3D 프린팅을 위한 제품 모델링 가이드 3가지

3D 프린팅 기술을 효과적으로 사용하기 위해서는 3D 프린터의 작동 방식뿐만 아니라 적절한 3D 모델링 리소스를 마련하는 것이 중요합니다. 이번 Hardware Guide에서는 3D 모델링의 세 가지 포인트에 대해 알아보겠습니다.;

3D 프린팅 기술은 제품 개발과 시제품 제작에 혁신적인 변화를 가져왔습니다.
이 기술을 효과적으로 활용하려면 적절한 제품 모델링 리소스를 마련하는 것이 중요합니다.
이번 가이드에서는 3D 프린팅을 위한 모델링 리소스를 마련하는 방법과
3D 프린터가 작동하는 방식에 적합한 모델 제작 방법에 대해 살펴보겠습니다.

 

1. 모델링 리소스

모델링 리소스는 무료 모델링 사이트를 이용해 다양한 3D 모델을 다운로드하거나, 실물이 있는 경우 3D 스캐닝을 통해 모델링하는 방법, 그리고 직접 CAD 소프트웨어를 사용해 맞춤형 3D 모델을 설계하는 방법이 있습니다. 이러한 다양한 접근 방식을 통해 3D 프린터에 적합한 형상 및 구조를 구현할 수 있습니다.

1) 오픈소스

오픈소스 모델링 사이트에서 다양한 3D 모델을 다운로드할 수 있습니다. 예를 들어, Thingiverse는 방대한 커뮤니티가 공유한 다양한 모델을 제공하며, MyMiniFactory는 전문 디자이너가 제작한 고품질의 모델을 제공합니다. Cults 역시 독창적인 디자인을 찾는 사용자에게 유용한 리소스입니다. 이러한 사이트는 초보자들에게 유용하며, 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

사이트를 통한 모델링 확보 방식은 접근성이 높고 비용이 들지 않습니다. 하지만, 주로 STL 파일 기반이기 때문에 형상 수정이 제한되는 편이며, 상업적 이용 역시 대체로 제한되는 편입니다.

Thingiverse.com, MyMiniFactory.com, Cults3d.com

2) 3D 스캐닝

실제 제품을 보유하고 있는 경우에는 3D 스캐너를 사용해서 형상 데이터를 얻을 수 있습니다. 3D 스캐닝 기술은 기성품의 형상을 디지털화하여 3D 모델로 변환하는 과정입니다. 용도에 맞는 3D 스캐너를 사용하여 제품의 세부 형상을 정확하게 측정할 수 있으며, 제품 모델링 리소스를 더욱 수월하게 마련할 수 있습니다. 이를 통해 기존 제품의 복제나 수정이 가능하며, 제품 부위별로 형상을 차용하여 새로운 형상을 개발하는 것도 가능합니다.

3D 스캐닝은 제품이나 도면이 없는 복잡한 형상의 기성품을 복제할 때 매우 유용합니다. 하지만, 내부 구조를 정확하게 반영하기 어려울 수 있고, 스캔 데이터의 후처리 작업이 필요할 수 있습니다.

 

3) 3D 모델링

최적의 방법은 직접 설계를 통해 맞춤형 3D 모델을 제작하는 것입니다. 이를 위해서는 Fusion 360, SolidWorks, Inventor와 같은 설계 소프트웨어나 Blender, 3Ds Max, Maya와 같은 디자인 소프트웨어를 활용할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어는 제품의 세부적인 부분까지 조정할 수 있으며, 모델링 수정도 용이합니다.

직접 모델링을 진행하면 완전한 자유도와 맞춤형 설계 및 디자인을 적용할 수 있습니다. 하지만 비숙련자의 경우에는 고도의 기술과 시간이 필요하며, 소프트웨어 라이선스 비용이 발생할 수 있습니다.

 

제품 개발 과정에서 3D 프린팅을 이용한다면, 제품을 테스트할 목적으로 이용하거나 시제품을 제작하기 위해 이용하곤 합니다. 때로는 3D 프린팅 출력 결과물이 그 자체로써 완제품에 사용되기도 합니다. 이러한 경우들에는 직접 3D 모델링을 진행하게 됩니다. 물론 기본적인 기구 설계 원리대로 진행해도 큰 무리는 없습니다. 하지만 더 효율적이고, 효용적인 모델을 마련하기 위한 방법은 없을까요?

 

2. 모델링 포인트

초기 설계 단계에서부터 적층 제조 방식에 대한 이해를 바탕으로 설계를 진행하면 효과적인 3D 프린팅이 가능해집니다. 각 공법과 재료의 특성에 따라 적절한 형태의 모델을 제작하고, 후처리 공정을 유념하여 모듈 단위 구조를 결정하며, 제품의 사용 환경과 부하 조건을 고려하여 출력 방향을 설정해야 합니다.

1) 제품 두께

3D 프린터 장비에 표기된 ‘적층 레이어 두께’ 스펙을 보고 이를 최소 두께라고 생각할 수 있지만, 이는 사실이 아닙니다. 장비의 스펙과 함께 프린팅 소재의 고유 물성, 그리고 제작할 형상에 따라 차이가 발생합니다.

일반적으로 최소 두께는 1~2mm 정도를 권장합니다. 보편적인 하우징 파트 출력을 예로 들면, SLS 방식으로 PA12 소재를 사용할 경우에는 1mm로도 충분한 내구성을 보입니다. SLA 방식은 소재마다 특성이 달라서 형상을 기준으로 판단하게 됩니다. FDM 방식의 장비는 노즐에 따라 다르지만, 통상 2mm 이상으로 설정해야 안정적인 출력이 가능합니다.

각 기준값 외에도 베드 접촉면을 활용해서 아웃라인 두께를 더 줄이거나, 의도적으로 형상 두께를 줄여 탄성도를 조절하거나, 기둥 구조의 경우는 파손에 더욱 취약하기 때문에 두께를 더 강화하는 등의 변칙적 활용도 가능합니다.

제품 두께는 제품의 강도와 내구성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 너무 얇은 벽은 3D 프린팅 과정에서 미구현되거나 파손될 수 있습니다. 구조적 강도가 중요하거나 하중이 많이 걸리는 부분은 최소 두께 이상으로 충분한 두께를 확보해야 합니다. 한편, 너무 두꺼운 벽은 더 많은 재료와 생산 시간이 필요하므로 궁극적으로는 리드타임에서 손해를 볼 수 있습니다.

 

2) 서포트 위치

서포트는 3D 프린터 출력 과정에서 기하학적 안정성을 유지하며 대상물을 지탱하는 역할을 하는 임시 지지대로써, 대개 45도 이상의 각도의 복잡한 형상을 출력할 때 필수적입니다.

서포트 구조는 최소화하는 것이 좋으며, 제거가 용이하도록 설계해야 합니다. 3D 프린팅이 종료된 후에는 서포트를 수작업으로 제거해 줘야 하는데, 서포트 접촉면 샌딩 과정에서 표면 품질(거칠기)이 저하될 수 있기 때문입니다.

서포트 생성을 최소화한 예시

초기 설계 단계에서부터 제품의 형상과 적층 방향을 고려하여, 서포트와 출력물 간의 접촉 면적을 최소화하여 후처리 과정을 간소화해야 합니다. 예를 들어, 제품의 길이 방향과 적층 방향을 일치시켜 적층하면 서포트가 많이 필요하지 않지만, 반대로 적층 방향이 수직일 경우 서포트가 많이 필요할 수 있습니다.

이와는 별개로 오버행 각도를 고려해서 서포트가 최소화되는 방향을 찾거나, 비교적 표면 품질(거칠기)의 중요도가 떨어지는 위치로 서포트 생성을 우회시키는 방법도 있습니다.

 

3) 적층 방향

3D 프린터는 적층형 제조 방식입니다. 한 층을 쌓고 나서 다음 층을 쌓는 것이 집을 짓는 과정과 비슷합니다. 적층 구간이 얼마나 반복되느냐는 장비 가동시간에 영향을 미치기 때문에, 적절한 적층 방향을 설정한다면 출력 시간을 단축할 수 있습니다. 이는 곧 비용의 절감으로 이어집니다.

SLS / SLA 적층 공정

또한 적층 방향은 제품의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 한 개 층 내에서의 결속이 층간 결속보다 대체로 강력하므로, 하중이 많이 걸리는 방향과 적층 방향을 일치시키면 하중 방향에 대한 제품의 강도를 높일 수 있습니다. 예를 들어, 길고 얇은 부품(샤프트)의 경우에는 세워서 출력하는 것보다 3D 프린터 베드에 눕혀서 출력하는 것이 내구성 측면에서 더 뛰어납니다.

적층 방향은 꼭 세우느냐 눕히느냐로만 결정되지는 않습니다. 장비와 제품에 따라 제작 의도에 부합하도록, 온도 변화에 따른 출력물 변형을 방지하면서, 적층 레이어 두께에 따른 표면 품질을 고려해 가며, 적절한 적층 방향을 설정하는 것이 필요합니다.

 

3. 경제적 모델링

3D 프린팅을 활용한 제조 방식은 재료 절감과 공정 단축을 중심으로 비용 효율성을 극대화할 수 있는데, 이는 제품 모델링 단계에서부터 고려해야 합니다. 일체형 구조로 설계해 조립 공정을 간소화하거나, 격자 형태 구조로 설계하여 제품 경량화와 재료 절감을 이룰 수 있고, 적층 방향과 서포트 구조를 최적화해 출력 시간을 단축하고 후처리 과정을 최소화할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 3D 프린팅의 경제적 이점을 최대한 활용하여 혁신적인 제품 개발을 가능하게 합니다.

1) 부품 통합

3D 프린팅은 전통적인 제조 방식과 달리 언더컷 구조를 구현할 수 있습니다. 언더컷은 성형물이 금형으로부터 사출되기 어려운 구조 또는 가공 팁이 들어갈 수 없어 제품을 조형하기 어려운 형상을 말합니다. 기존에는 이를 해결하기 위해서는 추가 공정에 따른 비용 증가 혹은 파팅라인에 의한 표면 품질 하락을 감수해야 했습니다.

언더컷 구조를 가진 모델

3D 프린팅이 언더컷 구조에서 자유롭다는 의미는 기능 단위로 개별 생산할 필요가 없다는 의미입니다. 배터리 결속부와 기판 결속부를 일체형으로 설계하거나, 제품 하우징의 상·하부를 일체형으로 설계하는 등, 복잡한 형상과 언더컷이 있는 부품을 한 번에 출력할 수 있습니다. 더 나아가서는 회전 가능한 부품들을 추가적인 조립이나 가공 없이 3D프린팅을 통해 동시에 출력할 수 있습니다.

이렇게 3D 프린팅 특성을 고려하여 설계를 진행한다면 비용 절감과 부품 리스트(BOM) 간소화 및 공정 단축은 물론, 기존에는 없던 새로운 제품을 기획할 수 있습니다.

조립과정과 파팅라인이 없는 일체형 제품

 

2) 재료 절감

3D 프린팅에서 재료 절감을 위해 내부 구조를 비우는 형태로 설계하는 것은 매우 효과적입니다. 이는 제품의 경량화를 도모하며, 출력 비용과 시간을 절감하는 데 큰 도움이 됩니다. 적절한 재료 절감 설계를 통해 강도와 내구성을 유지하면서도 비용을 최소화할 수 있습니다.

내부 구조를 비우는 방법은 전체적인 무게를 줄이는 데 유용합니다. 내부를 비움으로써 재료 사용량을 줄일 수 있으며, 이는 곧 출력 시간의 단축으로 이어집니다. 이 방법은 특히 하우징, 쉘 및 캐싱과 같은 부품에서 자주 사용됩니다.

더 정교한 접근 방식인 ‘격자 구조’를 통해 제품의 강도를 유지하면서도 중량과 비용을 절감하는 것도 가능합니다. 예를 들어, 나일론과 같은 고성능 소재를 활용하면 적은 양의 재료로도 높은 내구성을 가질 수 있습니다. 이를 통해 제품의 전체 비용을 절감하고, 경제성을 높일 수 있습니다.

3D 프린터로 생산한 제품

 

3) 공법별 설계

리드타임 단축을 위해서는 3D 프린팅 방식을 고려한 모듈화 설계가 필요합니다. 예를 들어, 정밀한 형상이 필요한 경우에는 SLA 방식을 사용하여 높은 표면 품질을 구현할 수 있지만, 단순한 형상이나 표면 품질이 중요하지 않은 모델은 FDM 방식으로 빠르게 출력할 수 있습니다.

SLS 방식은 별도의 서포트가 필요 없기 때문에, 일부 부품을 서로 중첩되게 설계하여 공간을 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이는 출력 베드 위의 공간을 절약하고 한 번에 더 많은 부품을 출력할 수 있게 합니다. 3D 프린터 베드(조형 공간)에 최적의 배치로 구성한다면 출력 시간을 최대 30%까지 절감할 수 있습니다.

3D 프린팅 베드 최적화 배치

이러한 점 덕분에 3D 프린팅은 특히 시제품 제작에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 개발 제품을 구성하는 여러 부품을 1개씩 갖추어야 시제품을 조립할 수 있다면, 3D 프린터는 다양한 부품을 동시에 출력할 수 있어 생산 시간을 크게 단축할 수 있습니다. 이는 각 부품을 별도로 생산해야 하는 전통적인 방식과 비교해 큰 장점입니다. 특히 다품종 소량생산에서 더욱 빛을 발합니다.

 

마치며

3D 프린팅을 위한 제품 모델링은 신중한 계획과 설계가 필요합니다. 벽 두께, 출력 방식, 적층 방향, 서포트 구조, 비용 절감 방법 등 다양한 요소를 고려하면 최적의 모델을 설계할 수 있습니다. 한양3D팩토리는 이러한 모든 과정을 지원하며, 고객 맞춤형 솔루션을 제공합니다. 문의하시면 최적의 3D 프린팅 모델링 서비스를 제공해 드리겠습니다.

한양3D팩토리는 최신 기술과 경험을 바탕으로 고객의 요구를 충족하는 맞춤형 3D 프린팅 솔루션을 제공합니다. 고객의 성공적인 제품 개발을 위해 최선을 다하겠습니다. 언제든지 문의해 주시면 친절히 상담해 드리겠습니다.