 한 가지 문제를 해결하고 나면, 일반적으로 머지 않아 더 많은 가능성이 발견되고 프린터는 다양한 소재로 다양한 기능을 활용하는 도구가 됩니다.

예를 들어, 셰필드 대학 AMRC(Advanced Manufacturing Research Center)의 설계 및 프로토타이핑 그룹에 속한 수백 명의 엔지니어들은 Boeing, Rolls-Royce, BAE Systems 및 Airbus와 같은 산업 파트너들과 함께 다양한 연구 프로젝트를 지원하기 위해, 12대의 SLA 3D 프린터에 대한 공개적 액세스와 다양한 엔지니어링 소재를 활용하고 있습니다. 이 팀은 High Temp Resin을 사용하여 높은 온도를 견디는 와셔, 브래킷 및 센서 장착 시스템을 3D 프린팅하고, Durable Resin을 사용하여 복합재 제조를 자동화하는 '픽 앤 플레이스' 로봇 용도로 복잡한 맞춤형 탄성 구성품을 제작했습니다.

AMRC의 엔지니어들은 12대의 SLA 3D 프린터와 다양한 엔지니어링 재료를 사용하여 다양한 연구 프로젝트를 위한 맞춤형 부품(예: 픽 앤 플레이스 로봇용 브래킷(위쪽), 고온 환경 센서용 마운트(아래쪽)을 프린팅합니다.

SLA 3D 프린팅은 혁신을 가속화하고 엔지니어링, 제조, 치과, 의료, 교육, 엔터테인먼트, 보석, 청력 분야 등 다양한 산업 분야에서 비즈니스를 지원합니다.