실리콘 3D 프린팅 입문: 첨단 생산을 위한 초보자 가이드

[이미지 출처: ACEO]

실리콘 3D 프린팅은 새롭지만 매우 다재다능한 기술로, 의료, 로봇, 자동차 등 대부분의 산업에 적용 가능합니다.

오늘날 시제품 제작과 소량 생산에 사용되어 기업들이 더 적은 수량의 부품을 더 빠르고 경제적으로 생산할 수 있게 합니다.

이 가이드에서는 실리콘 3D 프린팅 수요를 이끄는 요인, 시장에 나온 핵심 기술, 실리콘 3D 프린팅의 혜택을 가장 많이 받는 응용 분야를 탐구합니다.

실리콘 3D 프린팅의 부상

실리콘은 섬유부터 자동차 부품까지 거의 모든 곳에 존재합니다. 놀라운 응력과 온도 극한을 견딜 수 있어 항공기와 우주선 조립의 많은 부분에서 선호되는 소재입니다. 생체적합성 덕분에 실리콘은 의료 분야에서도 널리 쓰입니다.

최근까지 실리콘 부품 생산은 주로 사출 성형으로 이루어졌습니다. 그러나 이 기술은 금형 비용이 매우 비싸 10만 달러를 훌쩍 넘길 수 있어 소량 생산에는 비용이 과도합니다.

게다가 첫 생산 후 설계를 변경하려면 금형을 다시 만들어야 해 비용과 리드타임이 추가로 늘어납니다.

반면 3D 프린팅은 툴링이 필요 없고 공정 비용이 생산량에 좌우되지 않아 더 유연합니다. 따라서 소량 부품이 필요할 때 3D 프린팅과 실리콘의 결합은 완벽한 조합입니다.

이 조합이 제공하는 이점에도 불구하고 실리콘 3D 프린팅은 소재의 특성 때문에 최근에야 개발되었습니다.

실리콘은 점도가 높아 다른 폴리머처럼 3D 프린팅하기 어렵습니다. 또한 실리콘은 보통 고온에서 고화되는데, 이는 폴리머 3D 프린터가 달성하기 어려운 조건입니다.

그러나 실리콘 3D 프린팅 시장은 수요 증가와 기술 혁신에 힘입어 점차 확대되고 있습니다.

실리콘 3D 프린팅 기술

독일 화학 대기업 바커 케미(Wacker Chemie AG) 산하 ACEO가 순수 실리콘 3D 프린팅 기술을 최초로 개발했습니다.

2016년 처음 공개된 ACEO 기술은 잉크젯 기술과 유사한 '드롭 온 디맨드(drop-on-demand)' 방식을 사용합니다. 공정은 단일 부품 레이어 모양으로 소재 방울을 증착한 뒤 UV 빛으로 경화하는 것으로 시작합니다. 다음 실리콘 방울 층을 증착하고 UV 빛으로 이전 층과 결합합니다. 객체가 완성될 때까지 반복합니다.

최초로 100% 실리콘 부품을 생산하는 3D 프린팅 기술인 것 외에도, ACEO 공정은 사출 성형과 비교 가능한 등방성(모든 방향에서 균일) 기계적 특성을 가진 부품을 만듭니다.

또한 ACEO 공정은 멀티 머티리얼이기도 해, 서로 다른 색상과 경도의 부품을 생산할 수 있습니다.

작년, ACEO는 새로운 ACEO Imagine Series K2 3D 프린터를 출시해 기술을 한층 개선했습니다. 이 프린터는 최대 4가지 다른 실리콘 소재를 동시에 3D 프린팅할 수 있게 합니다.

실리콘 3D 프린팅 분야의 초기 진입자 중 하나로서 ACEO 기술은 산업재, 화학, 의료, 치과 등 다양한 산업에서 수요가 있습니다.

헨켈(Henkel)의 로크타이트(LOCTITE) 3D 프린터

헨켈은 실리콘 3D 프린팅 분야에서 활발한 또 다른 화학 기업입니다. 2018년 로크타이트 브랜드로 실리콘 3D 프린터와 두 가지 실리콘 소재를 출시했습니다.

이 3D 프린터는 디지털 라이트 프로세싱(DLP) 기술 기반으로, 액체 광중합체 레진을 광원으로 경화합니다. 실리콘 레진 외에도 헨켈과 다른 소재 제조사가 개발한 다양한 소재를 처리할 수 있습니다. 이는 3D 프린터가 개방형 소재 플랫폼임을 의미하며, 사용자가 단일 소재 브랜드에 국한되지 않아 훨씬 더 큰 유연성을 제공합니다.

스펙트로플라스트(Spectroplast)의 실리콘 3D 프린팅 서비스

헨켈과 ACEO 같은 대기업 외에도 몇몇 스타트업이 독자적 기술로 실리콘 3D 프린팅 시장에 진입했습니다. 스위스 기업 스펙트로플라스트가 그 중 하나입니다.

스펙트로플라스트는 작년 9월 DLP 기반 3D 프린터의 수년간 연구 개발 끝에 실리콘 3D 프린팅 사업을 시작했습니다.

DLP 방식은 '기존 실리콘 3D 프린팅 방식보다 최소 10배 빠르며 훨씬 높은 해상도와 향상된 표면 마감을 제공한다'고 스펙트로플라스트 CTO 페타르 스테파노프(Petar Stefanov)는 AMFG 인터뷰에서 밝혔습니다.

회사가 성장함에 따라 신세대 실리콘 소재 출시와 사출 성형 수준의 기술 개발을 계획하고 있습니다.

최근 138만 유로 시드 투자를 유치한 스펙트로플라스트는 이 목표를 향해 순항 중이며 성장하는 실리콘 시장에서 입지를 다질 좋은 위치에 있습니다.

저먼 렙랩(German RepRap)의 LAM 기술

또 다른 흥미로운 실리콘 3D 프린팅 기술은 저먼 렙랩이 개발했습니다. 이 회사는 압출 기반 3D 프린터를 전문으로 하지만, 실리콘 3D 프린팅 기술은 완전히 다른 접근법을 취합니다.

액체 적층 제조(Liquid Additive Manufacturing, LAM) 기술이라 명명된 이 공정은 액체화된 폴리머(실리콘 포함)를 층별로 증착합니다. 각 층은 열 노출 하에 이전 층과 가황(vulcanisation)되어 결합됩니다.

가황 공정 덕분에 LAM 3D 프린팅 부품은 사출 성형 부품과 거의 동일한 특성을 갖는다고 합니다.

LAM 공정은 2018년 폼넥스트에서 최초 양산형 LAM 3D 프린터 L280과 함께 처음 공개되었습니다. 회사는 산업용으로 기술을 더 개발해 작년 신형 L320 LAM 3D 프린터를 출시했습니다.

주목할 점은 지난달 저먼 렙랩이 3D 프린터도 만드는 기계 제조사 아르부르크(Arburg)에 인수되었다는 것입니다. 인수가 LAM 기술 로드맵에 어떤 영향을 미칠지 흥미롭습니다. 아르부르크가 LAM 기반 실리콘 3D 프린터를 개발할지, 저먼 렙랩이 대형 기술 그룹 지원하에 LAM 기술을 계속 개발할지 지켜봐야 합니다.

<어쨌든 3D 프린팅 실리콘에 대한 수요 증가와 경쟁이 거의 없는 점을 고려하면 LAM 기술 개발이 중단될 가능성은 낮습니다.

실리콘 3D 프린팅 응용 분야

 

의료(Healthcare)

무독성, 생체적합성, 자외선 및 화학 물질 저항성 같은 소재 특성 덕분에 실리콘 3D 프린팅은 의료 산업 응용에 특히 적합합니다.

보청기, 마스크, 보철, 보철 라이너, 기관지 스텐트, 심장 판막, 정형 깔창 등이 포함됩니다.

본질적으로 실리콘 3D 프린팅은 이러한 기기를 비용 효율적으로 맞춤화할 수 있게 해 환자에게 더 나은 핏을 제공합니다.

스펙트로플라스트가 공유한 한 사례에서 실리콘 3D 프린팅이 유방암 환자를 위한 맞춤형 유방 보철물 제작에 적용되었습니다.

유방 절제술(mastectomy) 과정에서 '유방 일부가 제거되고 대부분의 환자는 외부 보철물, 즉 브래지어 안에 착용하는 실리콘 물체를 선택해야 합니다. 오늘날 이들은 몇 가지 표준 크기와 더 적은 표준 모양으로 나와 환자 해부학에 완벽하게 맞지 않습니다'라고 페타르 스테파노프가 설명합니다.

스펙트로플라스트 실리콘 3D 프린팅 서비스로 병원은 이제 환자 맞춤형 보철물을 제공해 원래 대칭을 유지할 수 있게 되었습니다.

또 다른 사례에서 로크타이트는 호흡기 제조사가 환기 제품용 실리콘 튜브 100개를 생산하도록 도왔습니다. 사출 성형은 설계 제약(튜브가 매우 작은 중공 코어를 가져 제작이 거의 불가능) 때문에 실행 불가능했습니다. 그래서 복잡한 형상과 디테일을 제약 없이 만들 수 있는 3D 프린팅을 선택했습니다.

결국 투명 실리콘 튜브 100개가 하루 30개 속도로 3D 프린팅되었고, 개당 비용은 $19로 사출 성형 견적 $190보다 현저히 낮았습니다. 비용 절감뿐 아니라 리드타임도 하드 툴링 기준 4~6주에서 단 며칠로 단축되었습니다.

로봇공학(Robotics)

산업재 산업에서 실리콘 3D 프린팅은 소프트 로봇의 시제품 제작과 제조에 사용됩니다. 소프트 로봇은 고도로 유연한 소재로 만들어져 전통 로봇이 흉내 낼 수 없는 생물체 같은 새로운 로봇 움직임을 가능케 합니다. 게다가 소프트 로봇은 주변 환경에 뛰어난 적응력을 보이고 인간 주변에서 더 안전합니다.

독일 스타트업 폼핸드(Formhand)는 실리콘 3D 프린팅을 활용해 산업 전반의 다목적 범용 그리퍼를 개발했습니다. 팀은 ACEO의 실리콘 3D 프린팅 서비스로 여러 그리퍼 설계를 시제품 제작했습니다. 기술 덕분에 맞춤형 부품을 빠르고 저렴하게 만들 수 있었습니다.

기타 응용

위 응용 분야 외에도 실리콘 3D 프린팅은 전자 부품 커버 제작에 적합해 극한 열, 습기, 염분, 부식, 오염으로부터 보호합니다.

또한 화학 및 자동차 응용용 씰 제조에도 사용할 수 있습니다. 치과 산업에서는 교정 전문의가 실리콘 3D 프린팅으로 치과 모델을 만들어 크라운 등 다양한 치과 기구 제작에 활용합니다.

실리콘 3D 프린팅의 미래

분명 실리콘 3D 프린팅 응용의 한계는 하늘뿐입니다. 그러나 기술이 초기 단계라 도입률은 낮습니다. 많은 기업이 아직 기술 역량을 모르거나 신기술이라 도입을 망설입니다.

하지만 이 분야의 지속적인 혁신과 신규 기업 유입을 고려하면 실리콘 3D 프린팅은 다른 실리콘 제조 기술의 실행 가능한 대안이 될 것입니다. 실리콘 3D 프린팅 부품 수요가 존재하고 증가하고 있어, 이 기술의 미래는 흥미롭고 영향력 있을 것입니다.