프로토타입 제조 혁신: 첨단 신속 생산 기술의 현재와 미래

러들리(Rudgley M)는 신속 제조를 '적층 제조 방식으로 최종 실용 제품을 제조하는 제조 기술'로 정의하며, 이는 프로토타입 제조 기술을 사용해 생산을 위한 원하는 제품을 생산합니다. 신속 제조는 신속 프로토타이핑 기술의 발전 방향이지만 여전히 개선할 영역이 많습니다.

SLA, SLS, FDM은 프로토타입 제조업체의 주요 기술이며, 이들의 공통 특징은 부품을 개별 레이어로 분리하고 각 레이어를 독립적으로 만든다는 것입니다.

복잡한 형상 (Complex Geometry)

신속 프로토타이핑 제품의 가장 매력적인 특징은 형상 측면에서 거의 무제한이라는 점입니다. 이 공정으로 높은 독립성과 기하학적 자유도를 가진 물품을 생산할 수 있습니다. 역오목, 오버행, 자유 형상, 다양한 기본 기하학적 형상 등이 가능합니다. 예를 들어 SLS 공정은 브라켓이 필요 없고 부품을 가공 위치 어디에든 클램프 없이 놓을 수 있어 SLS가 공작물에 거의 무한한 기하학적 가능성을 제공합니다.

반면 마이크로부터 대형까지 다양한 크기의 제품이 신속 프로토타이핑 기술로 제조될 수 있습니다. 제품 크기는 공정 선택에 따라 달라집니다: SLS, SLA, FDM은 보통 공정 실행과 경제적 비용, 대형 부품 성능 때문에 중형 부품 제조에 쓰입니다. 이 공정들의 크기는 대형 제품에 관해선 매우 제한적입니다.

폴리머 신속 프로토타이핑 기술은 재래식 가공법 같은 금형이 필요 없으므로 고객 정의 제품이 재래식 공정보다 훨씬 경제적입니다. 이 특징과 제품이 달성할 수 있는 복잡한 형상이 결합해 신속 프로토타이핑이 의료 분야로 나아갈 길을 제시합니다. 동시에 기하학적 높은 유연성은 신속 프로토타이핑과 전통 가공법의 결합 가능성을 제공하며, 오늘날 RP 기술의 발전 방향 중 하나로 급속히 발전했습니다. 예를 들어 이전에는 얇고 긴 박벽 부품을 EMD(방전 가공)로만 만들 수 있었는데, 이제 RP도 그런 부품 제조의 완전한 솔루션을 제공할 수 있습니다.

DLM & 역설계 (Reverse Engineering)

신속 프로토타이핑 공정으로 재래식 가공법으로는 가공 불가능하거나 어려운 특징(오목부, 내부 예각, 긴 박벽 등)을 가진 부품을 쉽게 제조할 수 있습니다. 동시에 RP 기술이 작동하려면 설계자들이 부품 설계 방식을 재고해 이러한 공정의 자유로운 설계 특성을 입증해야 합니다.

위 자유 설계 관련 모든 질문들이 RP 기술을 위한 전문 CAD 소프트웨어의 추가 개발을 요구한다는 점은 주목할 만합니다. 설계 도구 개선과 설계자 설계 개념 변화의 결합이 RP 기술의 잠재력을 깨울 수 있습니다.

필요한 제품 모델을 직접 설계하는 것 외에도 엔지니어들은 기존 물리적 설계에 따라 설계하는 경우가 많은데, 이를 역설계라 합니다. 신속 검출과 3D CAD 재구성 기술로 물리적 물체에서 직접 CAD 모델을 얻을 수 있습니다.

속도성 (Speedability)

RP 기술이 '신속 프로토타이핑 기술'이라 불리는 이유는 전통 가공보다 짧은 사이클로 제품을 생산하기 때문입니다. RP의 설계 민감도는 매우 낮습니다. 즉, 생산 유연성이 높고, 제조 시 제품 형상 문제를 거의 고려하지 않아도 되어 많은 시간을 절약합니다. 이런 관점에서 많은 기업이 RP 기술을 사용해 제품 테스트 피스를 제조해 제품 성능과 기타 파라미터를 빠르게 파악합니다.

경제성 및 기타 제약 (Economics & Other Constraints)

다양한 RP 공정의 생산성이 향상되었지만 RP 생산성에 대한 생산 요구사항은 충족되지 않았습니다. 또한 RP 공정이 제공할 수 있는 극심한 불균등성으로 인해 장비와 소재 손실이 크게 과장됩니다.

현재 RP 기술이 제품 프로토타이핑과 시험 생산에 큰 장점이 있지만, 장비와 소재의 높은 가격과 손실, 전통 공정과의 생산성 차이가 RP 공정의 대규모 제조를 제한합니다. 물론 경제성은 RP 공정이 오래가는 부품을 만드는 데 드물게 쓰이는 한 가지 이유일 뿐입니다. 다른 주요 요인은 제품 강도, 소재, 공정 반복성 등입니다.

프로토타입 제조 기술의 발전

RP 기술 발전에 관해선 제조된 제품이 표면 거칠기, 정밀도, 반복성, 제품 품질 측면에서 전통 제조법과 아직 격차가 있습니다. 기존 RP 공정과 공정 체인이 신뢰할 수 있고 안전한 기술로 발전해 공정이 요구하는 정밀도와 품질을 달성하려면 일정 기간의 개발이 필요하다고 할 수 있습니다. 위에서 언급한 RP 공정들은 거의 같은 정밀도(0.1-0.2mm/100mm)와 거칠기(Ra 5-20µm)를 가지며 반복성은 상대적으로 낮습니다. 기계 설계 측면에서 추가 개선이 이뤄져야 하며, 이는 기술 피드백 시스템을 통해 달성할 수 있습니다. 제품 품질 향상을 위해 RP 공정과 전통 공정을 결합한 복합 공정 장비가 등장할 것으로 예상됩니다.

장비와 소재 관점에서 주요 연구 방향은 가공 방법, 가공 장비, 레이저 발생기, 소재에 집중되어 있으며, 제품 강도, 내구성, 정밀도, 주기 향상을 목표로 합니다. 이러한 연구들이 궁극적으로 신속 프로토타이핑에서 신속 제조로의 전환에 강력한 동력을 제공할 것입니다.

부품 분야에서 3D 프린팅 기술로 복잡한 제품을 신속하게 생산할 수 있습니다. 전통 자동차 제조 분야에서 자동차 부품 개발은 장기 연구개발과 검증이 필요합니다. R&D부터 테스트 단계까지 부품 금형을 만들어야 하는데, 시간만 오래 걸리는 게 아니라 비용도 많이 듭니다. 문제가 생기면 부품 구조 수정 등에도 같은 긴 주기가 필요합니다. 3D 프린팅 기술로 복잡한 부품을 신속하게 만들 수 있습니다. 테스트에서 문제가 생기면 3D 파일을 수정하고 재출력해 다시 테스트하면 됩니다. 3D 프린팅 기술이 미래 부품 개발을 더 저렴하고 효율적으로 만든다고 할 수 있습니다.