정보 & 소식

HARP 방식의 3D프린터 - DLP보다 20배 큰 출력물을, SLA보다 100배 빠른 3D프린팅 프로세스
2020-01-20 14:44:27

<HARP 방식의 3D프린터, 이미지: Azul>

 

미국의 Northwestern 대학에서 spin-out 한 Azul 이라는 스타트업이 발표한 3D프린팅 방식인 High Area Rapid Printing(HARP)의  기본적인 원리는 DLP 방식과 유사합니다. 하지만, 출력크기는 일반적인 DLP 장비의 20배, 출력속도는 일반 SLA 장비의 100배라고 합니다. 그 결과 재료 처리량(throughput)은 무려 2,000배 라고 합니다. 

 

이 HARP 기술을 적용한 프로토타입 장비는 Z축 높이 약 4m,  출력가능한 베드판의 X, Y 크기는 약 76cm x 76cm 이며, 출력속도는 Z축으로 시간당 약 45cm 씩 출력한다고 합니다.

1시간에 출력물 높이가 45cm씩 올라간다니, 정말 대단하지 않습니까?

이  엄청난 성능을 자랑하는 3D프린터는 18개월 정도 후에 상업화할 계획이라고 하며, Science 저널 에도 이미 소개가 되었습니다.

작동하는 동영상입니다.

 

HARP 방식은 어떤 원리로 작동할까요?

서두에 말씀드린대로, 기본 원리는 DLP 방식과 유사합니다만, 속도가 빠른 카본3D프린터 처럼 약간 개선을 하였습니다.

레진소재를 사용하는 3D프린터의 한계중의 하나는 열(heat)입니다. 빠른 속도로 출력을 할때 열이 발생하는데, 때때로 180도가 넘기도 합니다. 뜨거운 표면이 위험하기도 하고, 출력물의 크랙과 변형을 유발하기도 합니다. 출력속도가 빨라질수록 열은 더욱 뜨거워 집니다.

이를 해결하기 위해 액상 테플론(liquid Teflon)같은 눌러붙지않는 액상 물질을 사용했습니다.  이 액상 물질(사이언스 저널에서는 oil이라고 표현) 이 열을 제거하고, cooling unit통해 순환됩니다. 이로인해 레진통의 바닥면에서 붙었다 떨어지는 반복적인 과정을 하지 않아도 되기 때문에, 출력속도가 백배 빨라질 수 있다고 관계자는 설명을 했습니다.

 

<HARP 방식 개요 그림, 이미지: 사이언스 저널>

 

즉, HARP 방식은 기계적으로 출력물과 레진통 바닥면이 붙었다 떨어지는 과정을 없애고, 액상레진이 경화되는 과정에서 발생하는 열문제를 해결한 것입니다. 

거기다가 다양한 소재를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 

Carbon3D는 산소가 투과할 수 있는 레진통 바닥면과 Dead Zone 이라고 불리는 출력물과 레진통의 바닥면 사이의 얇은 공간을 통해서 연속적인 출력이 이루어집니다. 즉, 레진소재가 산소투과성이어야 한다는 제약사항이 존재하게 됩니다. 하지만, HARP 방식에서는 그러한 제약이 없습니다.

사이언스 저널에 따르면, hard polyurethane acrylate, an elastomeric butadiene rubber, silicon carbide ceramic 등은 Carbon3D와 같은 산소(Oxygen) 와 연관된 기술방식에서는 출력할 수 없지만, 여기서는 가능하다고 합니다.

 

 

 

Azul3D의 CEO인 Hedrick은 "우리가 구상하는 이 기술의 구체적인 활용은 산업용 수준부품들의 직접 제조입니다. 재료처리량(throughput)은 프로토타입 제작과 제조의 차이를 메우기 위한 퍼즐 조각입니다. 3D 프린팅은 맞춤 제작 및 현지화 생산과 같은 뛰어난 장점이 있습니다. 하지만, 생산 관점에서 보면 재료처리량과 비용이 걸림돌이 되었습니다. 우리는 이 기술이 이러한 문제들을 해결할 수 있는 방법이라고 생각합니다. 이를 통해 제조업체는 프로토타이핑 업계에서 이미 보았던 3D프린터의 뛰어난 장점을 누릴 수 있게 될 것입니다." 라고 말하였습니다.

 

 

 

 

<3DGURU Opinion>

HARP 방식의 탄생배경은 아이러니합니다. 왜냐하면, 가장 작은 3D프린터를 제작하기 위해 개발한 기술이었는데, 오히려 큰 출력물을 제작하기 위한 3D프린터에 사용되었기 때문입니다. 과학계에서 이런 의외성은 종종 회자가 되곤 하지요.

 

이 방식이 속도가 빠르고, 큰 출력물에 이점이 있다보니, 출력속도가 빠른 3D프린터의 대명사처럼 얘기되는 Carbon3D와 비교가 될 수 밖에 없습니다. 현재까지 디펜딩 챔피언 같은 이미지를 가지고 있으니까요. 

 

레진 소재의 3D프린터는 레진통의 바닥면과 출력물이 접촉된 상태에서 UV광선이나 레이저등으로 액상 레진을 경화시키고, 접촉된 면이 잠시 떨어지면, 다음 레이어에 적층될 액상레진들이 공급되고, 다시 접촉되는 과정을 반복하며 3D형상을 만들어갑니다. 

하지만, Carbon 3D는 산소투과 레진통 바닥면과 Dead Zone이라는 것을 이용하여 붙었다 떨어지는 과정을 없애며, 빠른 속도로 출력이 가능하게 만들었습니다. 

Formlabs의 Form3 장비는 레진통의 바닥면을 딱딱하지 않은 플렉서블하게 하여 출력품질을 향상시켰습니다.

그리고, 이번에 소개된 HARP 방식은 Oil 이라고 불리는 것을 유리로된 레진통 바닥면과 출력물 사이에서 순환시키며, 상승하는 열을 잡고, Carbon3D와 같이 붙었다 떨어지는 과정을 없애며 출력속도를 향상시켰고, 1시간에 45cm 정도나 되는 높이를 적층할 수 있다고 합니다. 게다가 Carbon3D 는 산소투과성 소재를 사용해야하는 제약사항이 있는데, 이 방식은 이 부분에 대해서도 자유롭다고 하니, 이론적으로는 장점이 더 많아보입니다.

 

하지만, 좀 걱정되는 면도 있습니다. 

레진을 사용하는 데스크탑 3D프린터들은 출력물들이 꺼꾸로 매달리는 형태로 출력을 합니다. 이는 3D프린터 크기를 줄이기 위해 DWS사에서 처음 개발한 방식입니다. 하지만, 산업용 대형 SLA 3D프린터들을 보시면, 꺼꾸로 매달리는 형태가 아니라, 일반적으로 위로 올라오는 형태입니다.

꺼꾸로 메달려서 출력되는 방식에서는 출력물의 크기가 크거나 무게가 좀 나간다면, 출력물이 출력중에 떨어지는 경우를 종종 볼 수 있습니다. 접착력이 중력을 못이기고 떨어지는 거죠.

HARP 방식을 보면, 꺼꾸로 매달려서 출력이 되는 형태를 띄고 있는데, 대형 출력물에 장점이 있다고 합니다. 물론 이 방식은 일반적인 DLP 방식처럼 접촉면이 붙었다 떨어지는 과정이 없으므로, Z축 방향으로 힘을 훨씬 덜 받기는 할 것입니다만, 어느정도 무게나 크기를 넘어서면 떨어질 수 있을 것 같습니다.

 

그동안 Carbon3D보다 더 빠르다고 광고하는 레진 프린터들도 등장했으나, 시장에서 별다른 주목을 받지못했었습니다.

Carbon 3D 제품이 처음 TED강연에서 소개되었을때 참 혁신적이었고, 기존의 대형 3D프린터 업체들을 압도하는 기술력으로 아디다스, 포드자동차,  스페셜라이즈드 자전거 등과 협업을 이어나가고 있고, 이미 유니콘으로 인정받고 있습니다.

 

Azul3D는 Northwestern 대학에서 Spin-out한지 얼마 안되었고, 아직 상용화된 제품을 출시한 것도 아닙니다. 하지만, 사이언스 저널같은 저명한 학술지에 발표도 하고, 빠르게 제품을 상용화하기 위해 노력하는 모습이 보입니다. 

기능상으로는 Carbon3D 제품을 능가하는 기술력을 선보이고 있습니다. 매력이 있는 기술입니다. 물론, 아직까지 언급되지 않는 단점들도 있을 것입니다. 

또한, 뛰어난 기술을 실제 상용화 제품으로 만드는 것은 사실 별개의 문제이기도 합니다만, 이런 혁신적인 기술력을 가진 3D프린팅 스타트업들의 등장으로 3D프린팅 기술이 향상되고, 3D프린팅 업계는 더욱 활성화될 것입니다. 

 

참고 : 노스웨스턴대학 기사, 사이어스 저널, 엔지니어링닷컴 기사

 

이상입니다. -3D그루-

 

 

크리에이티브 커먼즈 라이선스
top