적층 제조가 생산을 위해 해결해야 하는 8가지 과제

적층 제조는 래피드 프로토타이핑 시대 이후로 많은 발전을 이루었습니다. 1980년대에 등장한 이후로 3D 프린팅 기술은 혁신적인 응용 분야를 발견했으며 생산 비용과 리드 타임을 줄이고 제품 성능을 개선하며 대규모 맞춤화를 실현할 수 있도록 돕고 있습니다. 그럼에도 불구하고 AM은 대규모 생산과 관련하여 주요 과제에 직면해 있습니다. 이 기사에서는 업계가 직면한 8가지 과제와 이를 해결하기 위해 취하는 단계에 대해 간략히 설명합니다.

1. 비즈니스 사례 식별

적층 제조에 대한 비즈니스 사례를 만드는 것은 특히 시작과 관련된 높은 비용으로 인해 많은 기업이 직면한 도전 과제입니다. 적층 제조의 장기적인 재정적 이점은 다음과 같습니다.

그러나 하드웨어에서 재료 및 잠재적으로 후처리 장비에 이르기까지 기술에 대한 선행 투자가 필요하다는 사실은 여전히 ​​남아 있습니다.

예를 들어 금속 3D 프린팅을 원하는 사람들에게 금속 AM 기계는 재료 및 후처리 장비 비용을 제외하고 100,000달러 이상의 비용이 쉽게 들 수 있습니다.

따라서 AM을 기존 제조 워크플로에 통합하는 전환을 정당화하기 어려울 수 있습니다. HP Metal Jet의 글로벌 책임자인 Tim Weber는 다음과 같이 설명합니다.

“3D 프린터 제조업체는 우리가 경쟁할 수 있는 우수한 경제성을 갖추어야 합니다. , 다른 적층 제조 회사가 아니라 인베스트먼트 주조, 금속 사출 성형 및 CNC와 같은 전통적인 방법을 사용합니다.”

그러나 이를 해결하기 위해 할 수 있고 이미 수행 중인 여러 단계가 있습니다.

낮은 진입 장벽 중 하나는 3D 인쇄 서비스 기관의 서비스에 참여하고 그들의 전문 지식을 활용하여 귀하의 비즈니스에 가장 적절한 3D 인쇄 응용 프로그램을 식별하는 것입니다.

3D 프린팅이 자산이 될 영역을 식별하는 것과 함께 제조업체는 3D 프린팅 또는 기존 방법(사출 성형, CNC 가공 등)이 특정 애플리케이션에 가장 적합한지 여부를 이해하기 위해 비용을 평가해야 합니다. .

반면, 산업이 성숙함에 따라 기계, 재료 및 운영 비용이 낮아질 것으로 예상됩니다. 이러한 발전은 시간이 지나면 AM의 시리즈 생산으로의 전환을 촉진할 것입니다.

2. 생산량

연속 생산에 필요한 대량(및 짧은 리드 타임)을 지원하려면 적층 제조 워크플로가 빠르고 확장 가능해야 합니다. 현재 대부분의 AM 시스템은 특히 기존 제조 방법과 비교할 때 대량 생산에 필요한 속도가 부족합니다.

AM 하드웨어 제조업체는 이 문제를 해결하기 위해 더 빠른 시스템을 개발하고 있지만 부품당 인쇄 시간은 퍼즐의 한 조각에 불과합니다. 모든 사전 및 사후 처리 단계는 또한 잠재적 처리량을 결정하며 이를 고려해야 합니다.

예를 들어 후처리는 주요 병목 현상입니다. 거의 모든 3D 프린팅 부품은 전체 생산 공정의 30~60%를 차지하는 일종의 후처리가 필요합니다. 후처리 단계를 자동화하는 방법을 찾는 것이 필요할 것이며 PostProcess Technologies와 같은 회사는 이미 후처리 솔루션을 제안하고 있습니다.

AM 빌드 시간을 개선하고 AM 워크플로의 각 단계를 자동화하고 후처리 단계를 최소화하는 것은 따라서 AM을 대규모 작업으로 확장하는 데 필요한 중요한 단계입니다.

3. 반복성

시리즈 생산과 관련하여 반복성의 필요성은 간과할 수 없습니다. 그러나 안정적인 부품을 지속적으로 생산하는 것은 AM이 직면한 지속적인 과제입니다. 예를 들어, 동일한 설정을 사용하더라도 동일한 부품을 생산할 때 여전히 차이가 발생할 수 있습니다.

최종 부품의 품질에 영향을 줄 수 있는 요소 목록은 길고 빌드 플랫폼 내 부품 방향, 기계 보정, 재료 품질 및 부품이 빌드에서 제거되는 방법이 포함됩니다.

매번 성공적인 인쇄를 위해서는 프로세스에 관련된 모든 프로세스 변수를 엄격하게 정의하고 제어해야 합니다. 이는 결코 쉬운 일이 아닙니다.

좋은 소식은 업계가 예측 가능하고 재현 가능한 적층 제조를 가능하게 하기 위한 조치를 취하고 있다는 것입니다. 예를 들어, AM 시스템 제조업체는 제조 공정을 더 잘 제어할 수 있도록 공정 중 모니터링 및 폐쇄 루프 피드백 제어 시스템이 장착된 새로운 기계를 개발하고 있습니다.

4. 재료 가용성

재료 개발은 독점적인 필라멘트가 등장한 이래 먼 길을 왔습니다. 현재 3D 프린팅 기술은 금속, 세라믹, 폴리머 및 복합 재료를 포함한 광범위한 재료에 사용할 수 있습니다.

그러나 적절한 재료의 가용성은 적층 제조를 생산 방법으로 사용하는 데 있어 가장 큰 장벽 중 하나로 남아 있습니다. 재료의 다양성은 제한적이며 비교적 적은 양의 호환 가능한 재료만 사용할 수 있습니다.

이에 대한 한 가지 이유는 많은 3D 인쇄 가능한 재료의 독점 특성에 있습니다. 재료를 독점으로 만드는 것은 회사가 독점을 확립하는 데 도움이 될 수 있지만 고객은 3D 프린터 제조업체로부터 재료를 직접 구매해야 합니다.

AM 재료를 인증하는 것은 두 번째 장애물입니다. AM 재료가 기존 방법과 동일한 표준을 충족하고 시간과 비용이 많이 드는 프로세스가 될 수 있음을 확인하려면 인증이 필요합니다.

하지만 AM 재료 시장은 빠르게 진화하고 있으며 대다수의 제조업체가 이제 제3자에 의한 신소재 개발에 개방되어 있습니다. Ultimaker 및 HP와 같은 일부 회사는 개방형 플랫폼 접근 방식을 적극적으로 수용하여 일부 최대 재료 공급업체와의 협업을 가능하게 합니다. 이러한 발전은 차례로 더 빠른 재료 혁신을 가능하게 할 것입니다.

최근 AMFG와의 인터뷰에서 Ultimaker 사장 John Kawola는 다음과 같이 말했습니다. 3D Systems, EOS 및 Stratasys와 같은 해당 분야의 가장 큰 회사에는 수백 명의 재료 과학자가 없었습니다. 그들은 몇 명의 직원을 보유하고 개별 플랫폼을 위한 재료를 개발했습니다.

"하지만 일단 더 큰 플라스틱 회사가 참여할 수 있도록 인센티브를 제공하면 그들은 모든 집단적 지혜를 시장에 끌어들이고 이것이 모두에게 도움이 된다고 생각합니다."

5. 보안

적층 제조를 도입하려는 기업에서 보안은 점점 더 핵심적인 관심사가 되고 있습니다.

다른 디지털 인더스트리 4.0 기술과 마찬가지로 3D 프린팅은 보안 위험과 사이버 공격에 취약합니다. 예를 들어, 데이터 도난 또는 변조 가능성은 회사의 지적 재산을 손상시킬 수 있습니다.

가상 인벤토리와 분산된 주문형 생산을 포괄하는 새로운 비즈니스 모델이 계속해서 주목을 받게 되면서 보안은 특히 중요해질 것입니다. 그러나 이 단계에 도달하려면 전체 AM 에코시스템에서 보안 및 IP 보호를 보장하기 위한 맞춤형 솔루션의 개발이 필요합니다.

현재 이러한 솔루션은 채택 초기 단계에 있습니다. AMFG 및 LEO Lane과 같은 회사는 놀라운 전략적 파트너십을 맺고 있습니다. 다른 이들은 적층 제조를 위한 블록체인과 같은 보안 기술을 적용하기 위해 특허를 출원하고 이니셔티브를 시작합니다.

디지털 스레드 확보에 대한 우려를 해결하는 것은 생산 기술로서의 3D 프린팅에 대한 신뢰 수준을 높일 뿐만 아니라 공급망 전체에서 추적 가능성을 높일 수 있습니다.

6. 표준화

적층 제조에 대한 포괄적인 표준 세트의 부재는 이 기술이 주류가 되기 위한 주요 장벽 중 하나로 남아 있습니다.

항공우주 및 국방, 의료 및 자동차와 같이 규제가 엄격한 산업에서 최종 사용을 위한 3D 인쇄 부품은 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다. 인증 및 표준화는 이러한 신뢰를 구축하고 강력한 인증 접근 방식을 수립하는 데 핵심이 될 것입니다. 현재 많은 기존 제조 지침은 전통적인 제조 방법에만 적용되며 AM에 대한 새로운 표준을 개발하거나 적용해야 합니다.

그러나 AM 표준화를 향한 여정은 깁니다. 다행스럽게도 ISO 및 ASTM International과 같은 가장 큰 표준 개발 기구 중 일부는 이미 산업 전반의 표준을 개발하는 프로세스를 시작했습니다.

그들의 노력 덕분에 이미 25개 이상의 승인된 표준이 있고 추가로 19개의 표준이 개발 중입니다(2018년 말 기준). ASTM International은 또한 AM 중심 연구 프로젝트에 막대한 투자를 하여 R&D, 표준화 및 업계의 광범위한 상업화 간의 격차를 해소하고자 합니다.

7. 교육

AM 채택의 가장 큰 장애물은 현재의 기술 격차일 것입니다. Deloitte의 2016년 보고서에 따르면 제조업체 10곳 중 9곳은 적절한 기술을 갖춘 직원을 고용하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 기술 부족은 제조업 전체가 직면한 문제입니다.

적층 제조와 같은 첨단 기술에는 새로운 기술이 필요합니다. 적층 제조를 위한 설계(DfAM)를 예로 들어 보겠습니다. 생성 설계 및 토폴로지 최적화와 같은 도구를 사용하려면 엔지니어가 설계에 대한 기존 접근 방식을 재고해야 합니다. 기타 영역에는 기계 유지보수, 자재 취급 및 후처리 지식이 포함됩니다.

교육과 훈련은 전환을 위한 솔루션이 될 것입니다. 기업은 직원 교육에 적극적으로 투자하여 직원들에게 이러한 고급 기술을 통해 혁신을 배우고 추진할 수 있는 기회를 제공해야 합니다.

8. 엔드 투 엔드 워크플로

3D 프린팅은 '스마트 팩토리' 구축에 있어 중요한 기술 중 하나입니다.

그러나 대부분의 기업이 종단 간 AM 워크플로 관리 프로세스를 구축하는 데 어려움을 겪고 있는 것이 현실입니다. 한 가지 병목 현상은 다양한 소프트웨어 패키지를 사용하여 설계에서 완성된 부품으로 이동하는 데 있습니다. 이로 인해 연결이 끊긴 프로세스가 생성되어 효율성이 크게 감소합니다.

다행히도 이 병목 현상을 해결할 수 있는 솔루션이 늘어나고 있습니다. 예를 들어, 워크플로 자동화 소프트웨어는 단절된 워크플로 프로세스의 문제를 해결하기 위해 등장했습니다. 하나의 플랫폼을 사용하여 요청에서 후반 작업 제어에 이르기까지 전체 AM 에코시스템을 관리하면 수동적이고 일상적인 작업을 자동화할 뿐만 아니라 AM 프로세스의 모든 단계에서 추적 가능성을 높일 수 있습니다.

미리 내다보기

적층 제조는 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했으며 2019년에도 예외는 아닌 것 같습니다. 그러나 AM의 산업화가 진행되고 있지만 이 기술이 최종 부품의 대규모 제조 방법으로 실용화되기까지는 아직 갈 길이 멀다. 비용을 낮추고 교육에 더 집중해야 하며 기업은 응용 프로그램에 대한 기술의 가치를 찾아야 합니다. 기술과 산업이 성숙해지고 이러한 문제가 해결됨에 따라 AM 채택 비율은 증가할 것입니다.