3D 프린팅 기술의 발전은 단순한 시제품 제작을 넘어, 실제 기계 부품을 생산하는 수준까지 도달했습니다. 특히 복잡한 형상이나 소량 맞춤형 부품 제작에서는 기존 가공 방식보다 훨씬 빠르고 효율적입니다. 하지만 기계설계자가 3D 프린팅을 활용하려면, 설계 초기부터 출력 조건을 고려한 접근이 필요합니다. 이번 글에서는 3D 프린팅과 기계설계가 어떻게 연결되어 있는지, 실무에서 고려할 핵심 포인트를 정리해보았습니다.
1. 3D 프린팅의 기본 원리와 설계 연계
1) 적층 제조(Additive Manufacturing)
재료를 한 층씩 쌓아 올려 형상을 만드는 방식으로, 기존 절삭 방식과 달리 재료 낭비가 적고 복잡한 내부 구조도 구현 가능
2) 기계설계와의 연계
- 기존에는 불가능했던 형상 설계가 가능 - 내부 구조 최적화, 경량화, 유기적 형상 구현 등 설계 자유도 확장
2. 3D 프린팅에 적합한 설계 특징
1) 서포트 최소화 구조
- 오버행(돌출 형상) 최소화 - 경사 45도 이내 유지 → 서포트 없이 출력 가능 - 브릿지 구조는 짧게 설계
2) 재료 절약형 설계
- 내부를 비우는 ‘허니콤 구조’ 또는 ‘인필(밀도) 설정’ 고려 - 무게 감소 + 출력 시간 단축
3) 일체형 구조 설계
- 조립 필요 없이 한 번에 출력 가능하도록 형상 구성 - 힌지, 클립, 스냅 결합구조 등 일체형 메커니즘 설계 가능
3. 출력 기술별 설계 고려사항
FDM (Fused Deposition Modeling)
- 저가형 프린터에서 주로 사용 - 재료: PLA, ABS 등 - 제한사항: 오버행, 지지대 구조, 층결합 강도 약함
SLA (광경화 수지 방식)
- 고해상도, 정밀 출력 가능 - 얇은 벽 두께, 곡면 표현 우수 - 세척 및 후경화 필요 → 구조 안정성 고려
SLS (분말 적층 방식)
- 서포트 없이 자유 형상 출력 - 강도 우수, 실사용 부품 제작 가능 - 단점: 장비 고가, 표면 거칠음
4. 설계자가 고려해야 할 핵심 포인트
1) 출력 방향 설계
- 층 방향으로 인한 강도 차이 고려 - 하중 방향에 따라 출력 방향 선정
2) 공차와 후처리
- ±0.2~0.5mm 정도의 출력 오차 고려 - 후가공 여유를 두고 조립면 설계
3) 재질 특성 반영
- ABS: 강도 우수, 내열성 - PLA: 친환경, 쉬운 출력 - 나일론, TPU 등 기능성 소재 고려 시 사전 테스트 필요
5. 실무 적용 사례
1) 시험용 프로토타입
- 기구 설계 검토, 동작 확인을 위한 간이 시제품 - 빠른 반복 설계에 유리
2) 조립 치구, 가이드, 커버류
- 소량 다품종 설비 부품 제작에 유리 - 복잡한 형상도 짧은 시간에 제작 가능
3) 경량 구조물
- 내부 중공 구조 + 보강 리브로 하중은 유지하면서 무게 절감 - 항공/드론 부품에 적합
마무리하며
3D 프린팅은 단순한 출력 기술이 아닌, 설계 사고방식을 바꾸는 강력한 도구입니다. 기계설계자는 출력 방식과 재료의 특성을 이해하고, 그에 맞는 설계를 진행해야 효율적인 결과를 얻을 수 있습니다. 특히 시제품 제작, 특수 구조 구현, 맞춤형 부품 등에서는 3D 프린팅을 활용한 설계가 압도적인 경쟁력을 발휘합니다. 적층 제조 기반의 설계를 경험해보면, 설계의 폭이 훨씬 넓어짐을 느끼게 될 것입니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
1. 모든 부품을 3D 프린터로 출력할 수 있나요?
아닙니다. 강도, 정밀도, 내열성 등의 한계가 있기 때문에 용도에 따라 출력 가능 여부를 판단해야 합니다.
2. 일반 CAD 도면으로 바로 출력 가능한가요?
형상은 가능하지만, 출력 형식(STL 등), 스케일 조정, 벽 두께 등 사전 가공이 필요합니다.
3. 출력 방향에 따라 부품 강도가 달라지나요?
네. 적층 방향에 따라 응력이 집중되는 방향이 다르므로, 강도가 필요한 방향은 층 방향과 직각이 되도록 출력하는 것이 좋습니다.