3D프린팅 기술원리 #2 DLP, SLA
기술원리에 따라 SLA, DLP로 불리며, 국제표준화기구에 따라 공식적인 명칭은 VP, Vat Photopolymerisation이다.
SLA(Stereolithography Apparatus) 방식은 광경화성수지를 자외선 레이저로 경화시키며 제작하는 방식이다. 3D시스템즈의 창립자인 척 헐Chuck Hull(Charles W. Hull; born May 12, 1939)이 개발하였으며, 최초의 3D프린팅 기술로 알려져 있다.
DLP(Digital light processing) 방식은 전체적인 프로세스는 SLA와 동일하나 경화시키는 광원을 면 단위로 제어한다는 차이점이 있다. 초기에는 빔프로젝터 광원을 적용하였으나, 최근에는 LCD 디스플레이로 제어하는 방식으로 개선되었다.
VP 3D프린팅은 FDM 다음으로 대중화된 기술 중 하나이다. FDM보다 정밀한 출력이 가능하고 면 단위로 제어되는 DLP 방식의 경우 XY 면적과 관계없이 Z축 높이에 따라 출력시간이 소요된다는 장점이 있다. (예를 들면, 10mm³ 1개를 출력하는 시간과 10개를 출력하는 시간이 같다.)
반면, 출력 후 별도의 처리 과정이 필요하며 액체상태의 광경화성수지를 담아두어야 하기에 소재의 공급 및 유지 등이 제한되어 출력사이즈 확장에 불리하다는 단점이 있다.
세부적으로 살펴보면, 우선 수조(Vat)에 광경화성수지를 담아두고 경화시키며 Z축으로 상승 또는 하강하는 방식으로 진행된다. 출력하는 면적에 광경화성수지가 제공되어야 하므로 수조의 크기에 따라 출력사이즈가 제한된다. 대형 장비의 경우에는 수조에 채워지는 소재의 가격만 수천만 원에 달한다. 최근에는 소재를 실시간으로 공급하는 등 개선된 방식이 출시되고 있다.
SLA 방식은 높은 정밀도로 고가의 산업용 장비로 분류되며, DLP 방식은 상대적으로 저렴한 가격으로 대중화되어 수십~수백만 원 수준으로 형성되어 있다.
DLP 방식은 디스플레이의 해상도에 따라 정밀도가 달라지며, 디스플레이의 픽셀 모양이 나타난다는 단점이 있다. 반면 SLA 방식은 레이저 포인트로 제어되며, 곡선 등에서 정밀하고 부드러운 제어가 가능하다는 장점이 있다.
두 방식 모두 출력 후에는 표면에 광경화성수지가 남아있기에 이를 제거하는 처리 과정이 필요하다. 우선 일차적으로 이소프로필알콜(IPA)로 잔여 물질을 제거하고 UV 경화기를 사용해 내외부를 완전히 경화시키는 과정이 진행된다.
이 과정에서 광경화성수지가 주변에 흐르거나 튀는 등 관리가 어렵기에 별도의 장비를 구매 또는 공간을 분리해서 사용하는 것이 좋다.
DLP 방식의 개발 동향을 살펴보면, 초기 빔프로젝터 광원을 이용한 방식이 개발되었고, 이후 원형으로 퍼지는 자외선 파장이 외곽으로 갈수록 약해진다는 단점을 보완해 LCD 패널을 적용한 방식이 출시됐다. LCD 패널은 해상도에 따라 품질이 좌우되며, 4k 등 해상도를 높이고 풀컬러 패널에서 흑백 패널을 적용하는 방식으로 출력 속도와 품질을 개선한 제품이 등장하고 있다.
또한, Carbon3D라는 기업에서는 출력시간을 혁신적으로 단축한 방식을 선보이기도 했는데, 설명에 앞서 기본적인 DLP 방식 구동 원리를 살펴보면 다음과 같다.
1. 수조에 소재가 담겨있고 하단에는 광원 패널이, 상단에는 빌드플랫폼이 위치한 상태에서
2. 빌드플랫폼이 하강하여 수조 바닥 면과 아주 얇은 층을 유지하고, 틈새에 광경화성수지가 채워진다.
3. 자외선을 조사하여 얇은 층에 있는 광경화성수지를 경화시키고
4. 빌드플랫폼이 일정 높이로 상승했다가 다시 하강해 얇은 층을 유지한다.(이 과정에서 광경화성수지가 채워진다.)
5. 해당 과정 반복으로 완성
Carbon3D는 이 과정에서 광경화성수지가 산소와 닿으면 경화되지 않는다는 특징을 이용해 ‘얇은 층’의 일부를 산소층으로 구현하여 빌드플랫폼이 광경화성수지를 채우기 위해 상승/하강하는 과정을 생략해 출력시간을 비약적으로 단축시켰다.
해당 기술은 3D프린팅의 대표적인 단점인 ‘시간’을 단축시켰다는 점에서 많은 주목을 받았다.