접착제 분사 공정은 ISO/ASTM 52900에 따르면 ‘분말재료를 결합시키기 위해 액체 상태의 접착제가 선택적으로 분사되는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which a Liquid Bonding Agent Is Selectively Deposited to Join Powder Materials)’과 같이 정의되어 있다.¹³ 재료는 분말 상태로 공급되어 일반적으로는 베드 위에 놓이게 되며 이는 분말 베드 융해와 유사하다. 베드 위에 놓인 분말에 단면 형상에 맞도록 접착제를 선택적으로 분사하고 이를 반복하여 3차원 형상을 제작하게 된다. 이때, 매우 작은 양의 접착제를 선택적으로 분말 위에 분사하기 위해서 잉크젯 프린터의 헤드와 유사한 원리의 노즐이 많이 사용된다.

이 공정은 1990년대 초반 미국 MIT 대학에서 처음으로 개발되었으며, 접착제를 다수의 노즐을 통해서 분사하는 것이 인쇄 공정과 유사하다고 하여 초기에는 3D 프린팅이라는 기술로 불렸다. 석고, 폴리머, 금속 또는 세라믹 분말들이 주요 재료로 사용되며 접착제 자체가 색을 가지고 있거나 혹은 별도의 컬러 잉크를 추가로 분사하여 다양한 색상을 갖는 3차원 형상을 제작할 수도 있다. MIT에서 개발된 기술은 엑스원(ExOne)사와 지코퍼레이션(Z Corporation)사에서 사용권을 획득하여 상용화되었으며, 지코퍼레이션사에서 개발한 초기 장치는 전분 분말에 물을 접착제로 사용하였다. 이후 다양한 분말 재료에 맞는 다양한 접착제를 분사하는 기술들이 개발되고 있다. 한편, 대형 제품의 제작이 가능한 VoxelJet 기술도 접착제 분사 기술의 한 종류이다.

ISO/ASTM 52900에 따르면 에너지 제어 용착은 ‘적층되어지는 재료를 용융시키기 위해 집속된 열에너지를 사용하는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Focused Thermal Energy Is Used to Fuse Materials by Melting as They Are Being Deposited)’으로 정의되어 있다.¹³ 에너지 제어 용착 공정에서는 기저부(Substrate) 가열, 기저부 용융 및 적층 재료의 용융을 동시에 수행하기 위하여 에너지를 좁은 영역에 집속한다. 이때 용융된 적층 재료는 기저부의 용융지(Melt Pool) 내부로 혼합된 후, 냉각됨으로써 적층 비드를 생성한다. 이 적층 비드의 선-대-선(Line-by-Line) 적층이 첫 번째 층을 생성한다. 첫 번째 층 위에 기저부와 적층재료 용융 및 기저부의 용융지 내 융융된 적층재료 혼합 및 냉각을 반복하여 연속적으로 새로운 적층 층들을 생성하고, 이 과정을 반복적으로 수행하여 3차원 제품을 제작하는 공정이다. 에너지 제어 용착 공정에 사용되는 집속된 열원(Focused Heat Source)으로는 레이저(Laser), 전자빔(Electron Beam) 및 용접 열원(Welding Heat Flux) 등이 사용되고 있다. 에너지 제어 용착 공정은 공급 재료(Feed Stock)에 따라 분말 공급형(Powder Feeding Type)과 선재 공급형(Wire Feeding Type)으로 구분할 수 있다.^28,30

레이저를 집속된 열원으로 사용하는 분말 공급형 에너지 제어 용착 공정에서는 독립된 분말 공급부를 이용하여 분말을 측면에서 공급하고 레이저를 기저부에 수직으로 조사하는 측면 분말 공급 방식과 동축 노즐을 이용하여 노즐의 중앙부에서는 레이저를 조사하고 중앙부 인근 노즐에서는 레이저의 초점 주위로 적층용 분말을 공급하며 노즐의 최외곽부에서는 보호 가스(Shield Gas)를 공급하는 동축 노즐 활용 방식으로 구분할 수 있다. 상용화된 분말 공급형 에너지 제어 용착 공정은 대부분 동축 노즐 활용 방식을 사용하고 있다. 에너지 제어 용착 공정은 미국의 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratory)에서 개발된 LENS (Laser Engineered Net Shaping) 공정으로부터 시작되었다. 그 후, 미국 미시간 주립대학교(Michigan State University)에서 CCD 카메라 2대로 적층부 높이를 실시간 모니터링하여 적층 높이를 제어하는 DED (Direct Energy Deposition) 공정이 개발되었다. LD (Laser Deposition)과 LC (Laser Consolidation) 공정은 조사하는 측면 분말 공급 방식을 사용한다. 선재 공급형 에너지 제어형 적층 공정으로는 집속 열원에 따라 4가지 정도로 구분할 수 있다. 레이저와 용접 열원을 사용하는 공정으로는 WLAM (Wire and Laser Additive Manufacturing) 공정과 WAAM (Wire and Arc Additive Manufacturing) 공정 등이 개발되었다. 전자빔을 집속 열원으로 사용하는 공정으로는 열전자 전자빔을 사용하는 EBF (Electron Beam Fabrication) 공정과 플라즈마 전자빔을 사용하는 PEBF (Plasma Electron Beam Fabrication) 공정이 개발/상용화되었다. 특히 EBF 공정의 경우 시아키(Siacky)사에 개발하여 항공기 부품 개발에 적용되고 있다.

재료 압출 공정은 ISO/ASTM 52900에 따르면 ‘노즐이나 오리피스를 통해 재료가 선택적으로 토출되는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Material Is Selectively Dispensed through a Nozzle or Orifice)’과 같이 정의되어 있다.¹³ 플라스틱이나 금속재료를 다이(Die)를 통해서 압출하는 공정은 오래 전부터 사용되고 있는 기계 제작 공정이다. 재료 압출 공정은 이런 전통적인 압출 공정에 기반한다. 즉, 유동성을 갖는 재료를 일정한 단면 형상을 가진 구멍 형상을 가진 노즐이나 오리피스 등을 통해서 압출하여 각 단면 형상을 만들고 이를 층층이 반복하여 3차원 형상을 제작한다. 일반적으로 재료들은 압출된 직후 유동성을 잃게 되어 단면을 형성하는 것이 일반적이다.

고체 상태의 열 가소성 수지를 필라멘트 모양으로 만든 것을 공급 재료로 사용하고, 이를 용융 압출 헤드를 통해서 녹이면서 압출하여 단면을 만드는 FDM 기술이 처음으로 개발된 재료 압출 방식의 적층 제조 기술이다. FDM 기술은 다른 적층 제조 기술들에 비해서 상대적으로 단순한 시스템으로 구성된 적층 제조 장치가 사용된다. 하지만 사용되는 재료 및 공정기술의 특성으로 인해 높은 해상도를 갖는 3차원 형상의 제작이 어렵지만 일반적인 열 가소성 수지가 재료로 사용될 수 있기 때문에 기존의 플라스틱 제품이 사용되는 곳에 적용하기가 용이하다. 또한 이를 바탕으로 직접 제품을 생산하는 DDM (Direct Digital Manufacturing)의 개념들도 적용되고 있다. 재료 압출 공정은 노즐이나 오리피스를 통해서 압출이 가능한 다양한 재료에 적용이 가능한 공정이다. 따라서 현재에는 플라스틱뿐만 아니라 콘크리트, 식품 재료 및 바이오 재료 등 다양한 재료를 사용하는 재료 압출 기술들이 개발되고 있다.

재료 분사 공정은 ISO/ASTM 52900에 따르면 ‘적층 재료의 액적을 선택적으로 적층하는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Droplets of Feedstock Material Are Selectively Deposited)’으로 정의되어 있다. 현재에는 광 경화성 수지나 왁스 등의 재료를 미세한 방울(Droplet)로 만들어 선택적으로 분사하여 단면을 만들고 이를 반복하여 3차원 형상을 제작하는 것이 대부분이다.¹³ 이 공정은 주로 잉크젯 프린팅 기술을 기반으로 하기 때문에 매우 높은 해상도를 갖는 3차원 형상의 제작이 가능하다.

현재 상용화된 재료 분사 공정은 이스라엘 오브젯 지오메트리스(Objet Geometries)사에서 개발된 P oly jet 기술이 시초이며, 이후 오브젯 지오메트리스사는 미국 스트라타시스사와 합병되었다. Polyjet 기술은 짧은 파장을 갖는 자외선에 의해서 경화되는 광 경화성 수지를 수백 개의 잉크젯 프린터와 유사한 노즐을 통해서 단면 형상으로 분사한다. 광 경화성 수지가 단면 형상으로 분사된 후에 자외선 램프로 이를 경화시켜 굳혀 단면을 만들게 되고 이를 반복하여 3차원 형상이 제작된다. 이후 미국 3D 시스템즈사에서도 MJP (Multi Jet Printing)라는 명칭의 유사한 기술을 개발하였다. 이들 기술들은 다수의 노즐을 통해서 다수의 재료를 하나의 단면에 분사할 수 있기 때문에 다양한 물성과 색상을 갖는 폴리머 재료를 하나의 단면에 성형하는 것이 가능하다. 따라서 만들어진 3차원 형상은 별도의 조립 과정을 거치지 않고도 다양한 색상 및 다수의 재료로 구성된 제품을 한 번의 공정으로 제작하는 것이 가능하다.

분말 베드 융해 공정은 ISO/ASTM 52900에서 ‘열에너지가 분말 베드의 영역을 선택적으로 융해하는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Thermal Energy Selectively Fuses Regions of a Powder Bed)’으로 정의되어 있다.¹³ 분말 베드 융해 공정은 분말 공급 장치(Feeder)를 이용하여 플라스틱/금속 분말을 분말 베드 위에 일정 두께로 도포한 후 고밀도 에너지원(High Density Energy Source)을 이용하여 분말을 소결 또는 용융시켜, 선-대-선 적층을 반복하여 첫 번째 층을 생성한다. 그 후, 생성된 층 위에 다시 분말 공급과 고밀도 에너지원을 이용한 선택적 분말 융해를 수행하여 새로운 층 생성을 반복하여 3차원 형상의 제품을 제작한다. 분말 베드 융해 공정은 분말 저장/공급부(Powder Delivery Stage), 적층부(Deposition Stage) 및 잔여 분말 보관부(Waste Storage Stage)로 구성된다. 분말 공급 장치는 롤러형, 갈퀴(Rake)형 및 롤러/갈퀴 혼합형 등이 개발되었다. 분말을 융해시키는 고밀도 에너지원으로는 레이저와 전자빔 등이 사용되고 있다.³⁰

분말 베드 융해 공정은 분말의 융해 상태에 따라 소결형과 용융형으로 구분될 수 있다. 상용화된 소결형 분말 베드 융해 공정들은 모두 레이저를 고밀도 에너지원으로 사용하고 있다. 소결형 분말 베드 융해 공정으로는 미국 텍사스 주립대학 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin)에서 개발된 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 공정과 독일에서 개발된 직접식 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering, DMLS) 공정이 대표적이다. DMLS 공정은 SLS 공정과 달리 저융점 분말과 고융점 분말의 2가지 분말을 혼합한 적층용 분말을 사용함으로써 저융점 분말은 용융시키고 고융점 분말은 표면만 용융시켜서 SLS 공정보다 적층 제품의 밀도를 현저히 향상시켰다. 용융형 분말 베드 융해 공정에는 레이저를 고밀도 에너지원으로 사용하는 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM) 공정과 전자빔을 고밀도 에너지원으로 사용하는 전자빔 용융(Electron Beam Melting, EBM) 및 플라즈마 전자빔 용융(Plasma Electron Beam Melting, PEBM) 공정 등이 있다. 용융형 분말 베드 융해 공정으로 제작된 제품의 밀도는 98% 이상으로 알려져 있다.³¹

판재 적층 공정은 ISO/ASTM 52900에서 ‘판재형 재료가 결합되어 제품을 성형하는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Sheets of Material Are Bonded to Form a Part)’으로 정의하고 있다.¹³ 판재 형태로 공급되는 재료를 한 층의 CAD 데이터와 같이 절단하고, 접합/브레이징/초음파 용접 등을 이용하여 절단된 부분을 기저부에 결합시켜 첫 번째 층을 생성한다. 그 후 다음 층에 대한 절단과 절단된 부분의 이미 생성된 층위에 적층하는 것을 반복하여 3차원 형상을 생성하는 적층 제조 공정이다. 이 공정은 층-대-층(Layer-by-Layer) 적층 방식으로 3차원 제품을 제작한다. 판재 적층 공정 중에서는 미국의 헬리시스(Helisys)사의 LOM (Laminated Object Manufacturing) 기술이 최초로 상용화된 것이다. 판재 적층 공정은 결합 방식에 따라 접착제(Gluing and Adhesive Bonding) 결합형, 열 접합과 클램핑형 및 초음파 용접형으로 구분할 수 있다. 또한 제작 순서에 따라 결합 후 성형 공정과 성형 후 결합 공정으로 분류할 수 있다.

접착제 활용 결합형 판재 적층 공정에서는 결합 후 성형 공정으로 LOM 기술이 대표적이며, 성형 후 결합 공정으로는 CAM-LEM, VLM-ST 기술 등이 개발되었다. 성형 후 결합 공정에서는 결합 후 성형공정의 단점인 장시간이 요구되고 노동집약적인 디큐빙(Decubing) 작업이 요구되지 않는 장점이 있으나, 접착제가 빨리 건조되어 층간 결합 시 문제가 발생할 가능성이 있다. 열 접합과 클램핑 활용 판재 적층 공정에서 결합 후 성형 방식을 사용하며, 대표적인 공정으로 철판 적층(Steel Lamination) 공정을 들 수 있다. 이 공정에서는 모두 레이저로 판재를 절단하여 각 층에 해당되는 형상을 제작하고 절단된 판재들을 브레징(Brazing)과 클램핑으로 결합한 후, 기계 가공으로 표면을 후 가공하여 최종 제품을 제작한다. 초음파 용착(Ultrasonic Consolidation) 공정에서는 결합 후 성형 방식을 사용하며, 알루미늄 포일을 초음파 용접으로 기저부 또는 이미 적층된 층 위에 용접한 후, 기계 가공 공정으로 적층부의 측면을 윤곽 가공하여 여러 층의 형상을 한번에 생성하며, 이 과정을 반복하여 목적하는 3차원 제품을 제작한다.

액조 광경화 공정은 ISO/ASTM 52900에 따르면 ‘광 중합 반응에 의하여 액조 내에서 액상 광경화성 수지가 선택적으로 경화되는 적층 제조 공정(Additive Manufacturing Process in Which Liquid Photopolymer in a Vat Is Selectively Cured by Light-Activated Polymerization)’으로 정의되어 있다.¹³ 즉, 액체를 담는 용기인 액조에 액체 상태의 광 경화성 재료를 담고 그 위에 특정 파장의 빛을 주사하면 광 경화성 수지가 고체 상태로 변화되는 광 중합 반응이 일어나는 현상을 이용하는 공정이다. 따라서 특정 파장의 빛을 단면 형상에 맞게 액체 광 경화성 수지에 주사하면 굳어지게 되어 단면이 만들어지고, 이것을 반복하여 단면을 층층이 성형하면 3차원 형상의 제품이 만들어지게 된다. 특히 자외선 레이저 빔을 단면 형태로 주사하거나 또는 자외선 광원을 DMD (Digital Micromirror Device)를 이용하여 선택적으로 반사시켜 단면을 만드는 기술들이 주로 사용된다.

액조 광경화 공정은 찰스 헐에 의해서 상용화된 SLA가 최초로 개발된 기술이다. SLA 기술은 자외선 레이저를 일련의 광학계를 이용하여 매우 작은 초점을 갖도록 만들고 이를 광 경화성 수지 표면에 주사하여 수지를 경화시켜 단면 모양의 층을 생성시킨다. 이후 유사한 기술로서 엔비전텍(Envision Tec)사의 3PS 기술도 발표되었다. 한편 자외선 광원에서 만들어진 빛을 수 μm 크기의 매우 작은 거울들의 배열인 DMD로 선택적으로 광 경화성 수지 위에 반사시켜 단면을 한번에 경화시켜 단면을 성형하는 DLP 기술도 개발되었다.

적층 제조 공정은 2차원적인 면의 제조와 누적을 반복하여 3차원적인 입체 형상을 구현하는 것에 기반을 두고 있다. 또한 이때의 면은 주로 평면이나 공정에 따라서는 곡면일 수 있으며, 제조에 사용되는 공정원리에 따라 재료는 면, 선 또는 점의 단위로 추가되어 면을 이룬다. 이때의 한 면을 하나의 ‘층’으로 보게 되며, 층은 일정한 두께로 만들어지는 것이 일반적이나 두께를 가변화하여 제작된 제품과 모델링된 목표 형상과의 오차를 저감하는 방법도 사용되고 있다. 이렇게 하나의 면을 만들기 위해 배열되거나 펼쳐진 재료의 집합을 물리적으로 층이라 할 수 있으며, 소프트웨어적으로는 3차원적인 입체의 구현을 위하여 2차원적으로 분할된 공간을 뜻한다.

적층 제조 공정으로 제작된 제품은 각 층이 누적되어 제조되었기 때문에 ‘적층물’로 불리거나 적층 제조 시스템의 출력이라는 의미에서 ‘출력물’로 불린다. 또한 만들어진 적층물을 활용하는 입장에서는 이를 ‘부품’ 또는 ‘제품’으로 다양하게 부를 수 있다. 이들은 모두 동일한 물체를 칭하는 것으로 실제적으로 제품의 전체 또는 일부를 구성할 수 있는 기능적 요소를 가진 적층 제조로 제작된 결합된 재료를 뜻한다. 물론 해당 적층물에 요구되는 기능은 제작자의 의도에 따라 결정되므로, 동일한 물체에 대해서 의도에 따라 적층물, 제품, 부품 등 다양하게 부를 수 있다.

일반적으로 적층 제조에서의 소프트웨어적인 전처리 공정은 입력받은 3차원 CAD 모델의 오류 검증, 오류 복구, 제작 방향 선정, 부품 배치, 슬라이싱(Slicing), 지지대 생성, 가공 경로 생성 및 G-Code 출력순으로 이루어진다. 이러한 일련의 작업은 모두 후속의 적층 작업을 계획하는 작업이므로 공정 계획(Process Planning) 작업이다. 그러나 산업 현장에서는 이러한 소프트웨어적인 처리를 모두 합쳐서 대표적인 공정 요소인 ‘슬라이싱’으로 부르는 것이 일반적이다.

적층 제조 장치에 의해 재료가 선택적 적층이 완료된 중간 부품(Green Part)의 상태에서부터 최종적으로 부품으로 활용되기 위하여 세척, 버(Burr)나 지지대의 제거, 후경화, 코팅, 절삭, 연마, 도색 등 부품의 품질을 향상하기 위하여 실시되는 보조 작업을 모두 ‘후처리’라고 한다. 최근의 금속재료를 사용하는 적층 제조 공정에서는 적층의 중간 또는 마지막 단계에서 중간 부품을 직접 절삭 또는 연삭하여, 정밀도가 높고 결함이 적은 부품을 생산할 수 있도록 절삭 가공기와 복합화하는 사례도 증가하고 있다.

새로운 재료를 이전의 제작 중인 중간 단계의 부품에 추가하기 위해서는 이를 부착할 위치에 사전에 제작된 부품이 필요하다. 그러나, 3D CAD 모델을 슬라이싱하면 새로운 재료를 부착할 중간 단계의 부품이 없을 경우가 있다. 즉, 위로 쌓아가는 적층 공정의 경우라면 아래 면이 비어있어 윗면을 쌓을 수 없는 경우가 있는 것이다. 이러한 경우에 최종 제품에는 필요하지 않지만 아래에서부터 재료를 미리 쌓아 두어 그 위에 새로운 면을 성형할 수 있도록 하는 것이 ‘지지대’이다. 이외에도 지지대는 중간 부품이 제작 도중에 넘어지거나 떨어져 이동되는 것을 방지하고 또한 제작 과정에서 부품의 변형을 방지하거나 열의 배출 등 다양한 역할을 수행하도록 사용되고 있다.

적층 제조 장치에 공급되어 최종적으로 부품이 되는 재료를 ‘공급재료’라 한다. 이는 적층 제조 장치에 직접 공급되어 사용될 수 있도록 가공된 단계의 원재료를 의미하며 일반적으로 액체, 분말, 현탁액, 필라멘트, 판재 등과 같은 다양한 형태로 공급된다. 카트리지(Cartridge)의 형태로 제조되어 장착하거나 사용중인 소재 용기에 추가(Refill)하여 사용이 가능하도록 제품화된 것으로 적층 제조 시스템에 직접 활용할 수 있도록 준비된 형태의 재료를 뜻한다.