레이저 3D 프린팅이 어떻게 정밀하게 모델을 조각낼 수 있을까?

3D 프린팅이라고 하면, 먼저 플라스틱 필라멘트가 쌓이는 방식을 떠올릴 수 있습니다. 하지만 고속 갈바노미터 스캐닝 기반의 레이저 3D 프린팅 기술인 스테레오리소그래피(SLA)는 마치 "빛으로 조각하는 것처럼" 섬세한 모델을 만들 수 있으며, 동시에 "성냥개비 머리" 결함을 피할 수 있습니다. 이 기술은 어떻게 높은 정밀도와 효율성을 동시에 달성할 수 있을까요?

일반적인 압출 적층 방식(FDM)이 녹인 플라스틱 필라멘트를 쌓아 올려 물체를 제작하는 것과 달리, SLA는 액체 형태의 광감응성 수지를 사용합니다. 자외선 레이저가 조사된 부분의 수지를 경화시키며, '광 펜' 역할을 하는 갤버노미터가 레이저를 제어하여 각 층의 윤곽을 그린 후, 이를 쌓아 모델을 형성합니다. 고속 갤버노미터와 지능형 제어 시스템이 레이저가 '빠르고 정확하게 그리는' 핵심입니다.

갤버노미터는 레이저 3D 프린팅의 '정밀 항법 장치'입니다. 거울과 스캔 모터로 구성되어 레이저가 X 및 Y 방향으로 신속하게 스캔하도록 제어하며, 초기의 XY축 이동 플랫폼보다 더 빠르고 안정적입니다. 그러나 고속에서는 갤버노미터에 지연 현상이 발생할 수 있는데, 예를 들어 모서리를 '둥글게' 처리하거나 속도 변화로 인해 수지 경화가 고르지 않게 되어 '성냥머리' 효과가 나타날 수 있습니다.

해결책은 갤버노미터에 지능형 제어 방식을 추가하는 것입니다:

• 속도 계획 알고리즘을 사용하여 다양한 코너에서의 최대 속도를 계산합니다(180° 코너의 경우 약 750mm/s, 20° 코너의 경우 최대 2500mm/s). 이를 통해 정밀한 코너 주행이 가능합니다.
• 균일한 수지 경화 에너지를 보장하고 비정상적인 고체화를 방지하기 위해 속도에 따라 레이저 출력을 실시간으로 조절합니다.
• 3D 모델 파일을 효율적으로 읽는 것도 매우 중요합니다. Gcode 및 SLC와 같은 파일은 수백 메가바이트에 달할 수 있어 직접 읽는 것은 느리고 특정 레이어를 미리 보는 것이 어렵습니다. 연구자들은 파일을 분할하고 병렬로 파싱하며 이진 검색을 사용해 목표 레이어를 빠르게 찾는 세그먼트 다중 채널 캐싱 기법을 활용함으로써 처리 효율을 크게 향상시킵니다.
• 윤곽선을 파싱한 후, 레이 캐스팅 알고리즘을 사용하여 내부 및 외부 윤곽선을 구분합니다(홀수 번 교차하면 내부 윤곽선, 짝수 번 교차하면 외부 윤곽선). 규칙에 따라 순서를 조정하고 '윤곽 트리(contour tree)'를 구성하여 레이저가 '잘못된 경계를 그리는' 것을 방지합니다.

오늘날 SLA 기술은 작은 치과 모델부터 큰 산업용 부품에 이르기까지 매우 정밀한 모델을 출력할 수 있으며, 주얼리 제작, 산업용 프로토타이핑 및 의료 복원 분야에서 사용되고 있습니다. 이는 단순히 '재료를 쌓는 것'이 아니라 '빛과 알고리즘으로 디테일을 조각하는 것'이며, 향후 더욱 고정밀하고 개인화된 제품들을 제공할 가능성을 열어줍니다.