대형 3D 프린팅이 제조업을 혁신하다: 4가지 게임 체인징 적용 사례

대형 3D 프린팅은 대형 부품 및 컴포넌트 제조를 위한 비용 효율적이고 유연한 솔루션으로 서서히 주목받고 있습니다. 현재 시판 중인 대부분의 3D 프린터가 소형 부품용으로 개발되었지만, 터빈 블레이드나 항공기 날개 전체 같은 대형 부품을 출력할 수 있는 3D 프린팅 기술의 전망은 어떨까요?

이번 기사에서는 현재 사용 가능한 대형 3D 프린팅 기술과 대형 3D 프린팅의 위력을 보여주는 실제 적용 사례를 살펴봅니다.

대형 3D 프린팅이란?

제조 기술로서 3D 프린팅은 점점 더 입지를 넓히고 있습니다. 이 기술은 분할 베어링, 자동차 부품, 의료용 임플란트, 신발 등 다양한 분야에 적용됩니다. 하지만 이러한 응용 분야의 공통점은 생산되는 부품의 크기가 상대적으로 작다는 것입니다.

대형 포맷 3D 프린팅은 여전히 틈새 기술이지만, 대형 부품 생산 시 제조업체가 직면하는 여러 과제를 해결할 잠재력을 지니고 있습니다.

항공기 날개와 같은 대형 컴포넌트는 무겁고 다루기 까다로우며, 생산을 위해 더 긴 설정 시간과 더 큰 공구가 필요합니다. 이는 결국 제조 비용 상승과 리드 타임 증가로 이어집니다.

3D 프린팅은 제조업체가 대형 부품을 더 빠르고 비용 효율적으로 생산하도록 도울 수 있습니다. 3D 프린팅이 제공하는 설계 복잡성 덕분에 이러한 부품은 경량화 및 성능 향상 같은 핵심 이점을 누릴 수 있습니다. 또한 대형 컴포넌트를 여러 파트로 나누어 출력 후 조립하는 대신 한 번에 출력할 수 있다면 조립 시간도 단축됩니다.

대형 3D 프린팅 기술

대형 3D 프린팅에는 여러 기술이 해당됩니다. 아래는 알아두어야 할 상용 대형 3D 프린팅 기술들입니다.

플라스틱용 대형 포맷 3D 프린팅

BAAM (Big Area Additive Manufacturing)

현재 사용 가능한 가장 큰 3D 프린팅 기술 중 하나는 BAAM입니다. 오크리지 국립연구소(ORNL)가 신시내티사와 협력해 개발한 BAAM은 2014년 IMTS에서 자동차 전체를 3D 프린팅하며 처음 공개되었습니다.

갠트리 시스템에 장착된 압출기를 사용하는 이 3D 프린터는 ABS, PPS, PC, PLA, PEI 같은 열가소성 소재로 최대 6 x 2.4 x 2m 크기의 부품을 제작할 수 있습니다.

도입 이후 BAAM은 잠수함 선체 실물 크기 프로토타입부터 3D 프린팅 자율주행 차량까지 다양한 분야에 활용되었습니다.

LSAM (Large Scale Additive Manufacturing)

미국 기업 Thermwood가 개발한 LSAM 기술은 산업 생산에 전념하는 또 다른 대형 3D 프린팅 기술입니다.

2016년 처음 공개된 LSAM 3D 프린터는 빌드 엔벨로프가 10 x 40피트(약 37㎡)이며 수평·수직 양방향 출력이 가능합니다.

LSAM의 독특한 특징은 적층과 절삭 기술을 결합한 하이브리드 방식입니다. 3D 프린팅 갠트리와 5축 CNC 라우터인 트림 갠트리를 갖춰 부품 생산의 모든 공정을 한 장비에서 수행할 수 있어 제조 공정이 빨라집니다.

또한 특수 강철 합금으로 만든 압출기 스크루 설계 덕분에 프린트 헤드가 최대 450°C까지 출력할 수 있어 고온 복합 열가소성 소재로 대형 부품 제조가 가능합니다.

Thermwood의 LSAM 장비는 자동차, 항공우주 등 산업용 툴링, 금형, 생산 지그 제작을 위해 개발되었습니다.

BigRep의 대형 3D 프린터

대형 포맷 3D 프린팅 분야에서 잘 알려진 BigRep은 2014년 설립되어 대형 3D 프린팅을 쉽고 저렴하게 만드는 것을 목표로 합니다.

첫 장비인 BigRep ONE v1을 같은 해 출시했으며, 1㎥의 큰 빌드 볼륨과 약 4만 달러의 가격대를 자랑합니다. 출시 5년이 지난 지금도 BigRep ONE(3세대)은 볼륨 대비 최저 가격대 기계 중 하나로 꼽힙니다.

BigRep의 3D 프린터 라인업은 소형 데스크톱 3D 프린터와 고가의 대형 산업용 프린터 사이의 시장 공백을 메우며, 중소 설계·제조 기업을 타깃으로 합니다.

대형 금속 3D 프린팅

EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing)

금속 3D 프린팅 분야에서 Sciaky는 EBAM 기술로 가장 큰 금속 3D 프린터를 제공합니다. 예를 들어 EBAM 150 시스템은 3708 x 1575 x 1575mm의 인상적인 빌드 볼륨을 가집니다.

EBAM은 전자빔으로 와이어 형태의 금속을 녹이는 용접과 유사한 공정을 사용하므로 티타늄, 인코넬, 스테인리스강 등 다양한 용접 가능 소재 가공에 적합합니다.

Sciaky는 자사 AM 시스템을 대형 단조 및 주조 대비 더 빠르고 저렴한 대안으로 포지셔닝합니다. 특허받은 폐루프 제어 시스템으로 군용, 해군, 항공우주 분야에 향상된 물성과 미세조직을 가진 금속 부품 제조가 가능합니다.

WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing)

EBAM과 마찬가지로 WAAM도 와이어 피드스톡을 사용하지만 전기로 금속을 녹입니다. WAAM은 최대 10m 길이의 부품을 티타늄, 니켈, 스테인리스강, 알루미늄, 청동 합금 등으로 제작할 수 있습니다.

WAAM은 항공기 동체 패널, 압력 용기 같은 대형 금속 부품 생산에 쓰이며, 터빈 블레이드, 금형, 다이 같은 특정 컴포넌트의 수리·보수 작업에도 이상적입니다.

대형 포맷 샌드 3D 프린팅

대형 포맷 샌드 3D 프린터 제조사로 가장 잘 알려진 곳은 2002년부터 이 분야에서 활약해 온 voxeljet입니다.

2011년 voxeljet은 빌드 볼륨 4 x 2 x 1m의 VX4000을 선보였는데, 이는 현재까지 가장 큰 샌드 3D 프린터 중 하나입니다. ExOne도 최대 2.2 x 1.2 x 0.7m 빌드 볼륨의 전문가급 샌드 프린팅 시스템을 제공합니다.

두 업체 모두 바인더 제팅 공정을 사용합니다. 액체 결합제를 모래 층에 선택적으로 분사해 모래 입자를 결합하는 방식입니다.

샌드 3D 프린팅은 주조 업계에 특히 유용합니다. 금속 주조용 대형 복합 샌드 몰드와 코어를 더 빠르고 비용 효율적으로 제작할 수 있기 때문입니다.

대형 3D 프린팅의 혜택을 누릴 수 있는 3대 산업

대형 부품 3D 프린팅은 기업에 다양한 이점을 제공합니다. 세 산업이 어떻게 대형 3D 프린팅을 활용해 생산 속도를 높이고, 납기를 단축하며, 재료 낭비를 줄이고, 기존 제조로는 불가능한 새로운 형상을 구현하는지 살펴보겠습니다.

항공우주

항공우주 산업에서 3D 프린팅은 주로 중소형 부품과 툴링 제작에 사용되어 시간과 비용을 절감해 왔습니다. 그러나 대형 포맷 3D 프린팅은 이 분야에 독특한 기회를 제공합니다. 긴 리드 타임과 재료 낭비를 줄일 수 있기 때문입니다.

전통적인 단조·가공 방식으로 대형 구조 부품을 제작하려면 최대 1년이 걸립니다. 또한 절삭 방식은 경우에 따라 최대 80%의 재료 낭비를 초래합니다.

반면 대형 3D 프린팅은 소요 시간을 대폭 단축하고 재료 낭비를 줄입니다. 더 중요하게는 멀티 파트 컴포넌트를 단일 부품으로 출력하는 파트 통합(part consolidation)이 가능해 조립 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

스포트라이트: Lockheed Martin, 항공우주 부품 3D 프린팅

항공우주 분야에서 가장 흔히 쓰이는 대형 포맷 3D 프린팅 기술은 Sciaky의 EBAM입니다. 최대 6m 높이, 1.2m 폭의 고성능 부품을 기존 제조 방식보다 훨씬 빠르게 생산할 수 있기 때문입니다.

글로벌 항공우주·방산 기업 Lockheed Martin은 2014년부터 EBAM을 도입했습니다. 이 기술로 직경 116cm의 거대한 티타늄 돔을 위성 연료 탱크용으로 3D 프린팅합니다.

지난 여름 인증받은 이 3D 프린팅 돔은 위성 탑재 연료용 고압 탱크 개발을 위한 다년 프로그램의 일환입니다. 연료 탱크는 전통 방식으로 제조한 티타늄 실린더(본체)와 두 개의 3D 프린팅 돔(캡)을 용접해 완성합니다.

EBAM의 정밀한 재료 증착 덕분에 Lockheed Martin은 재료 낭비를 80% 줄였습니다. 또한 시간당 최대 11kg의 높은 증착 속도 덕분에 납기를 2년에서 3개월로 단축해 87% 리드 타임 감소를 달성했습니다.

Lockheed Martin은 이러한 탱크가 우주 기술 설계 및 공급 방식을 혁신하는 발판이 될 것이라 보며, 대형 포맷 3D 프린팅이 그 핵심 역할을 한다고 강조합니다.

스포트라이트: Bell Helicopters, 대형 블레이드 툴링에 3D 프린팅 활용

Lockheed Martin이 대형 금속 3D 프린팅을 최종 부품 생산에 활용한다면, Bell은 폴리머 3D 프린팅으로 툴링 생산 혁신을 이루고 있습니다.

항공우주 분야에서 툴링 제작은 오랜 시간과 비용이 드는 과정입니다. Bell은 Thermwood의 LSAM 기술을 도입해 헬리콥터 블레이드용 대형 금형을 제작했습니다.

툴링의 핵심 요구사항은 우수한 표면 조도, 엄격한 공차, 오토클레이브 공정 견딜 수 있는 내구성이었습니다. 오토클레이브는 고압·고온 환경에서 복합 소재 부품을 강화하는 공정입니다.

LSAM이 이 적용에 이상적이었던 이유는 두 가지입니다. 첫째, 6m 길이의 툴을 고성능 탄소섬유 강화 PESU 소재로 제작할 수 있어 고압·고온을 견딥니다. 둘째, LSAM은 하이브리드 기술이라 3D 프린팅 후 별도 장비 없이 마무리 가공이 가능해 공정이 더욱 빨라집니다.

이러한 이점 덕분에 Thermwood는 기존 공정이면 수개월 걸릴 툴을 단 며칠 만에 제작했습니다.

또한 적층 기술로 내부 지지 구조를 몰드 캐비티 후면과 접촉하지 않게 설계함으로써 오토클레이브 내 공기가 성형 부품 전체 하부를 자유롭게 흐르게 해 경화 균일성을 높였습니다.

이 사례는 대형 3D 프린팅이 대형·고난도 항공우주 컴포넌트에 새로운 설계 가능성을 열어줌을 보여줍니다.

건설

건설 산업의 3D 프린팅 도입은 아직 초기 단계지만, 유망한 잠재력을 보입니다.

새로운 트렌드 중 하나는 3D 프린팅 프리캐스트 거푸집입니다. 건설에서 거푸집은 콘크리트를 부어 형상을 만드는 임시 몰드로, 교량, 기초, 건물 벽체 등을 만드는 데 쓰입니다.

전통적으로 목재로 수작업 제작하지만, 목재 거푸집은 내구성이 낮아 15~20회 타설 후 파손되기 쉽습니다. 또한 수작업 특성상 가능한 형상과 기하학이 사람의 능력으로 제한됩니다.

이러한 상황에서 대형 3D 프린팅은 거푸집 제작 공정을 크게 단순화하면서 대형 몰드 구조물의 복잡성과 내구성을 향상시킵니다.

스포트라이트: 3D 프린팅 프리캐스트 몰드, 42층 건물 외관 혁신

최근 뉴욕의 42층 주상복합 건물 대규모 리노베이션 프로젝트에서 3D 프린팅 거푸집이 활용되었습니다.

새 외관 작업을 맡은 Gate Precast는 목재 몰드 제작에 최대 9개월이 소요될 것으로 예상했습니다. 일부 몰드는 2.6 x 1.7 x 0.5m 크기로 제작 기간을 더욱 늘렸습니다.

공정 단축을 위해 Oak Ridge 국립연구소(ORNL)와 협력해 BAAM 기술을 도입했습니다.

BAAM 덕분에 몰드당 8~11시간 만에 출력하고, 추가 8시간 가공으로 원하는 표면 조도를 얻었습니다. 몰드는 탄소섬유 강화 ABS로 제작되었습니다.

결과적으로 3D 프린팅 몰드는 수명 동안 최대 200회 콘크리트 타설이 가능해 목재 몰드(15~20회) 대비 내구성이 월등히 뛰어났습니다.

Gate Precast는 3D 프린팅 몰드와 BAAM 없이는 프로젝트 일정 내 거푸집 제작이 불가능했을 것이라 평가합니다.

이 사례에서 3D 프린팅은 더 내구성 있고 복잡한 몰드를 더 짧은 시간에 제작하는 가치를 입증했습니다. 다만 3D 프린팅이 목재 거푸집을 완전히 대체하진 않겠지만, 건축가들에게 실행 가능한 프리캐스트 몰드 제조 대안을 제시했습니다.

주조

대형 포맷 3D 프린팅은 주조 산업에서도 점점 주목받고 있습니다. 주조업은 특수 형상의 몰드와 코어에 용융 금속을 부어 금속 주물을 생산하는 사업입니다.

금속 주조 공정에서 3D 프린팅은 패턴, 코어, 몰드 제작의 고비용·장시간 단계를 생략하는 데 도움을 줍니다.

기존 금속 주조를 예로 들면, 도면에서 정밀 몰드·패턴 제작을 거쳐 최종 주물 부품까지 수개월이 걸립니다. 주조공장은 몰드를 재고로 보관해야 하는데, 대형이거나 드물게 쓰이는 몰드는 보관 비용이 많이 듭니다.

숙련된 패턴·몰드 제작자 부족도 주조공장이 직면한 과제입니다.

3D 프린팅은 이러한 과제를 해결하는 도구로 활용될 수 있습니다. 설계 파일만 있으면 수작업 몰드 제작과 복잡한 코어 조립 공정을 생략할 수 있어 몰드 제작 공정이 크게 단순화됩니다.

이렇게 생산을 간소화하면 주조공장은 수주·수개월 걸리던 몰드·패턴 제작을 며칠 만에 완료할 수 있습니다. 또한 온디맨드 몰드 제작으로 물리적 재고를 최소화해 창고 비용을 절감할 수 있습니다.

스포트라이트: Teignbridge, 3D 프린팅 주조 패턴으로 프로펠러 제작

Teignbridge는 예인선, 고급 요트, 어선, 페리용 맞춤형 프로펠러와 선박 추진 시스템을 전문으로 합니다. 창립 40년 동안 다단계 주조 공정을 사용해 왔습니다.

한 단계는 최종 물체의 모델인 패턴을 만드는 것입니다. 패턴을 샌드박스에 넣어 몰드를 만드는데, 이 과정은 노동 집약적이고 시간이 오래 걸리며, 먼저 목재나 폴리스티렌 블록에서 패턴을 밀링해야 합니다.

패턴 제작 시간 단축을 위해 Teignbridge는 BigRep의 BigRep ONE 3D 프린터를 이용한 대형 포맷 FDM 3D 프린팅을 도입했습니다.

이처럼 큰 빌드 엔벨로프를 가진 3D 프린터를 사내에 두면 플라스틱 패턴을 한 번에 출력할 수 있어 사이클 타임과 노동 투입이 크게 줄어듭니다.

예를 들어 전통 방식으로는 숙련된 CNC 오퍼레이터가 밀링, 섹션 조립, 후처리에 최대 20시간을 소요하지만, 3D 프린팅으로 패턴 제작 공정을 자동화해 노동 투입을 90% 줄였습니다.

금속 주조에서 3D 프린팅은 패턴과 몰드 제작의 대안으로 점점 더 활용되고 있습니다.

대형 FDM 3D 프린팅 외에도 샌드 3D 프린팅 옵션이 있습니다. 샌드 3D 프린터는 패턴 제작 단계를 생략하고 샌드 몰드를 직접 만듭니다.

샌드 3D 프린팅 시스템은 최대 4000 x 2000 x 1000mm까지 가능하지만 가격이 비싼 편입니다. 그럼에도 기업들은 3D 프린팅 패턴과 몰드가 주조 공정을 더 빠르고 유연하며 비용 효율적으로 만든다는 장점을 인식하기 시작했습니다.

대형 3D 프린팅이 여는 큰 기회

대형 포맷 3D 프린팅은 여전히 틈새 기술입니다. 주된 이유 중 하나는 많은 기업이 적층 제조의 이점과 가능성, 특히 대형 포맷 측면의 이점을 아직 인지하지 못하기 때문입니다. 그 결과 적절한 비즈니스 케이스를 찾기 어렵습니다.

여기에 많은 대형 3D 시스템이 여전히 지나치게 고가라는 점이 겹칩니다. 기술 실험을 통해 적합한 적용 분야를 찾고 싶은 기업도 비용 부담으로 도입을 망설입니다.

다행히 대형 3D 프린팅 시장이 지속 성장하면서 BigRep의 3D 프린터 같은 더 저렴한 옵션이 등장하고 있습니다.

결국 대형 부품 출력 기술은 다른 시장과 응용 분야로 확대될 잠재력을 가집니다. 자동차 산업이 그 예입니다.

자동차 제조사는 현재 장비로 출력하기 어려운 스포일러, 차체 패널 등 대형 부품 프로토타이핑에 대형 포맷 3D 프린팅을 활용할 수 있습니다.

Ford Motor Company의 Harold Sears는 최근 AMFG와의 인터뷰에서 "모든 차량은 오늘날 기계의 빌드 엔벨로프에 잘 맞는 많은 소형 부품으로 구성되지만, 그만큼 현재 빌드 엔벨로프에 맞지 않는 대형 부품도 많다. 제조사들이 더 큰 빌드 엔벨로프를 가진 다른 시스템을 고려하길 바란다"고 말했습니다.

분명히 리드 타임과 비용 절감 이점에 힘입어 대형 포맷 3D 프린팅에 대한 수요는 존재합니다. 이제 업계는 기술을 지속 발전시켜 그 수요를 충족시키고, 다른 산업이 더 큰 기회(말 그대로, 그리고 비유적으로)를 열 수 있도록 해야 합니다.