고속 조형(rapid prototyping)은 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD) 데이터를 사용하여 물리적 부품 또는 조립품의 축척 모형을 신속하게 제작하는 기술 그룹을 가리킨다. 영문 용어인 래피드 프로토타이핑(rapid prototyping)의 번역어이며, 부품 또는 조립품의 제작은 일반적으로 3차원 인쇄(3D 프린팅) 기술을 사용하여 이루어진다. 적층 제조(additive manufacturing) 또는 쾌속 조형이라고도 불린다.
고속 조형의 첫 번째 방법은 1987년 중반에 등장하였으며, 초기에는 모형과 프로토타입 부품을 생산하는 데 사용되었다. 오늘날 이 기술은 항공우주, 자동차, 의료, 제품 개발, 금융 서비스 등 광범위한 응용 분야에 사용되며, 비교적 적은 수의 생산 품질 부품을 제조하는 데에도 활용된다.
작동 원리
전통적인 고속 조형 과정의 워크플로는 CAD 워크스테이션을 사용하여 3D 솔리드 모델로 기하학적 데이터를 생성하는 것으로 시작된다. 생성된 데이터는 유효한 기하학적 모델을 나타내야 하며, 이는 경계면이 유한한 부피를 둘러싸고 내부를 노출하는 구멍이 없으며 자체적으로 접히지 않는 모델이어야 한다. CAD 후처리기는 내부 CAD 기하학적 형태를 단순화된 수학적 형태로 근사화하며, 이는 일반적으로 STL 파일 형식으로 표현된다. 이후 준비된 기하학적 모델은 레이어로 슬라이스되고, 각 슬라이스는 선으로 스캔되어 레이어별 물리적 빌딩 프로세스를 수행한다.
주요 종류
고속 조형 기술에는 다음과 같은 다양한 방식이 포함된다.
- 광조형(SLA, Stereolithography): 레이저를 사용하여 액상 광중합체 수지를 층별로 경화시킨다.
- 선택적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering): 레이저로 분말 재료를 소결하여 층을 쌓는다.
- 직접 금속 레이저 소결(DMLS, Direct Metal Laser Sintering): 금속 분말을 레이저로 소결하여 금속 부품을 제작한다.
- 용융 적층 모델링(FDM, Fused Deposition Modeling): 열가소성 필라멘트를 용융 압출하여 층층이 쌓는다.
- 멀티젯 퓨전(MJF, Multi Jet Fusion): 분말층에 잉크젯 배열로 선택적 용융을 적용한다.
- 폴리젯(PolyJet): UV 경화성 액상 수지를 분사하여 층을 형성한다.
- 컴퓨터 수치 제어 가공(CNC): 절삭 공구를 사용하여 고체 재료에서 부품을 깎아낸다.
역사
고속 조형 기술의 개념적 뿌리는 19세기 지형학과 사진 조각(photosculpture)의 관행에서 찾을 수 있다. 1892년 블란터(Blanther)는 융기된 지형도를 만들기 위한 계층화된 방법을 제안하였고, 1860년 프랑수아 빌렘(François Willème)은 24대의 카메라로 물체를 촬영하여 3차원 복제품을 만드는 사진 조각 기술을 선보였다.
현대적 고속 조형의 출발점은 1986년 3D 시스템즈(3D Systems)를 공동 설립한 찰스 헐(Charles Hull)이 최초의 스테레오리소그래피(SLA) 공정을 개발한 것으로 평가된다. 1981년에는 나고야 시립 산업 연구소의 고다마 히데오가 광중합체 고속 조형 시스템을 사용한 솔리드 모델에 대한 설명을 처음으로 발표하였다. FDM 방식의 최초 3D 고속 조형 시스템은 1992년 4월 스트라타시스(Stratasys)에 의해 만들어졌다.
장점과 단점
고속 조형의 장점으로는 설계 과정의 가속화, 생산 비용 절감, 기능성 테스트의 용이성, 설계팀의 위험 부담 감소 등이 있다. 단점으로는 3D 모델의 치수 오차로 인한 정확도 부족 가능성, 초기 장비 비용의 부담, 사용 가능한 재료의 제한, 복잡한 디자인의 경우 고숙련 노동이 필요할 수 있다는 점 등이 지적된다.
