투명 3D 프린팅: 알아야 할 모든 것

투명 소재는 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 적층 제조 기술의 최신 도약과 함께, 3D 프린팅은 투명한 물체를 제작하는 데 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 예를 들어, 투명 3D 프린팅은 카메라나 현미경과 같은 정밀 기기에 사용되는 렌즈, 프리즘, 도광체 등 복잡한 광학 부품을 제작하는 데 사용될 수 있습니다.

이 블로그 게시물에서는 투명한 3D 출력물을 완성하는 데 도움이 되는 투명 3D 프린팅 방법, 기술, 그리고 관련 원자재 선택 등 투명 3D 프린팅에 대해 알아야 할 정보를 소개합니다.

투명 3D 프린팅의 원리

투명 3D 프린팅 기술은 주로 광경화 3D 프린팅(SLA)과 융합 적층 모델링(FDM)과 같은 기술에 의존합니다. SLA 기술은 광원을 사용하여 광경화성 수지를 선택적으로 경화시켜 투명한 물체를 층층이 제작합니다. FDM은 필라멘트를 사용하여 3D 모델을 제작하는 방식으로, 필라멘트가 노즐 안에서 가열된 후 층층이 분사되어 물체의 형상을 만듭니다.

어떤 프린팅 기술을 선택해야 할까요? SLA는 프린팅 원리, 소재 특성, 그리고 최종 출력물의 표면 품질과 투명도 측면에서 FDM보다 투명 3D 프린팅에 더 적합합니다. SLA는 레이저를 사용하여 액체 상태의 광경화성 수지를 층층이 경화시킵니다. 이 방식은 레이저 빔이 경화 위치와 범위를 정밀하게 제어할 수 있고 레이어 간 결합이 매우 균일하여 레이어 라인이 거의 나타나지 않기 때문에 매우 높은 프린팅 정밀도와 디테일을 구현할 수 있습니다. 이러한 균일성은 높은 투명도를 구현하는 데 필수적입니다. 또한 SLA에 사용되는 광경화성 수지는 경화 후 매우 투명해질 수 있으며, 소재 자체가 높은 광학적 특성을 가지고 있어 높은 균일성을 유지하고 소재 내부의 미세한 기포와 불균일성을 줄일 수 있습니다. 출력된 모델의 표면은 매우 매끄럽고 디테일이 선명합니다. 후처리 없이도 높은 투명도를 구현할 수 있으며, 간단한 연마 및 광택 작업으로 투명도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

반면 FDM은 열가소성 필라멘트를 층층이 가열 및 압출하여 물체를 형성합니다. 출력된 레이어 두께가 크고 정밀도가 낮으며, 레이어 사이에 뚜렷한 레이어 라인이 나타나고 레이어 간 결합이 SLA만큼 균일하지 않아 이러한 층간 경계면에서 빛이 산란되어 투명도에 영향을 미칩니다. FDM에도 투명 소재 옵션이 있지만, 이러한 소재는 압출 및 냉각 과정에서 내부 기포와 층간 불균일이 발생하기 쉬우며, 이러한 결함은 최종 출력물의 투명도를 저하시킵니다. FDM으로 출력된 물체의 표면은 비교적 거칠어 매끄럽게 만들려면 많은 후처리 작업이 필요합니다. 그렇게 하더라도 레이어 라인은 여전히 최종 투명도에 영향을 미칩니다. FDM 3D 프린터로 투명 프린팅에 적합한 최적의 설정을 찾는 것은 까다로운 과정으로, 사용 중인 장비와 선택한 소재에 맞는 최적의 파라미터를 실험을 통해 찾아야 합니다. 조정해야 할 설정에는 소재 압출 온도 및 유량, 출력 베드 온도, 출력 속도, 레이어 높이 두께, 노즐 직경 등이 포함됩니다.

다만 완전히 투명한 출력물을 구현하기는 어려울 수 있지만, 최대한 높은 투명도를 달성하기 위해 할 수 있는 몇 가지 방법이 여전히 존재한다는 점에 유의해야 합니다.

투명 3D 프린팅에서 최대 투명도 구현하기

출력할 3D 모델의 경우, 형상이 복잡할수록 빛을 더 많이 굴절시켜 투명도가 떨어지는 경향이 있습니다. 이는 곡선이 빛의 경로를 바꾸기 때문에 곡면 디자인에서 특히 두드러집니다. 따라서 빛의 굴절을 최소화하려면 가능한 한 벽 두께를 얇게 모델링하는 것이 좋습니다. 이는 벽이 두꺼울수록 빛을 더 많이 산란시켜 3D 출력 후 더 불투명한 외관을 만들기 때문입니다. 다만 모델의 파손과 같은 문제를 방지하기 위해 해당 기술에서 요구하는 최소 벽 두께에도 유의해야 합니다.

3D 프린팅에서 최대 투명도를 구현하려면 소재 선택, 출력 설정, 후처리 기술을 세심하게 최적화해야 합니다. 고품질의 투명 소재를 선택하는 것이 높은 투명도를 구현하기 위한 첫걸음입니다. SLA(광조형)의 경우 Formlabs의 Clear Resin이나 Anycubic의 Clear Resin과 같이 경화 후에도 높은 투명도를 유지할 수 있도록 특별히 설계된 투명 광경화성 수지를 사용해야 합니다. FDM(융합 적층 모델링)의 경우 eSUN의 Clear PLA나 Prusament의 PETG와 같이 용융 및 냉각 과정에서 비교적 투명한 구조를 형성할 수 있는 고투명 열가소성 필라멘트를 선택해야 합니다.

출처: https://3dprint.com/57124/formfutura-hdglass-filament/

출력 파라미터를 최적화하는 것도 중요합니다. SLA 출력의 경우 레이저 출력과 스캔 속도를 조정하여 각 레이어가 고르게 경화되도록 하고, 얇은 레이어 두께(예: 25~50마이크론)를 선택하여 각 레이어의 균일성과 정밀도를 확보하며, 레이어 간 경계면을 줄여야 합니다. FDM 출력의 경우 적절한 압출 온도와 속도를 선택하여 소재가 균일하게 용융 및 적층되도록 하고, 내부 기포와 불균일을 줄이며, 더 낮은 레이어 두께(예: 0.1mm)와 더 높은 레이어 높이를 사용하여 레이어 라인이 눈에 덜 띄게 해야 합니다. 또한 출력 환경을 안정적으로 유지하고 온도 변화와 바람의 영향을 피하는 것도 더 높은 투명도를 구현하는 데 도움이 됩니다. 후처리는 최대 투명도를 구현하기 위한 마지막 단계입니다. SLA 출력의 경우 이소프로필 알코올과 같은 용제로 미경화 수지를 충분히 세척한 후 UV 광선으로 2차 경화를 진행하며, 단계적인 연마와 광택 작업으로 미세한 표면 결함과 레이어 라인을 제거하여 최종적으로 매끄럽고 투명한 표면을 구현할 수 있습니다. FDM 출력의 경우 고운 사포로 표면을 점진적으로 연마하거나, 광택제를 사용해 수작업 또는 기계로 광택을 내거나, 화염 연마 기술을 사용하여 표면을 빠르게 가열해 녹인 후 재응고시켜 투명도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이러한 단계들을 결합하면 다양한 까다로운 용도의 요구 사항을 충족하는 광학적으로 투명한 3D 출력물을 제작할 수 있습니다.

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