FDM기술 창시자 – Stratasys창립

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스콧 크룸은 딸에게 글루건으로 장난감을 만들어 주다가 아이디어를 얻었다고 한다. 이 아이디어로 스트라타시스를 설립하고 특허를 출원한다. 스트라타시스는 현재 3D 프린터 세계 점유율 1위다.

FDM 관련 주요 특허 중 일부는 2009년 만료되어 FDM 방식을 사용하는 RepRap(http://reprap.org/) 등의 오픈소스 하드웨어 프로젝트가 가능해졌으며 이는 Printrbot, MakerBot과 같은 개인용/저가형 3D 프린터 출시로 이어졌다.

현재 개인이 구입할 수 있는 3D 프린터의 대부분이 FDM 방식을 사용하고 있다.

사실 “FDM”은 “스트라타시스”가 저작권을 가지고 있는 트레이드마크로 타사에서는 같은 방식을 “FFF(Fused filament fabrication)” 라고 한다.

 

FDM방식 특허도면

< 스콧 크룸의 FDM 특허 도면 : 미국 특허청 >
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FDM이란 소재를 결합시켜 형상을 만드는 첨삭가공의한 방식이다. 이 기술은 필라 멘트 상태의 고체 수지 재료를 녹여 겹겹이 쌓아 물체를 만든다. 원리는 이렇다. 필라 멘트 와이어로 된 재료 ABS를 앞뒤좌우 이동이 가능한 헤드에 조금씩 삽입한다. 헤드는 이 와이어를 액화시켜 모델을 만들 자리에 분사한다. 분사된 재료가 굳는 동안그 위에 다시 액화된 재료가 뿌려진다. 재료 삽입과 융용, 분사 그리고 고화의 과정이 반복되어 모델이 층층이 만들어 지는 것이다.    제작에는 모델의 주재료와 주재료가 쌓일 수 있도록 지지해주는 서포트 재료가 필요하다. 각각의 재료는 두 개의 헤드에서 분사되어 얇은 층을 쌓아 모델을 만든다. 제작이 끝나면 주물과 보조물은 작업자에 의해 분리된다.

 

 

FDM방식 동작방식

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FDM 방식은 열가소성 플라스틱을 노즐 안에서 녹여 적층하면서 제품을 만든다. 레이저가 필요 없어 장비가 상대적으로 저렴하기에 대다수의 3D 프린터가 FDM 방식을 채택한다. 광개시제가 필요 없기에 상대적으로 강도도 높다. 열에 의해 재료가 식으면서 변형 및 수축이 발생한다.

그리고 재료의 특성상 필라멘트라 하여 ABS계열 또는 PLA계열로 나뉘는데 요즘은 친환경적인 PLA플라스틱을 더 많이 사용하는 추세다..

FDM방식의 3D프린터는 구조가 비교적 단순하여 개인용, 또는 가정용 그리고 현제는 특허가 거의 오픈되어있어 가격대도 매우저렴한게 특징입니다.

다만 단점으로는 층단위로 쌓아가는 방식이다보니 인쇄물품에 층이 생길수도 있으며
색상의 선택에 자유롭지 못하다는 단점이 있지만 최근에 3~4가지 이상의 색을 사용하는 방식이 나와서 기대를 모으고 있다.

 

 

 

 

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1. 녹은 상태의 플라스틱을 배출하는 노즐
2. 재료가 쌓여 모양을 만듦
3. 움직임이 조종되는 판

http://en.wikipedia.org/wiki/Fused_deposition_mode…

FDM방식의 장단점

FDM(FFF) 방식은 3D 프린터 노즐(헤드) 수에 따라 1개~3개의 필라멘트를 동시에 사용하여 3D 프린터 출력이 가능합니다.

FDM (FFF) 방식에서 사용되는 소재인 필라멘트는 주로 ABS, PLA 소재를 사용합니다.
사용되는 필라멘트는 압출노즐에서 열과 압력에 의해 3D 프린팅 되므로 실제 사출에 사용되는 ABS, PLA를 사용하여 소재자체의 강도가 좋은 편입니다.
다만, 노즐의 고온과 압력에 의해 모델이 제작되자보니 레어어간의 결합력이 약하고 정밀한 산업용 3D 프린터에 비해 정밀도가 현저히 낮다는 차이가 있습니다.

최근 FDM 3D 프린터 출력에 사용되는 필라멘트의 개발이 활발히 이루어져 나무, 청동 등 다양한 필라멘트 소재도 상용화되고 있습니다.
[출처] 한국기술 – http://xn--3e0bmo370cx9r.xn--3e0b707e/new/bbs/board.php?bo_table=data&wr_id=5

가는실(필라멘트) 형태의 열가소성물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름형태로 출력하는 방식으로 적층
노즐은플라스틱을 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산 하며 플라스틱은 상온에서 경화

FDM방식의 장점

타방식에 비해 장치의 구조와 프로그램이 간단하기때문에 장비 가격과 유지보수 비용이 낮음
오픈소스 형태로 개발, 3D 프린팅 기술 대중화 주도(2012년 6월 특허 만료)
다양한소재 적용이 가능하며 단순한 구조로 인해대형화에 용이하고 다양한 산업분야에 적용 가능
리니어모션 컨트롤의 정밀도에 따라 표면 조도 개선 가능

FDM방식의 단점

표면조도가 비교적 뒤떨어짐(세부 형상 구현 미흡)
경화시 소재의 흘러내림을 방지하기 위한 지지대 필요
제작속도 매우 느린편
개인용・가정용으로의 활용에 국한

FDM의 재료

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FDM 열가소성 수지

열가소성 수지는 가열하거나 용제에 녹여서 자유롭게 가공할수 있는 수지류로서 몇번이라도 가열만 하면 녹아서 물렁물렁해지기 때문에 원하는대로 어떤 모양으로든지 만들수 있으며 식으면 굳어진다. 열경화성수지와는 달리 가열했다가 식혀도 화학구조의 변화는 없고 물리적 변화만을 한다.
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FDM기술특허가 차지하는 비중(SLS, SLA와 비교)

FDM 기술을 주력으로 하는 Stratasys를 제외하고, 대부분 주력기술분야는 SLA로 나타나 아직까지는 SLA 기술 관련 시장 점유율이 높은 것으로 판단됨.
<세부기술별 출원비율 및 연도별 출원건수>
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– Polymer Science and Technology Vol. 24, No. 6, December 2013 –

3D프린팅 분야 기업별 특허보유현황

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3D 프린팅 특허 관련 Viewpoint

3D 프린팅 분야의 특허 지형도(patent landscape)를 빠르게 이해하기 위해서 다음 그림에서 제시하는 바와 같은 3가지 관점을 도입할 필요가 있다.
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최근 3D프린팅 주요기업 최신 M&A현황

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글로벌 3D프린터 주요기업 M&A후 시장점유율 변화

현제 3D 시스템즈의 매출액이 Stratasys보다 높지만 도표상 시장점유율은 프로페셔널급 이상제품 판매량 기준임..
이에 제품판매량이 많은 스트라타시스 시장점유울이 높게 나타남
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FDM관련 국내특허소개-새로운 FDM헤드방식 및 혼합물 토출시스템

3차원 프린팅기술은 기존 평면 프린팅 방식을 개선하여 출력물을 단계별로 쌓아 실제 모양을 만들어 내 며, 3차원 프린팅 기술은 이미 제작한 형상물을 복제하거나, 3차원 설계프로그램(CAD)를 이용해 만든 형 상을 실물로 제작하는데 적용함

본 기술은 3D 프린터에서 형상제작 물질을 토출하는 헤드(head)에 관한 기술이며, 지지층이 없는 공간 에서도 토출 및 경화가 가능하도록 구현하였고, 상대적으로 간단한 방식으로 토출성능을 향상시키고 제 작된 구조체 강성을 높임
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기술의 필요성

상용화된 대부분의 개인용 저가형 3D프린터의 헤드는 노즐을 이용하여 높은 온도에서 가압하여 토출하 는 방식인 FDM(Fused deposition modeling)방법으로서적층제작(Additive manufacturing)방법을 사용하 는데, 분사 또는 토출된 녹은 재료가 경화되기 전에 자중에 의해 처짐이 발생하며, 이를 해결하기 위해 추 가적으로 supporter 부재가 필요한 여건임
3D프린터 헤드에 사용되는 SLS 방식이나 FDM 방식은 정밀도의 한계를 갖기 때문에 micro급 기공 형성 및 이종재료 적용에 별도의 헤드와 같이 추가적 장치가 필요한 실정이며, 뿐만 아니라 종래 노즐 방식에 서는 병목현상으로 인해 토출이 매우 어렵고 분산도(dispertion)에 대한 문제점 등이 있음

기술의 특장점

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이미 상용화된 적층방식으로는 불가능한 지지층(support) 없는 공간위에 구조체 제작이 가능한 헤드를 개발함