3D프린터 History

개념 및 방법론 포함한 Histrory

1860 – François Willème 의 photosculpture method 를 통해은피사체 주변 의 카메라 를 이용하여 3 차원객체 를 캡처
1892 – Blanther 는 지형 맵을 생성계층화 방법을 제안.
1972 – Mitsbushi 모터사의 Mastubara 은 광 경화 재료 ( 감광성 수지 )의 적층 부품 을 제조 하는 데 사용되는 것을 제안
1981 – 나고야 시립 공업 연구소 의 고다마 히데오 가 작동하는 광 중합체 신속한 프로토 타입 시스템의 첫 번째 계정 을 게시

3D프린터 최초개발한 Chares Hull로 부터 시작

– 1984 : 3D Systems사 Charles Hull이 SLA 방식 3D 프린터 최초 개발
– 1986 : SLA 방식 특허 획득
– 1988 : SLA 방식 첫 상용화, LOM 방식 특허 획득
– 1989 : SLS 방식 특허 획득
– 1990 : FDM 방식 첫 상용화
– 1992 : FDM 방식 특허 획득,  SLS 방식 개발, SLA 방식 Layer by Layer 방법으로 파트 완성
– 1993 : MIT에서 3차원 프린팅 기술(잉크젯 기반) 특허 획득, 3DP 방식
– 1996 : 스타라타시스 “Genisys”, 3D Systems “Actua2100”, Z Corporation “Z402” 출시
– 2002 : 3 차원 KIDNEY 동작
– 2005 : 첫 고선명 컬러 3D 프린터인 Z Corporation “Z510” 출시, RepRap의 오픈소스 기반 3D 프린터 소개
– 2006 : SLS 방식 제조 대량 커스텀화, Objet사에서 다양한 재료를 프린팅 가능한 제품 출시
– 2008 : RepRap에서 첫 Self-Replicating 프린터 릴리즈, Shapeways의 DIY 서비스
– 2009 : MakerBot 3D 프린터 DIY Kit 시장에 출시
– 2010 : Southampton 대학 기술자들이 세계 최초 3D 프린터로 제작한 시험용 비행체 비행 성공
– 2011 : 세계 최초 3D 프린터로 제작한 자동차 소개
– 2012 : 네덜란드에서 3차원 프린터로 인공턱 구현, FDM 방식 특허 20년 기간 만료 대중화 진입 촉진
– 2013 : 줄기세포 기반 3D 프린터 인공장기 소개, 권총 3D CAD 도면 인터넷 업로드(다운로드)
– 2014 : SLS 방식 특허기간 만료로 FDM 방식과 같이 대중화에 많은 기여 예상

3D프린터의 시초는 1981년 일본 나고야시공업연구소의 히데오 코다마(Hideo Kodama)의 보고서다.
빛을 이용하여 액상광경화수지를 고체층으로 형성하여 제품을 만드는 내용이었다. 히데오 코다마는 이 보고서만 내고 실제 상용화시키지는 못했다. 더불어 특허 출원하기에도 내용이 부족하여 특허가 아닌 그저 기술 문서에 머물고 말았다.

최초의 3D프린터 특허 – 3D Systems 설립자인 Chares Chuck Hull박사

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1984년 8월 콜로라도 출신Charles Hull이 UVP라는 회사에서 자외선을 이용하여 플라스틱 판을 경화시키는 공정이 있었는데 그는 여기서 3D프린터의 힌트를 얻었다. 1983년에 시작한 그의 연구는 1986년 입체인쇄술(Stereolithography)라는 이름으로 특허 출원된다.

척 헐은 이후 1986년 캐나다로부터 투자를 받아 회사를 설립한다. 이 회사가 바로 세계적으로 3D프린터로 유명한 3D시스템즈(3D Systems)다. 2년 후 3D프린터가 세계 최초로 판매됐다. 지금으로부터 무려 27년 전이며, 이름은 SLA-1이다. SLA 방식은 광경화성액상수지를 수조에 담고, 여기에 자외선 레이저를 조사하여 원하는 형상을 굳혀가며 만들어 간다

최초의 3D프린터 특허 – SLA(Stereolithography Apparatus)

산업용 3D프린터에 일반적으로 사용되는 방식인 SLA의 특허내용은 다음과 같다.
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(특허명: Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. 특허번호: US 4575330 A).
세계최초 3D프린터관련 특허 : 미국특허청

최초의 3D프린터 출시- SLA-1/SLA-250

3D 프린터는 1984년 미국의 3D 시스템즈에서 SLA방식으로 최초의 3D 프린터를 출시하였습니다.
이후 스트라타시스에서 현재 가장많이 사용하고 있는 FDM방식을 개발하여 현재까지 세계 3D 프린터 시장의 양강구도를 형성하고 있습니다.
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SLA라는 명칭은 1986년 Charles (Chuck) W. Hull 박사에 의해 처음 소개되고 불려졌습니다.(최초의 3D 프린팅 기술입니다.)

Photomasking 방식과 함께 대표적인 광 조형 기술입니다. 액체 상태의 ‘광경화성 수지’가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 투사하여 조형합니다. 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 주사하여 조형합니다. 이 때 수지의 표면 평탄화와 재료 코팅이 리코터(Recoater)의 수평 날에 의해 이루어집니다. 이 방식은 Optical fabrication, photo-solidification, solid free-form fabrication, solid imaging 등으로도 불립니다.
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SLA의 동작원리

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SLA 특허의 현황

11-6-23D 프린터는 1984년 미국의 3D 시스템즈에서 SLA방식으로 최초의 3D 프린터를 출시하였습니다.
이후 스트라타시스에서 현재 가장많이 사용하고 있는 FDM방식을 개발하여 현재까지 세계 3D 프린터 시장의 양강구도를 형성하고 있습니다.
이후 주요 특허의 연쇄적 만료로 인하여 가격 경쟁력을 확보하게 되자 비로소 대중화의 길을 걷게 됩니다.
2004년 SLA, 2009년 FDM(RepRap 프로젝트가 가능케 되어 3D 프린팅 대중화 1차 확산) , 2014년 SLS 방식 만료로 2차 확산 계기가 됨.

SLA 방식 특허는 3D시스템즈(3D Systems)가 가장 많이 보유했으며,
이 중 현재까지 52건이 만료됐다.
향후 3년 내 31건이 추가적으로 만료될 예정이다
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특허만료와 오픈소스 프로젝트(Reprap)

특허라는게 특허 출원자에게 일정기간 해달기술을 발전시킬수 있도록 20년간 보장되기 때문에 관련 솔루션을 개발하는데는 많은 한계와 발전을 가로막을수도 있다..그런나 특허기간이 만료됨으로서 다양한 기술개발을 꾀할수있는 새로운 환경에 놓이게 됨으로서 3D프린터에 관한 많은 기술이 최근들어 더욱 발전하고 있는상황이다.
3D프린터에 관한 기술발전 변화는 다음과 같은 2가지 변화요인에 기초한다.
첫 번째, 특허는 20년이 경과되면 만료된다는 것.
적정 기간 특허 출원자에게 혜택을 주되 해당 기술의 발전을 저해하지 않기 위함이다. 세계적으로 20년을 특허 존속 기간으로 한정하고 있다. 현재 SLA 방식 2006년, FDM방식 2009년, SLS 방식 2014년, 에오스의 DMLS 방식이 2014년 만료됐다.

두 번째, 영국의 아드리안 보이어(Adrian Bowyer ) 교수는 2005년부터 Reprap(Replication Rapid Prototyping) 이라는 오픈 소스(Open Source) 프로젝트를 진행하고 있다.(www.reprap.org)

누구나 참여 가능하고 무료로 사용할 수 있는 3D프린터 공개 소스인 것이다. 특히 상업적 활용을 포함한 모든 권리가 제약 없이 공개됐다. 만약 아드리안 보이어 교수의 오픈 소스가 없었다면, 구글의 안드로이드나 애플의 iOS처럼 특정 회사에 종속되거나 로열티를 내야지만 3D 프린터 관련 사업을 해야 했다. FDM 방식과 관련된 오픈 소스지만 음식, 건축 3D프린터 등 적층 방식 대부분의 3D 프린터가 이 오픈 소스를 이용하고 있다.

이 두 가지로 누구나 3D프린터를 만들 수 있는 상황이 됐다. 미국의 메이커봇, 네덜란드의 얼티메이커 및 국내 대부분 3D프린터 생산 기업의 개인용 3D프린터가 여기에 속한다. 레이저나 롤러 등이 필요 없고 원재료도 저렴하기에, FDM 방식의 3D프린터는 지금도 메이커가 급속히 늘어나고 있다. 100만 원 이하의 저렴한 3D프린터가 탄생한 것도 이 때문이다.
3D 시스템즈의 ‘3D 프린터로 금속을 조형하는 특허’가 2014년 2월에 끝나면서 세계적으로 다양한 기술과 형태의 개발이 폭발적으로 이루어지고 있다. 초창기에 20만 달러 정도 하던 3D 프린터의 가격은 매우 다양해지고 1000달러짜리 3D 프린터도 판매되고 있다.

제임스 와트(James Watt)의 증기기관 특허가 만료되는 시점부터 산업혁명이 본격화되던 역사를 떠올리게 한다.

1차 산업혁명은 18세기 중반 영국의 직물 기기, 증기기관, 제철 기술의 혁신이 일어나고 확산되면서 전세계를 바꾸어 놓았다. 2차 산업혁명은 디지털 기술과 인터넷 혁명을 통해 전세계를 하나의 네트워크로 연결해 놓았다. 많은 미래학자들은 3D 프린터가 제조업과 정보통신기술(ITC)의 융합이 만들어내는 전혀 새로운 생산 시스템을 통해 3차 산업혁명의 견인차가 될 것이라고, 주장한다.

발전해 오고있는 다양한 3D프린팅 기술유형

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SLA에서 사용하고 있는 광경화성 수지에 대해

자외선(Ultraviolet, UV), 전자선(Electron Beam, EB) 등 빛에너지를 받아 가교․경화하는 합성 유기 재료를 광경화성 수지라고 합니다. 특히 자외선에 의해 경화하는 수지를 자외선 경화성(UV 경화성) 수지, 전자선에 의해 경화하는 수지를 전자선 경화성(EB 경화성) 수지라고 부릅니다.산업에서는 UV경화성 수지를 많이 사용한다. UV 경화성 수지는 ① 올리고머, ② 모노머, ③ 광중합 개시제, ④ 각종 첨가제 등으로 구성
① 올리고머(베이스 수지) : 올리고머는 수지의 물성을 좌우하는 중요한 성분으로, 중합 반응에 의해 고분자 결합을 형성하여 경화 피막을 이룹니다. 골격 분자의 구조에 따라 폴리에스테르계, 에폭시계, 우레탄계, 폴리에테르계, 폴리아크릴계 등의 아크레이트로 분류를 합니다. ② 모노머 (반응성 희석제) : 반응성 올리고머의 가교제, 희석제로서의 역할을 하며, 중합하여 경화 피막을 형성시키기 위한 원재료. ③ 광중합 개시제 : UV 경화수지의 가장 기본이 되는 원재료로써 광중합 개시제는 자외선을 흡수하여 라디칼 혹은 양이온을 생성시켜 중합을 개시시키는 역할을 하며 단독혹은 2-3 종류를 섞어서 첨가되는경우가 많습니다.

④ 첨가제 : 용도에 따라 광증감제, 착색제, 증점제, 중합 금지제 등이 첨가

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SLA(광경화수지조형방식) 에 대한 예시

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