적층 제조: 모션 제어 기술로 산업 전반의 혁신을 주도하다

모션 제어 기술, 로보틱스, 전력 변환 기술의 채택이 오늘날 적층 제조(Additive Manufacturing, AM)의 급속한 성장을 이끄는 핵심 동력입니다. 디지털 설계 데이터를 활용해 소재를 아래에서 위로 층층이 융합하여 고체 3차원 물체를 만드는 이 비전통적 공정(3D 프린팅)은 항공우주, 자동차, 패션, 생명과학, 소비재 등 다양한 산업에서 기업들이 실현하고 있는 변혁적 결과에 기여하고 있습니다.

증가하는 복잡성

3D 프린팅으로 시제품을 제작하던 업계 초기부터 이제 산업용 완제품의 본격 생산자로 역할이 확장되기까지, 적층 제조의 범위는 빠르게 변화하고 있습니다. 한때 플라스틱에 국한되었던 소재가 이제는 세라믹, 복합재, 금속, 폴리머, 하이브리드 소재 등 100종 이상으로 확대되어, 공작 기계 지그나 금형 같은 정교하고 내구성 있는 물체 생산의 길을 열었습니다.

혁신적 돌파구와 풍부한 성장에도 불구하고, 적층 장비가 대량 생산용 완성 부품 제조를 원하는 최종 사용자에게 실행 가능하려면 필요한 속도 수준을 달성하기 위한 과제가 남아 있습니다. 하지만 품질을 희생하면서까지 속도를 급격히 높일 수는 없습니다. 이에 업계는 중요한 질문에 직면해 있습니다. 품질을 유지하면서 적층 제조에 필수적인 속도 도약은 어디에서 올 것인가?

궁극적인 답은 여러 출처에서 종합될 수 있지만, 이상적인 솔루션을 찾기에 가장 좋은 곳은 모션 제어 기술의 개선입니다.

오늘날 적층 제조에서의 모션 제어

사람들은 적층 기술에서 모션 제어를 떠올릴 때 익스트루더가 프린팅 베드 위를 얼마나 빨리 움직이는지 상상합니다. 이는 산업 방정식에서 분명히 중요한 부분이지만, 고려할 사항은 더 있습니다. 예를 들어, 다양한 물리적 특성을 가진 광범위한 소재를 동일한 익스트루더로 성공적으로 이송하는 것 역시 모션 제어의 한 형태이며, 장기적 산업 생산성을 위해 매우 중요한 요소입니다.

적층 제조의 활용이 늘어나면서, 메인스트림 생산을 위한 가공 이슈를 극복할 툴셋과 산업 표준의 필요성도 커지고 있습니다. 예를 들어 부품 품질을 유지하면서 기계 속도를 높여야 한다는 수요가 산업용 프린터의 개발과 개선을 촉진했습니다.

AM 초기에는 소형 데스크톱 프레임이 하비스트급 컨트롤러로 제어되며 저렴한 스테퍼 모터를 구동했습니다. 이 방식은 메인스트림 부품 생산에 절대적으로 필요한 파워와 신뢰성이 부족했습니다.

오늘날 적층 제조는 고성능 머신 컨트롤러, 첨단 서보 시스템, 로봇 기술을 활용하여 제품 품질을 높이고 부품 생산을 가속화합니다. 더 구체적으로, 모든 축(익스트루더 포함)에 스테퍼 모터 대신 고해상도 피드백을 갖춘 서보 제어를 사용하는 3D 프린터는 모든 축에서 고속 위치·속도·토크 제어가 가능하여 더 빠르고 일관된 유량과 잼 감지 기능을 제공합니다.

압도적인 이점

터빈 부품부터 운동화, 치과용 크라운, 신축 주택에 이르기까지 기업들은 적층 제조를 위한 산업용 모션 제어 시스템을 도입하여 다음과 같은 이점을 얻고 있습니다:

• 유연하고 다변화된 부품 제조 역량
• 생산 가동률 향상
• 생산 효율성 증대(전체 원자재 사용량 감소)
• 제조 비용 절감

또한 모션 제어 기술과 산업용 로봇 자동화를 결합한 제조사들은 복잡한 수요를 충족하는 독창적 제품을 생산할 수 있는 유연한 공장을 구축할 수 있습니다.

혁신 기술

적층 제조 공정 중 여러 움직이는 부품과 주변 장비의 조정은 효율적 생산의 핵심입니다. 이 때문에 야스카와 아메리카 드라이브 & 모션 사업부의 전문가와 엔지니어들은 혁신적인 머신 컨트롤과 서보 시스템 기술을 개발했습니다:

• MP3300iec 모션 컨트롤러와 Sigma-7 서보 모터 제품군은 G-코드 프로그램과 부드러운 키네마틱 모션 프로파일을 실행하면서 메인스트림 적층 생산에 필요한 고속 성능과 정밀도를 구현합니다.
• 생산성이 필수적이지만 유연성도 그에 못지않게 중요합니다. 이 필요성에서 야스카와 MP3300iec 컨트롤러에 내장된 '싱귤러 컨트롤(Singular Control)' 기능이 탄생했습니다. 이 기능은 6축 로봇부터 로봇 갠트리, 단일 서보 축까지 동일한 장치에서 동일한 프로그래밍으로 제어할 수 있게 합니다. 싱귤러 컨트롤을 통해 사용자는 로봇 프로그래밍 전문가를 고용하지 않고도 적층 제조 분야에서 다양한 기계 유형과 모션 분야를 프로그래밍할 수 있습니다.
• 다음 혁신은 적층 제조 시스템의 심장부인 서보에서 옵니다. Sigma-7 모터와 SERVOPACK 앰프는 야스카와 머신 컨트롤러와 쉽게 결합하여 모션 자동화 시스템을 구성하며, 속도·정밀도·신뢰성에서 눈에 띄는 개선을 제공합니다. 예를 들어 한 기업의 지능형 산업용 3D 프린터는 초당 350mm의 프린팅 속도와 초당 1미터의 이송 속도를 달성합니다. 이는 프린터의 움직임과 소유자의 수익 모두에서 명확한 차이를 만듭니다.

지속적인 혁신

2017 Wohler's Report에 따르면 현재 소재·장비 시장은 70억 달러 규모이며, 향후 연평균 17% 성장률로 확대될 전망입니다. 이 예측이 현실화하려면 다양한 산업에서 상품과 제품의 메인스트림 생산을 위한 핵심 개선 영역이 해결되어야 합니다.

MP3300iec 모션 제어와 리니어 모터 기술의 결합에 대한 지속적인 연구는 3D 프린팅의 속도와 정밀도 향상 니즈를 해결하고자 합니다. 또한 MP3300iec 싱귤러 컨트롤을 로봇 3D 프린팅에 활용하는 연구는 표면 마감, 자재 취급, 삽입, 검사 등 로봇 팔을 이용한 2차 공정 개선에 기여할 것입니다.

적층 제조 기술과 공정은 제품을 설계하고 제조하는 완전히 다른 방식을 제공합니다. 더 많은 연구 개발을 통해 이 생산 방식은 지금까지 상상할 수 없었던 방식으로 산업에 혁명을 일으킬, 가장 가치 있는 제조 형태로 자리 잡을 것입니다.

더 알아보기!

11월에는 조지아 월드 콩그레스 센터(애틀랜타)에서 열리는 FABTECH(11월 6~8일)의 야스카와 부스(#C11414)를 방문하여 적층 제조에 대해 자세히 알아보고 라이브 3D 프린팅 시연을 참관하세요. 업계에서 가장 빠른(프린팅 350mm/s, 급속 이송 1000mm/s, 4G 가속도) 프린터를 선보입니다!