3D프린팅 기술원리 #1 FDM
흔히 FDM이라 불리는 이 방식은 필라멘트 형태의 플라스틱 소재를 사용하며, 가열된 노즐을 통과시켜 적층시키는 원리이다.
국제표준화기구에 따라 공식적인 명칭은 ME, Material Extrusion이다.
ME 방식은 크게 직교 방식과 델타 방식으로 구분할 수 있다.
직교 방식은 데카르트 좌표계(Cartesian coordinates)를 기반으로 3축(X, Y, Z)을 사용하며, 일반적으로 베드는 Z축으로만 이동하고 XY 평면에서 익스트루더가 구동한다.
델타 방식은 세 개의 삼각형 지점에 고정된 축을 기준으로 익스트루더를 제어하며 원형 베드가 적용된다.
차이점은 델타 방식이 직교 방식보다 출력 속도가 빠르지만, 정밀도가 떨어진다는 단점이 있으며, 델타 방식은 구동 범위가 자유롭다는 특징이 있다.
또한, 필라멘트를 공급하는 익스트루더의 위치에 따라 보우덴 방식과 직결식으로 구분하기도 한다.
주요 차이점은 직결식은 헤드에 익스트루더의 무게가 더해지며 움직일 때 반동이 생겨 제어가 어렵다는 단점이 있고, 근접 거리에 공급하기에 TPU 등 플렉서블 소재를 사용하기에 유리하다는 장점이 있다.
보우덴 방식은 반대로, 헤드 부분이 가벼워 제어가 쉽다는 장점이 있지만, 공급 거리가 멀어 플렉서블 소재 사용 시 꼬임이나 막힘 현상이 나타난다는 단점이 있다.
이 외에도 로봇팔을 적용한 방식과 베드가 회전하며 출력하는 방식도 있지만, 일반적인 사례는 아니다.
ME 방식 3D프린터의 가격은 10~500만 원 수준이며, 일반적으로 조립형 키트 제품이 100만 원 이하 정도이고 브랜드에 출시하는 제품이 100만 원 이상의 가격을 형성하고 있다. (단, 대형 출력 사이즈를 지원하는 장비는 수천만 원을 호가하기도 한다.)
조립형 키트와 브랜드 제품은 챔버의 유무와 편의 기능, 그리고 안정성에서 차이가 있다.
우선 챔버의 경우 포함되는 제품도 있으나 중국에서 수입되는 유통과정과 스스로 조립해야 하는 조건, 그리고 이 가격대를 선택하는 유저들은 가성비를 중요하게 생각한다고 가정했을 때 챔버가 없는 모델을 선택하는 비중이 높다.
챔버가 없으면 최근 이슈가 되고 있는 유해물질 노출과 온도 조절에 취약한 단점이 있으며, 비교적 수축률이 적은 PLA 소재를 사용하는 편이다.
챔버를 추가 구매하여 사용하는 방법도 있으나, 체험 목적이 아닌 실사용 목적일 경우 이런저런 비용을 더하면 브랜드 완제품 가격에 근접하기에 가성비가 떨어지는 편이다.
브랜드 제품의 가장 큰 장점은 하드웨어의 안정성과 베드 오토레벨링 기능이다. 또한, 이외에도 필라멘트 인식 및 온도 셋팅, 내부 카메라, 한글 인터페이스, 전용 소프트웨어 등 사용자 편의성을 높인 제품들이 다수 출시되어 있으며, 비용 외에 유지보수에 투자하는 시간을 고려하면 브랜드 제품을 구매하는 것이 유리하다.
개발 동향을 살펴보면, 초기 개방형 구조에서 프레임을 갖춰 안정성을 높이고 사용자 편의 기능과 디자인을 높인 제품이 출시되었으며, 이후 듀얼노즐 및 멀티컬러를 지원하는 제품들이 등장했다.
듀얼 노즐 제품의 경우 특히, 서포터 전용 소재를 사용해 보다 기하학적인 구조를 제작하고 손쉽게 서포터를 제거할 수 있다는 장점이 있다.
다만, 보급형 시장에서는 이러한 기능에 대한 수요가 낮아 출시되는 제품이 소수이며, 산업용으로 전문성을 높인 제품에 주로 적용된다.
국내 시장의 흐름을 살펴보면 2015년 전후로 다수의 FDM 개발/제조 기업들이 있었으나, 당시 시장의 수요가 충분하지 않아 상당 부분 축소되었으며, 현재 전체 점유율에서는 큐비콘과 신도리코 제품이 독점적인 위치를 차지하고 있다.
초기 시장에서 언론의 홍보에 기대감을 안고 구매한 유저들은 출력 품질이나 유지보수 및 모델링의 난이도에 회의적인 평가가 있었으며, 더하여 소수 인력으로 운영되는 스타트업에서 제품 판매 이후 AS 등 후속 지원이 원활하지 못했다는 요인도 있다.
마지막으로 최근 45도 각도로 출력하는 방식의 3D프린터를 출시하기도 했으며, 연속적이고 Y축 출력사이즈의 제한이 없다는 특징이 있다. 국내에서도 오픈크리에이터즈에서 유사한 형태의 BS210 제품을 출시하기도 했다.