3D 프린팅의 공차, 정확도, 정밀도 가이드

정의에서 시작해보면, 정확도, 정밀도, 공차의 차이점은 무엇일까요? 각 용어의 의미를 시각화하는 데 도움이 되도록 사격과 과녁이라는 개념을 사용하려고 합니다.

정확도는 측정값이 실제 값에 얼마나 가까운지를 의미합니다. 사격의 경우를 생각해보면 과녁의 정중앙을 맞춰야 좋은 점수를 얻을 수 있습니다. 과녁에 가까울수록 더 정확하게 발사한 것입니다. 3D 프린팅 세계에서 진정한 가치는 CAD에서 설계한 것과 치수가 똑같은 결과물입니다. 3D 프린트물이 디지털 디자인과 얼마나 밀접하게 연결되어 있을지를 가늠하는 지표가 정확도입니다.

정밀도는 측정의 반복성을 표현한 값입니다. 목표물을 향해 얼마나 일관적으로 발사하는 지를 확인하는 지표입니다. 정밀도는 이 일관성만 측정합니다. 발사했을 때 매번 같은 지점 근처를 맞출 수 있지만 그 지점이 굳이 과녁의 정중앙일 필요는 없습니다. 3D 프린팅에서는 궁극적으로 정밀도를 신뢰성으로 해석합니다. 프린팅할 때마다 기대하는 결과를 얻기 위해 장비를 신뢰할 수 있는지에 관한 지표입니다.

정확히 얼마나 정밀해야 할까요? 그것을 공차로 정의는 것이고 공차를 정의하는 것은 사용자입니다. 응용 분야에 흔들리는 공간은 얼마나 되나요? 정밀도의 측정치에서 어느 정도의 오차를 허용할 수 있을까요? 이는 프로젝트에 따라 다릅니다. 예를 들어 움직이는 기계 어셈블리가가 있는 구성품의 공차는 단순한 플라스틱 인클로저 같은 것보다 훨씬 더 엄격하게 정의해야 합니다.

공차를 정의하는 경우 정확도도 필요할 수 있으므로 과녁에서 사격의 정확도를 측정한다고 가정해 보겠습니다. 앞서 우리는 오른쪽 그림에 표현된 사격의 결과는 정확하지 않은 것으로 정의했습니다.

그러나 공차의 범위가 상당히 넓다면 정확한 것일 수도 있습니다. 사격의 결과가 왼쪽 그림만큼 서로 가깝지는 않지만 허용 가능한 정밀도 범위가 ±2.5 링의 거리라면 사양 내에 있는 것입니다.

일반적으로 더 엄격한 공차를 얻고 유지하려면 제조와 품질 보증에 비용이 많이 든다는 것을 의미합니다.

3D 프린팅의 정확성과 정밀도에 대해 생각할 때 고려해야 할 다양한 요소가 있습니다. 프린터가 약속한 대로 일관되게 작동하고 사용자에게 익숙한 공차 내에서 예상되는 품질을 생성할 것이라 신뢰하는 경험은 성공의 핵심 요소일 수 있습니다.

다음은 3D 프린팅의 정확성과 정밀도를 결정하는 데 중요한 네 가지 요소입니다.

다음은 3D 프린팅의 정확성과 정밀도를 결정하는 데 중요한 네 가지 요소입니다. 각 층이 부정확할 가능성이 있으며, 층이 형성되는 과정은 각 층의 정확성 수준 또는 반복성에 영향을 미칩니다. 가장 흔한 플라스틱 3D 프린팅 프로세스에서 일반적인 3D 프린터 공차를 살펴보겠습니다.

• 광경화성 수지 조형 방식(SLA)과 디지털 광원 처리 방식(DLP):  ± 0.2% (하한: ± 0.1 mm)
  레진 3D 프린팅 분야에서는 액체 레진 소재를 광원, 즉 SLA일 경우 레이저, DLP일 경우 프로젝터에 선택적으로 노출하여 극도로 얇은 고체 플라스틱 레이어를 형성하고 쌓아 올려 딱딱한 물체를 만듭니다. 이들 프로세스는 고정밀 광원 덕분에 미세한 디테일을 표현하고 연속적으로 고품질 결과를 얻을 수 있습니다. 모델 형상에 따라 레진 3D 프린팅 파트에는 서포트 구조가 필요하며 이는 특히 복잡한 형상이나 크고 얇은 벽에서 치수 정확도를 달성하는 데 필수적일 수 있습니다.
• 선택적 레이저 소결 방식(SLS)과 멀티 젯 퓨전 방식(MJF): ± 0.3% (하한: ± 0.3 mm)
  분말 베드 용융 방식 3D 프린터도 분말 소재를 용융하여 고체 파트로 만드는 광원(SLS의 레이저, MJF의 용융 램프)에 따라 정밀도가 달라집니다. 프린팅을 진행하는 동안 용융되지 않은 분말이 파트를 지지하므로 전용 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 따라서, SLS는 내부 피처가 있는 구조, 언더컷, 박벽, 안쪽으로 함몰된 형태를 비롯하여 복잡한 형태를 프린팅하는 데 이상적으로 사용하실 수 있습니다. 
• 용융 적층 모델링 방식(FDM): ± 0.5% (하한: ± 0.5 mm)
• FDM 3D 프린팅에서는 열가소성 필라멘트 층이 노즐에 의해 압출되므로 다른 3D 프린팅 프로세스에서 복잡한 디테일을 얻는 데 사용되는 제어와 기능이 부족합니다. FDM 파트는 또한 프린팅된 파트가 서로 다른 속도로 냉각되고 내부 응력으로 인해 프린트물이 변형되기 때문에 뒤틀리거나 수축되기 쉽습니다. 고급 전문 시스템을 이용하면 이러한 문제를 완화할 수 있지만 비용도 더 많이 듭니다.

3D 프린터 사양만으로는 최종 치수 정확도를 알 수 없습니다. 여러 가지 3D 프린팅 기술의 정확도에 대한 일반적인 오해 중 하나는 XY 해상도 또는 Z 해상도(레이어 두께)를 치수 정확도로 설명하는 것입니다.

그러나 이 데이터는 프린팅된 파트의 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 정확도에 영향을 미치는 오류의 원인은 다양하며 다음으로 다룰 예정입니다.

궁극적으로 3D 프린터를 평가하기에 가장 좋은 방법은 실제로 파트를 검사하는 것입니다.

정확도는 프린팅에 사용하는 소재와 해당 소재의 기계적 특성에 따라 달라질 수 있으며 이는 프린트물이 뒤틀릴 가능성에도 영향을 미칠 수 있습니다.

그린 모듈러스(후경화 전 모듈러스)가 큰 소재를 레진 3D 프린터에서 사용하면 아주 얇은 파트를 정밀하게 프린팅하며 실패 가능성을 낮출 수 있습니다.

FDM 3D 프린터의 경우 더 높은 온도에서 압출된 재료는 일반적으로 다른 재료보다 뒤틀리기 쉽습니다. 예를 들어 ABS는 프린팅한 파트가 냉각 중에 더 많이 수축되므로 PLA보다 뒤틀림에 더 민감한 것으로 알려져 있습니다.

3D 프린팅 파트는 대부분 프린팅 후 어떤 형태로든 후처리가 필요합니다.

• SLA 및 DLP: 세척, 후경화(선택 사항), 서포트 구조 제거(필요한 경우), 샌딩(선택 사항)
• SLS 및 MJF: 잔여 분말 제거, 미디어 블라스팅 또는 미디어 텀블링
• FDM: 서포트 구조물 제거(필요한 경우), 샌딩(선택 사항)

이러한 후처리 단계 중 일부는 파트의 치수와 표면에 영향을 미치며, 이에 따라 정확도와 공차도 달라집니다. 이들 중 일부는 디자인 및 프린팅 준비에서 기인한 것으로 쉽게 설명할 수 있지만 다른 것들은 프린팅 작업마다 다를 수 있습니다.

예를 들어 레진 3D 프린팅이라면 3D 프린팅 후 파트를 종종 후경화해야 하며 그 과정에서 수축이 발생할 수 있습니다. 이는 레진 기반 SLA 또는 DLP 3D 프린팅 프로세스로 생산된 파트라면 어떤 것에서도 발생하는 정상적인 현상이며 프린터에 따라 설계 시 이점을 고려해야 할 수도 있습니다. PreForm은 Formlabs이 무료로 배포하는 프린트 파일 사전 준비 소프트웨어로, 이러한 수축을 자동으로 보정하여 경화 후 프린트물이 원래 CAD 디자인에 치수적으로 정확히 들어맞도록 맞출 수 있습니다.

반면 FDM으로 프린팅된 파트는 서포트 흔적와 레이어 라인을 제거하여 표면 품질을 개선하기 위해 샌딩이 필요한 경우가 많고 이 프로세스는 부품의 치수를 약간 변경하여 원래 디자인과 완성된 파트 간의 편차가 늘어납니다.

정확하고 정밀한 3D 프린트물을 제작하려면 프린터 자체보다 더 많은 관심과 전체 프로세스에 대한 고려가 필요합니다.

프린팅 준비 소프트웨어, 프린팅 기술, 프린터 및 구성 요소의 품질 및 보정, 3D 프린팅 소재의 품질, 후처리 도구 및 방법이 모두 최종 결과에 영향을 미칠 수 있습ㄴ디ㅏ.

전반적으로 함께 작동하도록 설계된 통합 시스템이라면 일반적으로 더 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어, Formlabs의 새로운 SLA 및 SLS 3D 프린팅 재료는 제각각 신뢰성, 일관성, 정확성을 보장하기 위해 출시 전에 각 호환 프린터 모델에서 일련의 검증 테스트를 거칩니다. 시중의 프린터와 기성품 재료가 좋은 결과를 낼 수 없다는 의미는 아니지만 학습 곡선이 더 가파르고 사용자가 더 많은 실험과 보정을 해야할 수 있습니다.

기존 기계 가공에서는 공차가 엄격할수록 비용이 기하급수적으로 증가합니다. 공차가 비교적 엄격하면 더 여유로운 공차보다는 추가로 더디게 진행하는 가공 단계가 필요하므로 기계 가공 파트는 주어진 응용 분야에서 허용되는 가장 넓은 공차를 두고 설계힙니다.

기계 가공과 달리 3D 프린팅에는 자동화된 단일 생산 단계가 있습니다. 3D 프린팅 공차가 엄격하면 설계 단계에서 더 많은 노력이 필요할 수 있지만 프로토타이핑 및 생산에서 시간과 비용을 크게 절약할 수 있습니다.

또한 복잡한 서피싱(표면 피복 작업) 작업은 CNC 밀링과 같은 프로세스에 비용을 추가하지만 3D 프린팅의 복잡성은 기본적으로 무료입니다. 단, 3D 프린팅 파트의 공차는 절삭 방법에 의존하지 않고는 프린터가 생산할 수 있는 것 이상으로는 자동으로 미세 조정할 수 없습니다. 3D 프린팅은 언더컷 및 복잡한 표면과 같이 전체적으로 복잡하고 ±0.005인치(표준 가공)보다 더 우수한 표면 정밀도가 꼭 필요하지 않은 경우 훌륭한 옵션입니다. 3D 프린팅 파트와 CNC 파트 모두 표준 기계 가공의 공차 이상의 공차를 얻으려면 수작업 마무리 또는 기계 가공을 통해 절삭 방법을 거쳐야 합니다.

전반적으로 레진 3D 프린팅(SLA 및 DLP) 및 파우더 베드 퓨전 3D 프린팅(SLS 및 MJF)은 상업적으로 이용 가능한 플라스틱 3D 프린팅 기술 중 공차가 가장 우수합니다. 가공 정확도와 비교할 때 레진 및 분말 3D 프린팅의 공차는 표준 가공과 미세 가공의 공차 사이에 있습니다.

공차와 끼워맞춤은 기계 조립품을 설계하는 엔지니어라면 누구에게나 필수적인 개념입니다. 공차를 고려하면 궁극적으로 프로토타입 제작과 생산 공정을 모두 최적화하여 반복에 사용되는 재료 비용을 줄이고 후처리 시간을 단축하며 실수로 파트가 파손될 위험을 완화합니다. 3D 프린팅의 정적 파트당 비용을 고려해보면 프로토타이핑 및 소량 제조, 특히 금형에 상당한 투자가 필요한 맞춤형 파트를 제작할 경우 비용 효율적인 방법임을 알 수 있습니다.

일반적으로 규정 준수에 부합하는 3D 프린팅 재료는 더 단단한 재료보다 공차 범위가 더 넓습니다. 특히 어셈블리용 파트를 프린팅할 때 적절한 공차와 적합성을 고려하여 설계하면 후처리 시간이 줄고 조립이 쉬워지며 반복 재료 비용이 줄어듭니다.

3D 프린팅 파트 어셈블리의 후처리 단계에는 일반적으로 세척, 서포트 흔적 샌딩 및 광택 작업이 포함됩니다. 활성 표면을 샌딩하는 것은 파트가 일회성인 경우 끼워맞춤에 올바른 치수를 얻을 수 있는 합리적인 방법입니다. 설계 단계에서 공차를 맞추기 위한 작업을 덜 해도 되기 때문입니다. 더 큰 어셈블리를 사용하거나 무언가를 여러 개 생산할 때 적절한 작업을 통해 시간을 들여 치수 공차를 맞추는 작업은 가치가 있습니다.

이 섹션에서는 틈새 끼워맞춤, 중간 끼워맞춤, 억지 끼워맞춤의 기본 사항과 어셈블리 설계에서 각각을 어떤 끼워맞춤을 선택해야 합리적인지를 설명하기 위해 다양한 공학적 끼워맞춤(fit)을 살펴보겠습니다.

3D 프린터를 평가할 때 고려해야 할 다른 특성이 많이 있습니다. 파트가 등방성이어야 하나요 ? 파트에 필요한 기계적 특성(그에 따른 소재)은 무엇인가요? 시작하기에 가장 좋은 방법으로 실제 프린팅된 파트를 확인하는 방법이 있습니다. Formlabs에서 다양한 소재로 제작된 무료 샘플을 선택하여 SLA 품질을 직접 확인해보세요.