2020년 3D 프린팅 하드웨어 시장의 진화

소형 금속 3D 프린터:성장으로 가득 찬 새로운 부문

PBF 및 금속 바인더 분사 시스템은 생산 요구 사항을 충족하도록 설계되었지만 금속 부품의 프로토타이핑을 더 저렴하고 쉽게 만들기 위해 소형 금속 3D 프린터의 또 다른 부문이 부상하고 있습니다. SmarTech Analysis의 최근 보고서에 따르면 소형 산업용 금속 프린터의 매출은 2027년까지 10억 달러를 넘어설 것으로 예상됩니다.

Markforged와 Desktop Metal은 현재 소형 금속 3D 프린터를 개발하는 가장 큰 두 회사입니다.

Markforged의 Metal X와 Desktop Metal의 Studio System은 모두 플라스틱으로 캡슐화된 금속 분말을 사용하여 녹색 부품을 만든 다음 용광로에서 소결하는 압출 기반 3D 프린터입니다. 이 접근 방식을 사용하면 전통적으로 더 비싼 금속 3D 프린터에 비해 훨씬 더 저렴한 옵션을 사용할 수 있습니다. 이는 주로 더 저렴한 금속 사출 성형 재료로 인해 운영 비용이 낮아졌기 때문입니다.

소형 금속 AM 시스템의 경제성과 간편한 설정은 분명히 시장의 반향을 일으키고 있습니다. 2019년 1분기 Markforged와 Desktop Metal은 3D 프린터 출하량 측면에서 중심 무대를 차지했으며 Desktop Metal은 해당 기간 동안 가장 많은 수의 금속 3D 프린터를 출하했습니다.

소형 3D 프린터가 저렴한 금속 프로토타이핑 및 제품 개발이라는 완전히 새로운 시장에 진출할 수 있기 때문에 금속 3D 프린팅의 이 부문이 계속 성장할 것으로 기대합니다. 이는 또한 산업 고객이 금속 AM 탐사를 지원할 수 있는 옵션이 그 어느 때보다 많다는 것을 의미합니다.

금속 3D 프린팅의 신뢰성 향상

금속 3D 프린터를 더욱 발전시키기 위해 기업은 프로세스에 더 높은 수준의 반복성을 도입해야 합니다. 이에 대한 핵심 솔루션은 프로세스 내 모니터링을 가능하게 하는 센서 및 머신 비전으로 3D 프린터에 전원을 공급하는 것입니다.

3D 프린터 내부에 배치된 센서와 카메라를 사용하여 빌드의 여러 측면을 실시간으로 측정하여 빌드 프로세스를 문서화하고 요구 사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 그런 다음 센서에서 얻은 데이터를 특수 소프트웨어에 피드백하면 데이터를 분석한 다음 프로세스를 개선할 수 있는 방법에 대한 피드백을 제공할 수 있습니다.

이 솔루션은 폐쇄 루프 제어 시스템으로 알려져 있습니다. , 금속 3D 프린터의 필수 요구 사항이 되었습니다.

폐쇄 루프 제어 시스템을 통해 제작 프로세스에 대한 제어를 유지함으로써 제조업체는 품질을 뒷받침하는 일관된 형상, 표면 마감 및 재료 속성을 달성할 수 있습니다.

그러나 폐쇄 루프 시스템에 의해 구현되는 공정 중 품질 관리는 AM 기술에 아직 비교적 생소하고 제조업체가 구현하는 데 장벽이 됩니다. 2019년 현재 시장에 나와 있는 3D 프린터 중 극히 일부만이 폐루프 제어 장치를 갖추고 있습니다.

미래에는 모든 금속 3D 프린터에 폐쇄 루프 제어 시스템은 빌드 실패의 위험을 줄임으로써 프로세스 반복성을 크게 증가시킵니다.

폴리머 3D 프린터

금속 3D 프린팅 하드웨어가 빠르게 성장하는 동안 폴리머 하드웨어는 사용 중인 시스템 측면에서 가장 큰 부문으로 남아 있습니다. 72%의 기업, EY의 글로벌 3D 프린팅 보고서 2019 설문조사, 금속 AM 시스템을 사용하는 49%에 비해 폴리머 AM 시스템을 사용하고 있습니다.

금속 3D 프린터보다 폴리머 3D 프린터를 선택하는 두 가지 핵심 요소는 덜 복잡한 워크플로와 더 큰 경제성입니다.

금속 3D 프린팅 시장과 유사하게 폴리머 시장은 FFF(Fused Filament Fabrication), SLA(Stereolithography)/DLP(Digital Light Processing), SLS(Selective Laser Sintering) 및 Multi Jet Fusion(MJF), 앞으로 몇 년 안에 상용화를 기다리는 많은 신기술.

기업들이 생산 및 프로토타이핑 모두를 위한 신뢰할 수 있고 전문적인 솔루션을 개발하는 것을 목표로 함에 따라 이러한 각 기술은 진화를 겪고 있습니다.

아마도 가장 인상적인 개발은 SLA/DLP 하드웨어 부문에서 일어나고 있습니다. 이러한 기술은 특히 치과 및 소비재와 같은 산업에서 진정한 생산 솔루션이 되고 있습니다. 예를 들어, SLA 3D 프린터는 연간 수십만 개의 장치를 대량 생산하는 치과용 투명 교정기용 대부분의 금형을 생산하는 데 사용됩니다.

하지만 금형을 넘어 이러한 장치를 직접 생산하려면 기술이 아직 성숙해야 합니다.

설치 기반이 가장 큰 하드웨어의 경우 , FFF 3D 프린터가 상위권을 유지합니다. 이는 Ultimaker 및 Makerbot과 같은 회사의 액세스 가능한 데스크탑 FDM 3D 프린터의 인기로 설명할 수 있습니다.

SLS 3D 프린터의 흥미로운 개발

SLS 3D 프린터로 넘어가면서 이 부문에서도 몇 가지 주목할 만한 발전이 있었습니다. 한 가지 예로 벨기에 회사인 Aerosint는 두 가지 다른 분말로 인쇄할 수 있는 SLS 시스템을 개발하고 있습니다. 이렇게 하면 기계가 하나의 분말을 저렴한 지지 재료로 사용할 수 있습니다.

일반적으로 SLS 기계에서 융합되지 않은 지지체 분말은 부품을 인쇄하는 데 사용되는 것과 동일한 재료이며 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 부품 프린팅을 위해 저렴한 지지 재료와 두 번째 재료를 사용할 수 있는 기계를 도입하면 SLS 프로세스를 사용하는 사람들에게 상당한 비용을 절약할 수 있습니다.

SLS 3D 프린팅을 재해석할 수 있는 또 다른 개발은 EOS에서 나옵니다. Formnext 2018에서 EOS는 폴리머 3D 생산을 10배 더 빠르게 할 수 있는 LaserProFusion 시스템을 선보였습니다. 이 위업을 달성하기 위해 회사는 공정에 사용된 레이저 기술을 재창조하는 데 8년 이상을 보냈습니다.

현재 SLS 기계는 하나 또는 몇 개의 CO₂ 레이저를 사용하지만 LaserProFusion 시스템은 최대 백만 개의 다이오드 레이저를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 고해상도뿐만 아니라 훨씬 더 빠른 인쇄 속도로 부품을 생성할 수 있어 잠재적으로 사출 성형에 필적할 수 있습니다.

이 기술은 향후 몇 년 내에 상용화될 예정입니다.

HP Multi Jet Fusion의 빠른 성장

MJF는 2016년 HP가 3D 프린팅으로의 전환을 공개적으로 발표하고 최초의 폴리머 3D 프린터를 출시하면서 시장에 진출했습니다. 그 이후로 MJF는 가장 빠르게 성장하는 폴리머 3D 프린팅 공정 중 하나가 되었습니다. 2018년에는 HP의 MJF 3D 프린터를 사용하여 1천만 개 이상의 부품이 생산된 것으로 알려져 있습니다.

SLS와 같은 분말 베드 융합 제품군에 속하는 MJF는 치수 정확도 및 재료 면에서 장점이 있습니다. 특성으로 인해 강도와 유연성이 모두 우수한 고공차 부품을 인쇄할 수 있습니다.

HP는 MJF 기술 발전에 전념하고 있습니다. 작년에 Jet Fusion 5200 시리즈를 출시했습니다. 이 새로운 시리즈는 기능 프로토타이핑을 위한 Jet Fusion 300/500 시리즈와 단기 실행 및 생산을 위한 Jet Fusion 4200 시리즈를 포함하는 HP의 기존 MJF 포트폴리오를 확장합니다. 새로운 3D 프린터 시리즈가 포트폴리오에 추가되어 대량 생산을 위한 솔루션을 제공합니다.

5200 시리즈의 가장 눈에 띄는 기능 중 하나는 5200 3D 프린터 내부에 있는 램프의 업그레이드된 성능입니다. 이를 통해 새로운 시스템은 이전 시스템의 2-패스 모드와 달리 단일 패스에서 분말을 융합할 수 있습니다. 결과적으로 이 시스템은 생산성이 40% 향상되었으며 고온 재료의 3D 프린팅 가능성을 열어줍니다.

전문 데스크톱 3D 프린터

데스크탑 3D 프린팅 시장은 하드웨어 부문에서 가장 젊은 시장 중 하나입니다. 그 등장은 2000년대 말 '메이커 운동'의 시작으로 거슬러 올라갈 수 있습니다. 이 운동은 소비자 3D 프린팅 혁명을 일으켰지만 소비자 시장의 수요 부족으로 인해 빠르게 무너졌습니다.

소비자 3D 프린팅을 둘러싼 과장된 과대 광고는 많은 데스크탑 3D 프린터 회사를 폐업하게 만들었습니다. 그러나 일부는 소비자에서 전문가 및 기업 시장으로 전환하여 살아남았습니다.

이를 통해 Ultimaker, MakerBot 및 Formlabs와 같은 공급업체가 진출하여 성장하고 번성할 수 있었습니다.

이러한 변화는 또한 더 작은 산업 시스템에 대한 수요가 증가하고 있으며 더 큰 시스템에 비해 비용이 훨씬 적게 듭니다.

전문 사용자에게 초점을 옮기면서 데스크탑 3D 프린터 공급업체는 솔루션을 개선해야 했습니다. 그 결과 이전에는 고급 3D 프린터에서만 볼 수 있었던 산업용 기능이 도입되었습니다. 예를 들어, 히팅 베드, 인클로저 및 이중 압출기는 전문 응용 프로그램을 대상으로 하는 FFF 데스크탑 3D 프린터의 필수 요소가 되었습니다. 일반적으로 기업은 시스템을 보다 생산적이고 안정적으로 만들면서도 컴팩트한 형식을 유지하려고 노력해 왔습니다.

데스크톱 SLA를 고려할 때 Formlabs는 여전히 이 분야의 선두 기업 중 하나입니다. 40,000개 이상의 시스템이 판매된 세계 최대 데스크탑 SLA 3D 프린터 판매자라고 주장합니다.

2019년, Formlabs는 LFS(Low Force Stereolithography)라는 새로운 기술을 도입했습니다. LFS 공정은 인쇄 중 부품에 가해지는 힘을 줄여주는 유연한 탱크 덕분에 디테일과 표면 마감이 개선되었습니다.

고급 LFS 기술을 기반으로 하는 Formlabs의 새로운 Form 3 및 Form 3L 3D 프린터는 데스크탑과 산업용 3D 인쇄 간의 격차를 해소하는 데 도움이 됩니다.

세라믹 3D 프린터

2020년에는 세라믹 3D 프린팅이 폴리머 및 금속 3D 프린팅 기술만큼 확립되지 않았습니다. 이 기술은 아직 개발 초기 단계에 있지만 향후 5~6년 내에 성숙기에 도달할 것으로 예상됩니다.

기술의 참신함 때문에 세라믹의 3D 프린팅을 위한 시스템을 제공하는 소수의 공급업체가 있습니다. 그 중에는 3D Systems, ExOne, Prodways, Lithoz, 3DCeram 및 XJet이 있습니다.

세라믹 3D 프린팅에 특히 혁신적일 수 있는 개발 중 하나는 XJet의 NPJ(Nanoparticle Jetting Technology)의 도입입니다.

2016년에 데뷔한 NPJ는 물질 나노입자(세라믹 또는 금속일 수 있음)를 액체 제형에 현탁시키는 잉크젯 유형입니다. 그런 다음 XJet 시스템의 수천 개의 노즐이 빌드 및 지지 재료 모두에서 이러한 액체 현탁액의 수백만 개의 초미세 방울을 분사합니다.

XJet 프린터는 인쇄 과정에서 내부의 고온(최대 300°C)을 유지합니다. 이렇게 하면 액체가 침전될 때 연소되어 고체가 되는 데 도움이 됩니다. 그러나 프린터에서 나온 부분은 녹색 상태로 남아 있으며 응고를 완료하기 위해 후속 소결이 필요합니다.

잉크젯 3D 프린팅은 정확성과 높은 수준의 디테일을 구현하는 능력으로 잘 알려져 있습니다. 이는 XJet 시스템이 작은 구멍, 얇은 벽, 까다로운 아치 및 날카로운 모서리를 포함하여 거의 모든 형상의 완성 부품을 잠재적으로 생성할 수 있음을 의미합니다.

새로운 유방암 치료제 및 3D 인쇄 안테나는 이미 XJet의 3D 프린터가 산업용으로 적합함을 보여주었습니다.

최근의 발전에도 불구하고 세라믹 3D 프린팅은 아직 갈 길이 멀다. 그러나 3D 프린팅된 세라믹 부품에 대한 수요가 증가함에 따라 세라믹의 3D 프린팅은 궁극적으로 제조 산업의 중요하고 수익성 있는 부분이 될 것입니다.

전자 3D 프린터

세라믹 시장과 마찬가지로 전자 제품용 3D 프린팅 시장은 아직 상대적으로 젊지만 유망한 시장입니다. 현재 전자 3D 프린팅을 위한 하드웨어를 제공하는 회사는 소수에 불과하며 Nano Dimension 및 Optomec과 같은 업체가 이를 주도하고 있습니다.

Nano Dimension과 Optomec의 시스템 이면의 기술은 매우 다르지만 안테나, 인쇄 회로 기판(PCB), 커패시터 및 센서와 같은 전자 부품의 프로토타이핑 및 직접 생산을 위한 똑같이 흥미로운 기회를 제공합니다.

최근 많은 주목을 받은 개발 중 하나는 DragonFly LDM(Lights-Out Digital Manufacturing)의 도입과 관련이 있습니다.

이 시스템은 2017년에 출시된 Nano Dimension의 DragonFly Pro 시스템을 기반으로 하여 엔지니어와 설계자가 전자 부품의 프로토타입을 신속하게 만들 수 있도록 합니다. LDM은 이러한 기능을 프로토타이핑 이상으로 확장하여 소량의 부품 배치를 위한 사내 24시간 제조를 제공한다고 합니다.

나노 디멘션의 3D 프린팅 시스템의 이전 버전과 마찬가지로 이 시스템은 PCB 기판에 전도성 및 절연 물질을 동시 증착하여 작동합니다. 하지만 달라진 점은 드래곤플라이 프로에 비해 40% 이상 향상된 기계의 생산성이다.

이와 같은 발전은 프로토타이핑을 넘어 전자 3D 프린팅의 한계를 뛰어넘는 데 도움이 되므로 고무적입니다. 아직 해야 할 일이 많이 남아 있지만 하드웨어뿐만 아니라 재료 및 소프트웨어 측면에서도 전자 3D 프린팅이 성숙기에 도달할 수 있는 기반을 확실히 마련하고 있습니다.

3D 프린팅 하드웨어:최고의 신뢰성 달성

회사가 사용 가능한 시스템을 지속적으로 개선하고 완전히 새로운 하드웨어 솔루션을 개발함에 따라 3D 프린팅 하드웨어 부문은 빠르게 진화하고 있습니다.

그렇지만 장비 비용은 AM에 대한 투자에 가장 큰 걸림돌 중 하나입니다. EY 글로벌 3D 프린팅 보고서 2019에 따르면, 기업의 87%는 높은 시스템 가격을 3D 프린팅 채택의 중요한 장벽으로 보고 있습니다. 이것은 AM 장비의 비용을 낮추는 것이 기술 사용을 확대하는 열쇠가 될 것임을 의미합니다.

3D 프린팅 업계는 접근성이 더 높은 데스크톱 3D 프린터와 소형 금속 AM 기계를 도입하여 이 문제를 해결하고 있습니다.

그 동안 3D 하드웨어 산업이 팬데믹의 영향을 받아 출하량이 놀랍지 않게 감소했습니다. 시장 조사 기관인 CONTEXT는 전체 3D 프린터 시장의 하드웨어 매출이 작년 수치보다 -27% 감소했다고 밝혔습니다. 거의 모든 서부 상위 20대 산업용 프린터 회사는 출하된 3D 프린터 수가 전년 대비 크게 감소했습니다.

3D 프린팅 공급업체는 3분기 내내 새로운 분야와 알려진 시장에서 이 기술에 대한 새로운 관심을 보고했습니다. CONTEXT에 따르면 이러한 관심이 4분기 주문으로 전환되기를 희망하고 있습니다.

대체로 더 정교한 산업 등급 시스템에 대한 수요는 AM 하드웨어의 진화를 계속해서 가속화할 것입니다. 향후 5년 동안 3D 프린팅 하드웨어는 공정 모니터링 솔루션과 소프트웨어와의 긴밀한 통합 덕분에 훨씬 더 높은 신뢰성에 도달할 것으로 기대합니다.