같은 3D 파일인데, 왜 두 시제품 제작 업체의 결과물이 다를까?

같은 STL 파일 한 부를 두 시제품 제작 업체에 보냈다. 일주일 뒤 책상 위에는 겉보기에는 비슷하지만 실제로 재 보면 차이가 꽤 나는 샘플 두 개가 놓여 있다. 하나는 모서리가 또렷하고 표면은 무광인데, 다른 하나는 모서리 선이 한 바퀴 둥글어졌고 손톱으로 긁으면 아직 끈적임이 느껴진다. 파일을 다시 확인해 보지만 파일에는 문제가 없다

이런 일은 패키지 구조 목업, 제품 외관 목업, 유통 채널 진열용 소품에서 매일 일어난다. 핵심은 우리가 평면 인쇄의 사고방식을 그대로 적용해, 넘긴 파일이 곧 사양이라고 생각한다는 데 있다. 하지만 UV 경화 공정에서는 파일이 형상만 설명한다. 최종적으로 샘플이 어떤 모습으로 성형되는지는 노광량, 경화 속도, 재료 배합, 장비의 기하 구조가 함께 좌우한다

그렇다면 장비를 직접 다루지 않는 디자이너나 구매 담당자는 이 일을 관리하기 위해 무엇을 물어보고 무엇을 검수해야 할까?

UV 경화 시스템에서 기하 정밀도는 파일의 함수가 아니라 공정 파라미터의 함수이기 때문이다

UV-curing 3D printing system(UV resin과 hydroxyapatite 입자 복합재를 사용하는 시스템)을 대상으로 한 파라미터 최적화 연구에서는 Box-Behnken design으로 27개 실험 조건을 돌려, 노즐 구경, 프린팅 속도, 층 높이, 노즐과 재료 사이 거리라는 네 변수를 함께 스캔했다. 최적 조합은 구경 2.2 mm, 속도 32.52 mm/s, 층 높이 1.2 mm, 노즐 거리 0.5 mm였고, 이때 치수 오차는 3.08%였다 [1]

3.08%는 최적 파라미터에서 측정한 잔여 오차이지, 문제가 생긴 상태에서 측정한 숫자가 아니다. 100 mm 구조 샘플로 환산하면 대략 3 mm 안팎의 편차다. 만약 끼움부, 걸림턱 또는 정렬 구멍의 공차가 이보다 더 좁다면, 나중에 ‘시제품은 통과했는데 양산품은 끼워지지 않는’ 일이 생겼을 때 먼저 이 3% 오차를 감안할 여지가 공차에 있었는지 돌아봐야 한다

같은 연구는 공정의 출발점이 된 동기도 짚었다. DIW 압출 성형은 경화가 너무 느리면 먼저 수축하고 이어서 균열이 생기기 때문에 UV 광원을 도입해 경화를 가속했다 [1]. 이를 생산 라인의 말로 옮기면, 수축과 균열은 재료 결함이 아니라 경화 속도가 적층 속도를 따라가지 못해 생기는 시간차다. 전통적인 스크린 인쇄에서 국부적으로 UV 바니시를 너무 두껍게 쌓아 접힘선에서 터지고 박리되는 현상도 사실 같은 물리적 이야기의 두 버전이다. 재료가 안정되기 전에 응력을 견디도록 요구받는 것이다

많은 사람은 표면이 마르고 안 마르는지만으로 노광을 판단한다. 실제로 노광은 완성품의 기계적 특성까지 좌우한다

만졌을 때 끈적이지 않다는 것은 표층이 충분히 높은 전환율에 도달했다는 뜻일 뿐인 경우가 많고, 내부 가교는 아직 끝나지 않았을 수 있다. stereolithography 광중합 수지를 대상으로 한 연구는 UV post-curing이 기계적 특성에 미치는 영향을 직접 검증했다 [5]. 후경화는 완성품의 강도를 바꾸므로 마지막에 한 번 빛을 쬐는 절차 정도로 치부할 수 없다

경화도(curing degree)는 능동적으로 제어할 수도 있다. 한 연구는 hybrid UV curing resin의 경화도 조절을 연속 프린팅 구현 수단으로 삼아, ‘얼마나 경화할지’가 엔지니어가 조절하는 노브이지 건조/미건조의 이진값이 아님을 보여 줬다 [6]. 또 다른 접근은 projected UV-resin curing을 직접 사용해 자립형 프린팅을 구현했고 [3], 경화 시퀀스로 지지 구조의 일부를 대신했다

경화도를 조절할 수 있게 되면 업체마다 서로 다른 지점에 설정할 수 있다. A 업체는 납기를 줄이려고 후경화를 10분으로 줄이고, B 업체는 30분을 채워 돌릴 수 있다. 두 샘플 모두 외관 검수는 통과할지 몰라도 낙하 충격, 클램핑, 장기 치수 안정성에서는 결과가 갈라진다. 그런데 견적서에서 이 항목은 대개 비어 있다

필러가 수지 속에서 빛이 얼마나 깊이 들어가는지를 바꾸고, 그 변화가 모든 노광 파라미터를 연쇄적으로 다시 쓰기 때문이다

앞서 언급한 복합재의 배합은 hydroxyapatite 30% w/v에 수지 100% v/v를 사용한 것이다 [1]. 고체 입자를 넣으면 빛이 산란·흡수되어 투과 깊이가 낮아진다. 같은 노광 설정이 순수 수지에서는 딱 맞아도, 필러 함량이 높은 배합으로 바꾸면 경화 부족이 될 수 있다. Si₃N₄ UV resin의 경화 거동 최적화 연구가 세라믹 필러 시스템의 경화 성능을 별도로 최적화해야 할 과제로 다룬 것도 바로 이 때문이다 [4]

이것이 디자인 측에 의미하는 바는 아주 분명하다. ‘색상을 바꾼다’, ‘더 단단한 재료로 바꾼다’는 일은 결코 공짜가 아니다. 수지의 광학적 특성을 바꾸는 모든 조치, 즉 색소 추가, 필러 추가, 투명도 변경은 한 줄짜리 품번 교체가 아니라 재시제품 제작을 촉발하는 변경으로 봐야 한다. UV curing resin은 엘라스토머에 연속적인 색상 변화를 일으키도록 설계할 수도 있다 [2]. 반대로 말하면 색상과 수지 화학은 서로 묶여 있으며, 나중에 덧입히는 도장층이 아니다

외주 발주서에는 최소한 핵심 치수, 후경화 기록, 동일 배치의 일관성을 명확히 적어야 한다. 이 세 가지는 장비를 직접 다루지 않고도 검수할 수 있다

발주할 때 물어볼 네 가지

・이 장비의 층 높이와 노즐 구경 설정은 얼마인가? 이 두 값이 치수 오차와 직접 관련된다는 사실은 연구로 확인됐다 [1]

・후경화는 얼마나 오래 진행하고 어떤 광원을 사용하는가? 후경화가 기계적 특성에 영향을 준다는 것은 검증된 효과다 [5]. 따라서 이는 반드시 기록해야 할 파라미터이지, 작업자의 감각에 맡길 일이 아니다

・이 배합은 순수 수지인가, 필러가 들어갔는가? 필러 비율은 얼마인가? 필러는 경화 거동을 바꾸므로 별도 최적화가 필요하다 [4]

・색상이나 재료를 바꿀 때 파라미터를 다시 돌리는가?

검수할 때 측정할 세 가지

・기능 치수(걸림턱, 홀 위치, 벽 두께) 2-3개를 골라 실제로 측정한다. 눈으로 외관만 확인하지 않는다. 3% 수준의 오차를 기준선으로 잡고 [1], 먼저 내 공차가 이보다 더 좁은지 확인한다

・같은 배치에서 3개 이상을 비교한다. 비교할 것은 서로 간의 산포다. 한 개만 합격했다고 공정이 안정적이라는 뜻은 아니다

・표면의 재점착, 손가락으로 눌렀을 때 남는 자국, 일주일 방치 후 치수 이동을 확인한다. 이 세 가지는 경화 부족에서 흔히 나타나는 외적 신호다(이는 일선 경험에 따른 판단이며, 문헌의 결론은 아니다)

나는 이 방식을 ‘Mai Strategy 제작 발주 3관문’이라고 부른다. 1관문은 파라미터를 묻는 것(누가 정했고, 어디에 기록했는가), 2관문은 산포를 검수하는 것(가장 좋은 샘플이 아니라 가장 나쁜 샘플을 본다), 3관문은 변경을 추적하는 것(재료나 색상을 바꾸면 무조건 신규 프로젝트로 본다)이다. 이 세 관문은 모두 같은 일을 처리한다. 보이지 않는 공정 파라미터를 계약서에 적어 두어야 나중에 추적할 수 있다는 것이다

딱 한 가지만 할 수 있다면, 외주 발주 전에 핵심 치수의 공차를 먼저 확정하고 업체에 분명히 전달하라. UV 경화 3D 프린팅에서는 체계적으로 최적화한 뒤에도 치수 오차가 여전히 3% 수준이므로 [1], 공차는 디자인 측의 책임이지 업체의 수율 문제가 아니다. 공차를 적어 낼 수 없다면 누구도 검수에 책임을 질 수 없다

적용 범위: 위 수치는 특정 DIW + UV 경화 시스템과 특정 복합재 배합에서 나온 것이므로 [1], SLA, DLP, MSLA 같은 다른 UV 경화 방식에 그대로 적용할 수 없다. 그 시스템들은 정밀도 수준과 오차 발생 원인이 모두 다르다. 3.08%를 그대로 가져다 쓸 수는 없다. 가져갈 수 있는 것은 관리 방식이다. 파라미터는 변수로 관리하고, 후경화는 공정 기록으로 남기며, 재료를 바꾸면 변경 관리 절차를 밟아야 한다. 또한 용도가 단순한 체적 확인이나 형상 커뮤니케이션이라면 이 검수 체계 전체를 생략해도 된다. 정밀도 관리에 얼마나 힘을 쏟을지는 이 샘플을 다음에 무엇에 사용할지에 달려 있다

UV 경화 3D 프린팅의 완제품 정밀도는 공정 파라미터가 결정하며, 같은 STL도 파라미터가 다르면 다른 결과를 낸다 [1]

체계적으로 최적화한 뒤에도 치수 오차는 3.08%에 이르므로, 핵심 치수의 공차는 디자인 측에서 먼저 명확히 정의해야 한다 [1]

후경화는 마무리 작업이 아니라 기계적 특성을 바꾸는 공정 단계이므로, 기록하고 비교해야 한다 [5]

필러나 색소를 추가하면 수지의 광학적 특성과 경화 거동이 달라지므로, 재료나 색상을 바꿀 때는 신규 프로젝트로 보고 다시 시제품을 제작해야 한다 [4]

검수에서는 한 개의 외관을 눈으로 보는 것이 아니라, 같은 배치에서 여러 개의 산포와 기능 치수를 실제로 측정해야 한다

인쇄 제조업계의 관점에서 보면, UV 경화 3D 프린팅은 ‘파라미터가 곧 사양’이라는 사실을 수면 위로 끌어올리고 있다. 과거 인쇄소가 팔던 것은 공정이었다면, 앞으로 팔아야 할 것은 재현 가능한 파라미터 조합과 그에 대응하는 공차 보장이다. 이를 위해 노광량, 후경화 시간, 품번과 배치를 작업지시서에 적어야지 작업자의 머릿속에 남겨 두어서는 안 된다. 디자인 측에서는 DfM의 초점이 형상 구현 가능성에서 공차 인식으로 옮겨간다. 모델링 단계에서 어떤 치수가 기능 치수이고 어떤 치수가 외관 치수인지 표시할 수 있느냐가, 발주 후 수정 왕복 횟수를 결정한다. AI 도입의 진입점도 꽤 분명하다. 파라미터 최적화는 본질적으로 다인자 반응표면 문제이므로 [1], 이런 실험 설계와 대리 모델은 머신러닝이 잘하는 영역이다. ‘과거 시제품 제작 데이터로부터 파라미터 제안을 역추론하는’ 저위험 활용 사례부터 시작해 볼 만하다. SaaS 차원에는 아직 채워지지 않은 공백도 있다. 현재는 ‘이 샘플이 어떤 파라미터로 만들어졌는가’를 담을 표준 형식이 없다. 파라미터 기록, 배치 추적성, 검수 측정을 상호 교환 가능한 데이터 구조로 묶을 수 있다면, 시제품 품질을 개별 업체의 내공에서 업계가 비교할 수 있는 지표로 바꿀 수 있다. 남은 문제는 파라미터 공개에 동의하는 업체가 기술 유출 우려를 어떻게 해소할 것인가다. 이는 기술 문제이면서 동시에 비즈니스 신뢰의 문제이기도 하다

[1] Hoten, Tontowi, Herianto (2027). 프린팅용 (UV Resin/HA Particle) 복합재를 위한 신규 UV-Curing 3D 프린팅 시스템의 공정 파라미터 최적화. International Journal of Engineering. DOI: 10.5829/ije.2027.40.01a.16

[2] gao y., Jiang Q., Liu Y. (2025). 엘라스토머의 연속적인 색상 변화를 가능하게 하는 3D 프린팅용 UV-Curing 수지. DOI: 10.2139/ssrn.5093607

[3] Mizuno Y., Pardivala N., Tai B. (2018). 자립형 3D 프린팅을 위한 투영식 UV-resin 경화. Manufacturing Letters. DOI: 10.1016/j.mfglet.2018.09.005

[4] Cao C., Wang C., Zhao Z. (2019). 광중합 3D 프린팅용 Si3N4 UV Resin의 경화 거동 최적화. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. DOI: 10.1088/1757-899x/678/1/012013

[5] Bouchareb S., Doufnoune R. (2025). 스테레오리소그래피 3D 프린팅에서 광중합 수지의 기계적 특성에 대한 UV 후경화의 영향. Materials Letters. DOI: 10.1016/j.matlet.2025.138587

[6] Kang X., Li X., Li Y. et al. (2021). hybrid UV curing resin polymer의 경화도 제어를 통한 연속 3D 프린팅. Polymer. DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124284