2020년 생산용 적층 제조 10대 과제 극복 - 전문가 인사이트

2020년 업데이트됨

설계 유연성, 소재 효율성, 소량 생산으로 적층 제조(AM)는 많은 기업에 매력적 옵션입니다. 하지만 AM을 생산 환경에서 완전히 활용하려면 여러 장애물을 해결해야 합니다.

기술적 과제

1. 느린 생산 속도

속도는 특히 자동차, 소비재 같은 대량 산업에서 중요한 요소입니다. 전통적 3D 프린터는 처리량에서 기존 제조에 뒤처지는 경우가 많습니다.

"최종 부품은 기계의 처리량이나 속도입니다. [자동차] 생산량은 항공우주나 의료와 상당히 다릅니다. 그래서 부품을 며칠, 몇 시간이 아닌 분, 초 단위로 생산할 수 있는 시스템을 봐야 합니다. 기술을 더 빠른 빌드 속도로 밀어붙이는 모든 것이 우리에게 확실히 도움이 될 것입니다."

해롤드 시어스, 포드 적층 제조 기술 기술 리더

제조사들은 고속 솔루션에 막대한 투자를 하고 있습니다. EOS는 단일 SLS 시스템에 최대 100만 개 다이오드 레이저를 사용하는 Laser Pro Fusion을 개발 중으로, 빌드 시간을 극적으로 단축할 잠재력이 있습니다. 금속 프린팅에서 Aurora Labs의 다중 레벨 동시 프린팅(MCP™)은 여러 층을 동시에 증착 가능하게 합니다. 단일 패스로 30층, 내년 목표 100층. PMP1 프린터는 하루 350kg에 도달해 전년 대비 2,000% 속도 향상을 달성했습니다.

이 기술들은 아직 개발 중이지만, 궤적은 AM이 가까운 미래에 생산 속도 수요를 충족할 것임을 시사합니다.

2. 소재 개발과 불일치

"적층 제조 산업에는 확실히 더 많은 소재 솔루션이 필요합니다. 3D 프린팅은 이론적으로 기계적, 생물학적, 전기적 등 고복잡성 고기능성 부품 생산이 가능합니다. 하지만 그걸 실현하려면 충분한 소재 옵션이 있어야 합니다."

사이먼 프리드, Nano Dimension 공동창립자

AM은 폴리머와 복합 소재에서 상당한 진전을 이뤘습니다. Arkema, BASF, DuPont 같은 주요 화학 기업들이 금속 강도에 필적하는 탄소 강화 폴리머를 개발 중입니다. Markforged는 AM 최초 난연 복합 소재 Onyx FR을 출시했습니다. 금속 원료도 진전 중이나 주기는 더 깁니다. 성장에도 불구하고 업계에는 여전히 포괄적 소재 데이터베이스가 부족해 물성 불일치와 어려운 반복성을 초래합니다.

ISO, ASTM 같은 표준 기구들이 니켈, 티타늄, 스테인리스강 등 금속 분말 사양을 정립 중이며, America Makes가 Stratasys, NIAR와 협력해 FDM용 ULTEM 9085 데이터베이스를 구축했습니다. 이러한 노력들이 기업들이 소재를 신뢰성 있게 조달하고 인증하는 데 도움이 될 것입니다.

3. 수작업 후처리

시제품 제작은 수작업 마감을 용인할 수 있지만, 생산은 자동화를 요구합니다. 금속 AM 부품은 분말 제거, 응력 완화 열처리, 서포트 제거, CNC 가공, 때로는 다공성 제거를 위한 열간 등방 압착(HIP)이 필요합니다.

"금속 AM에서는 품질을 보장하기 위해 많은 단계가 필요합니다. 분말을 제대로 제거하고 잔류 열응력으로 빌드 플레이트에서 분리될 때 부품이 휘거나 뒤틀리지 않도록 응력 완화 가열 사이클을 거쳐야 합니다. 서포트 구조를 절삭하고 연마하는 데 많은 시간이 필요합니다. 다른 단계로는 CNC 가공과 기타 마감 작업, 다공성이 없는지 확인하는 열간 등방 압착이 있습니다."

테리 월러스, Wohlers Associates 창립자 겸 회장

자동화된 후처리 솔루션이 등장 중입니다: DyeMansion 세척 장비, AMT 표면 평활화 시스템, PostProcess Technologies 서포트 제거 장비. 금속 분야에서 Digital Metal의 완전 자동화 생산 라인이 로봇으로 빌드 박스, 후처리, 부품 핸들링을 처리해 수작업을 제거하는 방법을 보여줍니다.

진전은 점진적이지만 자동화 워크플로 확장은 대량 AM 생산에 필수적입니다.

소프트웨어 과제

4. 제한된 데이터 준비 역량

"설계와 데이터 준비는 여전히 이 산업의 병목인 반면, 강조점은 더 높은 생산성 하드웨어 시스템에 두고 지능형 소프트웨어 솔루션은 이 방정식에서 제외되어 있습니다."

이브스 하게도른, Aconity3D 전무이사

전통적 CAD 도구는 AM 고유 요구사항(그레이디드 소재, 격자 구조, 다공성 모델링)을 위해 설계되지 않았습니다. 설계자들은 종종 STL로 내보내고 Netfabb로 가져온 후 기계로 보내 데이터 사일로와 오류를 만듭니다.

"많은 고객들이 매우 단절된 워크플로로 작업한다고 말합니다. CAD 도구에서 설계 공정을 하고, 그걸 STL 파일로 변환해 빌드 프로세서(Netfabb 같은)에 가져옵니다. 거기서 기계로 보내지고 기계가 데이터를 수집합니다. 결국 잘 연결되지 않은 데이터 사일로들이 생깁니다."

로버트 얀시, Autodesk 제조 및 생산 산업 전략 이사

주요 CAD 벤더들이 AM 기능을 통합 중입니다: PTC Creo 6.0이 한 환경에서 설계와 프린트 준비를 지원하며 생성 설계 기업 Frustum을 인수했습니다. Stratasys GrabCAD와 3D Systems 3DXpert도 데이터 변환을 간소화합니다. 목표는 설계자가 번거로운 파일 교환 없이 CAD 시스템 내에서 반복할 수 있게 하는 것입니다.

품질 보증 과제

5. 부품 간 편차

"산업이 더 널리 수용되기 위해 해결해야 할 또 다른 큰 것은 부품 간 편차입니다. 그 이유는 시스템에서 나오는 소재 일관성이 반드시 원하는 대로는 아니기 때문입니다. 당신이 얻을 수 있는 가장 약한 부품을 위해 설계해야 하므로 AM의 일부 역량을 온전히 활용하지 못합니다."

자카리 머프리, VELO3D 기술 파트너십 부사장

편차는 소재 화학(입자 크기, 형상, 오염)과 공정 제어에서 기인합니다. 내장 센서와 카메라를 가진 폐루프 제어 시스템이 실시간 편차 감지와 파라미터 조정으로 분말 포집, 미세 균열, 미융합 같은 결함을 줄일 수 있습니다.

"공정 내 제어로 공정 내 결함에 거의 즉시 대응할 수 있기 때문에 이것이 AM의 성배라고 생각합니다."

이브스 하게도른, Aconity3D 전무이사

현재 폐루프 제어 기능을 가진 프린터는 소수지만, AM이 생산 환경으로 이동함에 따라 이 트렌드는 성장하고 있습니다.

6. 업계 전반 표준 부재

"모든 이해관계자와 구성요소에게 업계가 전반적으로 더 나은 표준을 갖는 것은 엄청나게 유익할 것입니다. 보편적으로 이해되고 수용되는 표준이 있다면 기업들은 사과를 사과와 비교해 지능적 결정을 내릴 수 있고 포괄적 생태계 내에서 구현할 수 있습니다."

아비 라이헨탈, XponentialWorks 창립자

표준은 소재, 공정, 제품 품질 보장에 필수적입니다. ISO와 ASTM이 2018년 기준 28개 AM 표준을 발표했으며 더 많은 표준이 예정되어 있습니다. 협력적 노력(Oerlikon-Boeing 티타늄 부품 파트너십, ASTM 적층 제조 우수 센터 등)이 설계, 원료, 공정, 후처리, 테스트, 자격 전반의 표준화를 가속화합니다.

인력 과제

7. 이해와 전문성 부족

"인력 요소가 지금 정말 중요합니다. 기술을 충분히 이해하여 전략을 수립하고 필요한 것을 얻어낼 수 있는 엔지니어, 관리자, 임원이 부족합니다."

존 반스, The Barnes Group Advisors 창립자

지식 격차 해소가 필수적입니다. 많은 기업들이 이제 교육 프로그램, 온라인 강좌, 우수 센터를 제공해 엔지니어 역량 강화를 돕습니다. 컨설팅사와 업계 컨퍼런스도 모범 사례를 전파합니다. 핵심은 적절한 기술을 적절한 애플리케이션에 매칭해 전통 설계를 AM 공정에 강요하는 함정을 피하는 것입니다.

재무 과제

8. 초기 투자 부담

AM 도입은 프린터 구매 이상입니다. 소프트웨어, 소재, 교육, 후처리 장비, 인증, 시설 업그레이드 필요. 선행 비용이 부담될 수 있습니다.

"장비 비용이 더 내려가야 더 넓은 시장에 기술을 개방할 수 있습니다."

아민 비데네거, voestalpine High Performance Metals GmbH AM 전략 및 비즈니스 개발

경제적 엔트리 레벨 시스템이 등장 중입니다. Markforged 복합 소재 프린터는 약 15,000달러로 Dunlop Systems에서 6개월 내 투자 회수, 연간 4만 파운드 절감. Desktop Metal, Markforged, Xact Metal 금속 프린터는 최대 15만 달러로 대형 시스템의 일부분. 빠른 성공(비용 절감, 리드타임 단축, 경량화) 중심 비즈니스 케이스로 투자 유치와 ROI 입증 가능.

워크플로와 통합 과제

9. 단절된 AM 생태계

"전체 AM 생태계는 파편화되어 있습니다: 워크플로와 엔드투엔드 솔루션을 만들기 위해 꿰맞춰야 하는 많은 작은 솔루션과 기업들이 있습니다."

데이브 코노버, Ansys 적층 제조 수석 기술자

설계, 빌드, 후처리, 공급망 전반의 통합은 확장성에 필수적입니다. 파트너십(RIZE와 Dassault Systèmes SOLIDWORKS 통합, Henkel의 풀 밸류체인 제공: 맞춤 소재, Loctite 프린터, 프린팅 서비스)이 워크플로를 단순화합니다. 생태계 협력을 통한 통합이 도입을 가속화합니다.

10. 디지털 인프라 부족

효율적 AM 생산에는 고유 워크플로에 맞춘 디지털 백본이 필요합니다. 기존 제조 IT 솔루션은 종종 부족합니다. 전용 AM 워크플로 관리 소프트웨어가 요청, 프린터빌리티, 기계 분석, 스케줄링, 후처리, 공급업체 커뮤니케이션을 추적합니다.

중앙화된 시스템은 추적성, 생산 계획, 데이터 동기화를 제공하여 디지털 제조 환경으로의 매끄러운 통합을 가능케 합니다.

진화하는 산업

지난 10년간 AM은 시제품 도구에서 실행 가능한 생산 기술로 진화했습니다. 속도, 소재 과학, 자동화, 표준, 인력 개발 혁신이 이 변화를 이끕니다. 기업들이 협력하고 표준화하며 전략적으로 투자함에 따라 적층 제조는 계속 성숙하고 전 분야로 확장될 것입니다.

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