고강도 엘라스토머(러버) 파트를 적층 제조하는 DM400A 3D프린터 기술 상세 소개

Carima
2021-02-04

작성자 : (주)캐리마 마케팅팀 /  작성일 : 2021년 2월 4일  


DLP 3D프린터의 한계인 소형 빌드 사이즈의 대형화에 성공하다.


DLP 3D프린터의 특징으로는 손쉽게 기능성 소재를 교체하여 출력할 수 있으며, 정교한 출력물을 빠르게 출력할 수 있는 장점이 있습니다. 또 하나의 특징으로, 산업용 SLA 3D프린터에 버금가는 높은 정밀도와 우수한 표면조도를 출력할 수 있음에도 불구하고, 장비 가격은 SLA 3D프린터와 비교했을 때 상대적으로 매우 저렴한 편이죠. 


이와 같은 특장점을 필두로, 주얼리 및 덴탈 산업에 DLP 3D프린터를 중심으로 광경화 방식의 3d 프린팅 방식이 시장에서 큰 주목을 받고 있습니다. 또한 다품종 소량 생산의 생산방식에서 큰 효율을 보이는 3d 프린팅 방식은 피규어 제작산업에서도 활용이 두드러지고 있습니다. 다양한 레진의 폭넓은 활용도로 인한 장점으로 3D프린터 레진과 장비를 연구•개발하는 연구소에서도 주 활용 장비로서 사용되고 있답니다.


하지만 기존의 DLP 3D프린팅 방식은 상향식 출력 구조(Bottom-up방식)를 택한 탓에, 출력 사이즈가 대형화되지 못하는 한계를 지니고 있었습니다. 중력에 반하여 거꾸로 매달린 상태로 출력이 진행되는 점과 매 레이어 마다 이형작업을 필요로 하여 무게가 많이 나가는 출력물의 경우 보다 많은 서포트를 생성해야 한다는 점으로 인해 빌드 사이즈의 대형화가 쉽지 않았습니다. 또한 FHD의 DLP 광원을 사용하면서도 고해상도의 정밀도를 유지하기 위해서, 소형 빌드 사이즈를 쉽게 벗어나지 못하는 점 또한 한계로 자리잡고 있었죠.


㈜캐리마는 DLP 3D프린터의 한계점으로 손꼽히는 소형 빌드 사이즈를 대형화하기 위해 다년간 연구•개발을 진행해 왔습니다. 2019년도 초에 출시한 DM250K는 상향식 출력 구조(Bottom-up방식)의 DLP 3D프린팅 시스템에서도 4K(3480x2160px) DLP광원을 적용하여 중대형의 고정밀 부품이 출력될 수 있다는 선례를 보여준 좋은 사례이죠. ㈜캐리마는 DM250K의 양산 및 판매성공에 힘입어, 더욱 혁신적인 산업용 DLP 3D프린터 DM400A를 새롭게 개발할 수 있는 기틀을 마련하였습니다.


Top-down 방식을 적용하여 산업용 대형 DLP 3D프린터 DM400A


“대면적의 빌드 사이즈와 고정밀도를 갖추면서, 시제품이 아닌 실제 산업용 부품으로 사용 가능한 고기능성 소재를 출력할 수 있는 획기적인 DLP 3D프린터를 세계 최초로 개발하자.”


– ㈜캐리마의 이광민 부사장 –


중대형 DLP 3D프린터보다 더 큰 대형 빌드 사이즈를 갖추면서도 고점도의 레진을 출력할 수 있는 획기적인 DLP 3D프린터를 개발하고자 노력한 끝에, 2019년 폼넥스트에서 시작품을 선보일 수 있었으며, 이에 큰 관심을 보인 유수의 글로벌 대기업들과 미팅 후, 매칭된 파트너사의 요구사항을 반영, 고기능성 엘라스토머 소재가 출력 가능한 DM400A를 2020년 7월 출시하게 되었습니다.



사진1. DM400A의 TOP-DOWN(하향식)방식 대비 BOTTOM-UP(상향식)방식의 DLP 3D프린터의 차이


DM400A는 장비의 출력방식 및 구조부터 운영 소프트웨어까지 모든 부분이 새롭게 설계된 산업용 DLP 3D프린터로서, 기존 DLP 3D프린터의 Bottom-up(상향식) 방식이 중력에 맞서 이형 하는 구조였다면, DM400A는 산업용 SLA 3D프린터와 같이 TOP-DOWN(하향식) 방식으로서 대형 출력물도 매우 안정적으로 출력할 수 있습니다. 


특히 무게가 큰 대형 출력물 혹은 빌드 사이즈에 꽉 찰 만한 다중 부품들의 반복적이고 안정적인 출력을 지원하여 적층제조를 통한 부품 양산에 사용될 수 있습니다. 빌드 사이즈는 DLP 3D프린터에서 찾아볼 수 없었던 400 x 330 x 500mm의 대형 사이즈가 적용되었으며 대형 면적을 커버할 수 있도록 132마이크로미터(um)의 고해상도 2K DLP 프로젝터 두 개가 병렬의 구조로 장착되었습니다.




사진2. 산업용 TOP-Down 방식의 DLP3D프린터, DM400A


표1. DM400A 제원 정

빌드 사이즈

400 x 330 x 500 mm

출력 가능한 레이어 두께

50/120/125/150 um

DLP 광원 파장

405nm UV LED

DLP 광원 해상도

Dual 2K high UV LED (2560x1600px)

최소 표현 가능 픽셀 사이즈

132um

사이즈 및 중량

1050 x 1200 x 1900mm / 800kg

VAT 레진 채움 량

최고 220L max


산업용 SLA 3D프린터와 같이 TOP-DOWN(하향식)방식으로 설계된 DM400A는 180kg의 레진이 담긴 VAT(수조)가 하단에 장착되어 있습니다. 장비 상단에 장착된 DUAL 2K(2560x1600px)의 DLP광원이 하단의 VAT에 담긴 레진 표면에 광원을 조사되는 방식입니다. 광원이 조사되어 경화된 레이어는 하단으로 내려가고 새로운 레이어가 리코터에 의해 도포되고 평탄화 되어 계속적으로 출력하는 방식이죠.


대형 빌드 사이즈를 갖추었음에도 DM400A는 레이어 별 DLP 광원의 면 조사 방식의 출력 방법으로 빠른 출력 속도를 보장합니다. 예를 들어, DM400A의 400 x 330 x 500mm의 빌드 사이즈에 덴탈 모델을 배치하면 총 57개를 나열할 수 있습니다. 이를 0.1mm의 레이어 두께로 출력할 시 약 1분 40초가 소요되죠. 레이저 광원을 사용하는 SLA 3D프린터와 비교한다면 약 5배나 빠른 출력 속도를 보장한답니다.


 

사진3. DM400A의 빌드 플랫폼에 출력된 다양한 고기능성 엘라스토머 출력물의 모습



DM400A의 15인치 터치스크린에 적용된 장비 운용 소프트웨어에는 완전히 새롭게 개발된 소프트웨어로써, 사용자가 쉽고 편하게 쓸 수 있도록 사용자 편의성을 우선순위에 두고 제작되었습다. 직관적인 아이콘이 눈에 띄게 자리잡아 실시간 출력 진행 현황을 단계별로 알리며, 출력 중 확인이 가능한 로그 데이터는 출력 이슈 발생 시 문제점을 쉽게 파악하여 조치할 수 있도록 돕습니다. 또한 레진의 수위에 대한 실시간 확인도 가능하여 레진 부족 시에 이를 알리고, 쉽게 레진을 리필 할 수 있도록 안내하기도 합니다.


DM400A에 적용된, ㈜캐리마의 기술력이 집약된 다양한 기능들 소개  

 

 

사진4. (주)캐리마의 3D프린팅 출력실에 나란히 설치된 DM400A 3D프린터의 모습과 내부 빌드 플랫폼에 출력이 완료된 파이프 조형물 모습


  •  고점도 소재 출력을 위한, VAT(수조)에 내장된 온도 조절 장치: DM400A는 VAT(수조)에 담긴 레진을 히팅하여 50°C까지 온도를 유지 및 조절하는 장치가 탑재되어 최고 6,000cps 이상의 고점도 소재를 출력할 수 있습니다.


  •  MET (Multi Engine Technology): 멀티 엔진화면 제어기술로서, 2개의 2K (2560 x 1600px) 해상도의 UV Light Engine을 제어하는 다중 멀티엔진 화면 제어 기술은 대형 빌드 플레이트에서도 고해상도의 표면조도를 갖춘 출력물을 생산합니다. 


  •  OST (Overlay synchronizing Technology) : 조사 이미지 중첩처리 제어 기술로서, 2개의 2K DLP 광원을 한 면에 조사할 시 중첩되는 구간의 보간 처리 제어 기술이 적용되어 중첩되지 않는 구간과 차이 없는 동일한 표면 품질의 출력물을 생산합니다.


  •  강한 조도를 갖춘 DLP광원 및 우수한 광 균일도: 통상적인 DLP 3D프린터 대비 3배 강한 조도를 가진 DLP광원을 장착하였으며 픽셀 광량을 스스로 제어할 수 있어 광 균일도가 99% 이상입니다. 이는 출력물의 대량 생산의 경우 반복 재현성이 매우 뛰어나도록 돕습니다.


  •  Loose Type Vat System: 분리 교체형 광중합 수조 시스템으로 교체가 가능한 VAT(수조)가 장착되어 쉽고 빠르게 소재를 교체할 수 있습니다.


  •  Compact Vat Function: 콤팩트 수조 선택 기능을 갖추어 작은 출력물을 출력할 경우 VAT(수조)의 레진 양을 적게 부어도 출력이 가능하도록, Compact Vat Function을 선택할 수 있는 사용자 편의성 기능이 탑재되었습니다. 


  •  15”터치 스크린 제어 센터: 사용자 친화적인 15인치 대형 터치스크린으로 장비의 출력 지시 및 설정 변경이 가능하며, 출력 중 실시간 모니터링 기능을 통해 현재 출력 진행 상황을 아이콘으로 매우 쉽게 확인할 수 있습니다. 또한 스크린을 통해 VAT(수조) 내 레진의 잔여 용량을 쉽게 파악할 수 있으며, 레진을 채울 시에도 쉽게 수치를 확인할 수 있습니다.


실사용이 가능한 고강도의 엘라스토머 소재, Engineering Elastic Toughrubber

 

Engineering Elastic Toughrubber(이하 ETR)는 고점도의 고기능성 엘라스토머 소재로서 고무와 흡사한 재질의 단단하고 질긴 출력물을 출력할 수 있습니다. ETR 소재는 고강도 엘라스토머 레진 개발사인 미국 A사가 개발한 소재로서, ㈜캐리마의 협력 하에 개발된 DM400A를 통해 대면적에서 크고 안정적으로 출력할 수 있습니다. 


특히 해당 소재의 출력물은 시제품 제작용이 아닌, 실제 사용이 가능한 최종 파트로서 활용하도록 설계되었다. 혁신적인 고기능성 엘라스토머 소재로서 DM400A에 최적화하여 설계된 소재입니다.



사진5. ETR로 출력한 다양한 출력물 사례(1)


ETR은 PEBAX® 및 Elastollan®과 같은 주요 사출 성형 열가소성 폴리 우레탄과 흡사한 재질의 소재입니다. ETR 출력물의 물성치는 평균 90의 ShoreA의 경도, 30kN/m의 찢어짐 강도, 200%의 연신율과 최대 20mPa의 인장강도를 갖추어 3D프린팅 업계에서 가장 질기고 단단한 고무파트를 출력합니다. 


실제 고무와 같은 성질을 갖추면서도 높은 정확도와 단단한 내구성을 갖춘 출력물을 다양한 형상으로 출력할 수 있습니다. 특히 DM400A를 통해 크게 혹은 작더라도 미세 표현이 가능하도록 출력할 수 있으며 큰 빌드 사이즈로 대량생산도 가능합니다.





사진6. ETR로 출력한 다양한 출력물 사례(2)


ETR의 고강도 탄성력, 높은 찢어짐 강도, 변형 후 강한 복원력 덕분에 충격흡수가 필요한 기계부품에 직접 사용될 수 있으며 신발의 미드솔과 아웃솔, 벨브 마개 및 고무 파이프, 충격 흡수가 필요한 맞춤형 라티스 구조의 반동 패드, 와이어 및 전선 외부 보호 가이드, 오링 및 부싱, 맞춤형 스프링, 이어버드, 총기 그립 및 자전거 그립 등에 사용될 수 있습니다.


사진7. ETR로 출력한 Door boot 사례


ETR로 출력된 Door boot 사례는 ETR의 특성을 보여주는 가장 이상적인 사례입니다. Door boot는 문이 열리거나 닫힐 시 전선을 감싸 보호면서도 늘어나거나 접혀야 하는 특성을 필요로 합니다. ETR로 출력된 실사용이 가능한 Door boot는 유연성을 보유하면서도 높은 강도와 내구성을 갖추어 계속적으로 반복되는 접힘과 펴짐에도 찢어지거나 손상되지 않는다. 또한 최저 유리 전이 온도가 -65도로서 극저온 상황에서도 엘라스토머의 고무성질을 유지하여 자동차 부품의 어플리케이션에 매우 적합합니다.


사진8. 100,000번 압축 피로도 테스트를 진행한 후 CT Scan(CT스캐닝)한 ETR 출력물의 사진


ETR 출력물의 내구성 면에서도 실제 고무제품과 같이 반복되는 변형에도 찢어짐이나 변형이 생기지 않습니다. ETR의 제조사인 A사는 얇은 라티스 구조를 갖춘 출력물을 이용한 40%의 압축 피로도 테스트를 진행한 결과 약 100,000번의 압축 및 복원 테스트에도 찢어지거나 단절된 라티스 구조물이 없다는 것을 Micro CT 스캐닝 데이터를 통해 확인하였습니다.  


특히 ETR은 DM400A로 출력 시 복잡한 미세 패턴과 마이크로 디자인이 가능하여 위상 최적화 설계가 적용된 저밀도의 고강도 충격 흡수용 부품을 생산할 수 있습니다. 라티스 구조의 내면을 가져 밀도가 상대적으로 적으면서도 고강도의 복원력을 가진 기능성 부품을 제작할 수 있어 레진의 사용량을 줄이고 더 빠르게 출력할 수 있어 출력 비용을 절감할 수 있습니다. 이에 더하여 DM400A는 DUAL 2K광원을 이용한 대면적의 빌드 사이즈를 빠르게 출력할 수 있어 더욱 경제적이고 빠른 출력을 돕습니다.


아래 차트는 ETR소재를 경쟁장비 대비 DM400A로 출력했을 경우의 출력 속도와 처리량을 통한 효율성을 나타내는 비교표입니다.


사진9. 경쟁장비 대비 ETR 혹은 엘라스토머 출력 시 출력 속도와 처리량 비교표 (미국 A사 테스트 자료)


Engineering Elastic Tuoughrubber 소재의 특성



  1. ShoreA 90의 경도, 높은 찢어짐 강도, 높은 연신율과 고탄성, 인장강도 및 내구성을 갖춘 소재
  2. 고무 소재의 제한 없는 설계와 0.1mm 레이어 두께의 미세 형상을 표현 가능
  3. 100,000번의 40%의 압축 피로도 테스트에도 찢어지거나 단절지 않는 내구성
  4. -65도의 최저 유리 전이 온도를 갖추어 극저온 상황에서도 엘라스토머의 고무성질을 유지
  5. Top-Down DLP 3D프린터에 최적화되어 크고, 대량으로 빠른 출력이 가능
  6. One-part system으로 출력 전 소재를 섞기 위해 흔들어줄 필요가 없는 단일 중합체 구조
  7. 수조(VAT)내에서 안정적으로 유지되는 단일 중합체 구조로서 출력 후에도 오랜 시간 안정적으로 유지되어 다음 출력을 위해 계속적으로 사용 가능
  8. 시제품이 아닌 최종 부품으로 활용이 가능한 엘라스토머 소재


“DM400A로 출력한 ETR 출력물은 후가공이 거의 필요 없는 탁월한 표면조도를 자랑합니다. 대형 면적에서 고속으로 생산할 수 있어 맞춤형 고무 부품을 3D프린터로 양산하고자 하는 고객에게 가장 이상적인 DLP 3D프린터입니다.


 DM400A는 미국, 독일에서 200만 달러 규모의 납품 계약이 진행되어 국내보다는 해외에서 제품을 먼저 알렸습니다. ㈜캐리마는 국내에도 적극적인 홍보와 판매를 통해 국내 국방기관, 자동차업계, 전자부품산업, 가전산업, 의료 메디컬 및 오일 가스 산업 등에 초점을 맞추어 DM400A와 ETR 소재를 활용하여 새로운 어플리케이션의 출력물을 제작하고자 하는 모든 고객들에게 최선을 다하여 솔루션을 제공하고자 합니다.”


– 이광민 부사장 -


DM400A는 대형 빌드 사이즈에 맞추어 전용 CL1800 경화기가 함께 제공되고 있으며, ETR소재에 최적화된 빌드와 Auto-Scaffold 서포트 생성을 지원하는 “Magics for Carima” 소프트웨어가 함께 제공됩니다. 


㈜캐리마는 국내 산업용 3D프린터 전문 영업팀을 운영하여 DM400A 장비 컨설팅을 진행하고 있습니다. DM400A에 대한 제품 문의나 샘플 출력 테스트가 필요하다면 sales@carima.co.kr 혹은 02-3663-8877 대표번호로 문의로 장비 컨설팅을 받을 수 있습니다.