산업용 3D 프린팅은 얼마나 지속 가능한가요?

3D 프린팅은 스마트하고 지속 가능한 제조를 가능하게 하는 기술 중 하나로 예고됩니다. 3D 프린팅은 덜 낭비적인 프로세스로 간주되지만, 질문은 여전히 ​​남아 있습니다. 3D 프린팅은 친환경 척도에서 어디에 서 있습니까? 과연 친환경적인가?

오늘의 기사는 기술의 환경적 측면을 둘러싼 오해와 사실을 탐구하면서 답을 찾을 것입니다.

지속 가능한 제조 기술로서의 3D 프린팅

지속 가능한 미래를 위해 노력하면서 기업들은 에너지 소비와 폐기물을 줄이기 위해 제조 공정을 최적화하는 방법을 찾고 있습니다. 이를 지속 가능한 제조라고 합니다.

3D 인쇄는 주로 두 가지 이점으로 인해 핵심 지속 가능한 기술 중 하나로 간주됩니다. 이러한 이점에 대해 자세히 알아보겠습니다.

디자인 효율적인 기술로서의 3D 프린팅

3D 프린팅을 통해 엔지니어는 토폴로지 최적화와 같은 새로운 설계 방식을 탐색하고 보다 효율적이고 가벼운 부품을 만들 수 있습니다.

토폴로지 최적화 소프트웨어는 모양과 무게를 최적화하기 위해 기존 디자인에 계산 알고리즘을 적용합니다.

에너지 소비가 시스템의 무게에 영향을 받는 시스템의 경우 더 가볍고 최적화된 부품이 장기적으로 연료 절약의 이점을 제공합니다. 자동차나 비행기의 무게에서 1g을 빼면 절대 연소되지 않는 연료가 되므로 대기 중으로 배출되지 않는 CO2가 됩니다.

한 사례 연구에서 Northwestern University의 연구원은 토폴로지 최적화를 사용하여 금속 항공기 브래킷의 무게를 줄였습니다. 그 결과 무게가 1.09kg에서 0.38kg으로 65% 감소했습니다.

연구원들은 이 브래킷과 같이 여러 일상적인 구성 요소를 토폴로지에 최적화된 3D 인쇄 부품으로 교체함으로써 전체 항공기에서 중량은 4~7%, 연료 소비량은 최대 6.4%까지 줄일 수 있습니다.

이는 상대적으로 작은 부품의 중량 감소가 수백 ~ 수천 개의 부품에 대해 곱해짐을 의미합니다. 항공기 또는 항공기에 사용 – 제품의 서비스 수명 동안 더 큰 에너지 효율성을 느끼며 실질적인 절감으로 이어질 수 있습니다.

부품 통합의 환경적 영향

토폴로지 최적화를 사용하는 것 외에도 회사는 여러 부분으로 구성된 구성 요소의 설계를 단일 단위로 재설계하고 3D 인쇄하여 개선할 수 있습니다. 이 방법을 부품 통합이라고 하며 여러 이점을 제공합니다.

첫째, 최종 조립품으로 설계 및 제조해야 하는 부품의 수를 줄입니다. 둘째, 함께 용접하거나 나사로 조여야 하는 부품이 적기 때문에 조립 프로세스가 간소화됩니다.

마지막으로, 통합은 이음새가 적고 허용 오차가 더 촘촘하기 때문에 내구성이 향상되는 더 나은 성능의 부품을 가능하게 합니다. 감소된 부품 인터페이스는 또한 더 적은 진동과 더 적은 누출 경로를 의미합니다.

이러한 이점은 지속 가능성 목표 달성에도 기여합니다. 현재까지 적층 제조(AM) 지원 설계를 통해 지속 가능성을 주도한 가장 인상적인 사례는 General Electric(GE)과 새로운 Catalyst 항공기 엔진에 대한 작업에서 비롯됩니다.

GE는 Catalyst를 통해 원래 855개의 엔진 구성 요소가 필요했던 설계에서 구형 모델의 모든 기능을 유지하는 12개의 티타늄 3D 인쇄 부품으로 줄였습니다. 변경 사항은 무게와 생산 비용을 크게 줄였습니다.

그러나 이러한 중요한 절감은 배출량을 극적으로 줄일 수 있습니다. GE는 3D 프린팅으로 가능해진 개선이 전체 중량을 5% 줄이고 브레이크 관련 연료 소비를 1% 개선하는 데 도움이 될 것으로 추정합니다.

이러한 감소의 의미는 GE의 규모에 의해 증폭됩니다. 회사의 기술은 이미 모든 항공 분야의 막대한 부분을 지원하고 있습니다. Catalyst가 회사의 전체 제품 믹스에 더 많이 통합될수록 배출량 절감 측면에서 더 큰 영향을 받게 됩니다.

3D 프린팅은 기존 기술보다 자원 낭비가 적습니까?

짧은 대답은 3D 프린팅을 비교하는 기술에 따라 다릅니다. 경제적인 소량 생산의 유사한 가치 제안을 갖는 CNC 가공과 비교할 때 3D 프린팅은 우위를 가지고 있습니다.

간단히 말해서, 이 기술은 각각의 최종 부품의 단면인 얇은 재료 층을 연속적으로 결합하여 물체를 만듭니다. 이를 통해 3D 프린터는 공정에 따라 부품에 필요한 정확한 양의 재료를 용융, 융합, 결합 또는 소결할 수 있습니다.

머시닝과 같은 빼기 프로세스를 사용하여 재료를 단단한 블록에서 잘라내어 최종 부품을 만듭니다. 많은 경우 재료의 작은 비율만 최종 부품에 들어가고 절단 재료 폐기물은 종종 50% 이상에 도달합니다.

3D 프린팅으로 전환하여 이러한 낭비를 줄이는 것은 적층 기술을 매력적으로 만드는 이점 중 하나입니다.

3D 프린팅이 종종 비교되는 또 다른 기술은 사출 성형입니다. 사출 성형은 폐기물이 거의 없는 공정이지만 적은 양의 부품이 필요할 때 리소스를 소모하는 경향이 있습니다.

높은 툴링 비용을 상각하기 위해 제조업체가 필요한 것보다 더 많은 부품을 사출 성형하여 잉여 부품 재고를 유지하는 것은 드문 일이 아닙니다. 이로 인해 재고 유지 비용이 추가되고 관련 원료 낭비가 발생합니다.

사출 성형에 비해 3D 프린팅을 사용하면 제조업체에서 도구에 대한 걱정 없이 소량의 부품 배치를 생산할 수 있습니다. 궁극적으로 3D 프린팅은 주문한 부품의 정확한 양을 생산할 수 있어 원자재와 재고 공간을 절약할 수 있음을 의미합니다.

3D 프린팅의 폐기물

즉, 3D 프린팅 프로세스는 본질적으로 낭비가 없습니다. 폐기물의 두 가지 주요 원인이 있습니다. 하나는 후처리 폐기물이고 다른 하나는 인쇄 실패입니다.

설계 고려 사항으로 인해 3D 프린팅용으로 설계된 부품에는 일반적으로 3D 프린팅 프로세스 동안 부품 변형을 방지하는 데 도움이 되는 구조인 지지대가 필요합니다.

프로세스가 완료된 후 지지대를 제거해야 합니다. 지지대에서 발생하는 폐기물은 일반적으로 크지 않지만 여전히 고려해야 합니다.

예를 들어, 금속 분말 베드 융합(PBF)에서 지지체는 폐기물의 약 10%를 생성할 수 있습니다. 그러나 지지대 최소화를 목표로 하는 우수한 설계 접근 방식을 사용하면 이 수치를 약 2%로 줄일 수 있습니다.

후처리의 또 다른 폐기물 발생 단계는 표면 처리입니다. 폴리머 3D 프린팅 부품의 경우 이러한 종류의 폐기물은 무시할 수 있습니다.

반면, 일부 금속 3D 인쇄 부품의 후처리는 훨씬 더 많은 양의 폐기물을 생성할 수 있습니다. 이는 특히 와이어 기반 직접 에너지 증착과 같은 저해상도 프로세스의 경우에 해당되며, 여기서 부품은 그물에 가까운 형태를 얻기 위해 가공되어야 합니다. 와이어 DED 폐기물의 예는 아래 이미지에 나와 있습니다.

실패한 부품

실패한 인쇄는 또 다른 큰 낭비입니다. 기존 설계 접근 방식과 다른 AM 설계를 최대한 활용하는 방법에 대한 이해가 여전히 부족합니다.

이 전문 지식이 없으면 프로세스 비용을 유지하면서 실패하지 않는 성공적인 설계를 만들 수 있습니다. 효과적이며 도전적입니다. 너무 자주 엔지니어는 최적의 빌드 방향과 지원 전략을 찾기 전에 여러 부품을 폐기해야 합니다.

다행히 이 문제는 고급 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 해결되고 있습니다. 이러한 소프트웨어는 엔지니어에게 프린팅 프로세스 동안 부품이 어떻게 작동하는지 엿볼 수 있는 기회를 제공합니다. 이는 인쇄 실패로 이어질 인쇄 문제를 예측하고 디자인 단계에서 보완할 수 있음을 의미합니다.

요컨대, 3D 프린팅은 기계가공 및 사출 성형에 비해 실제로 낭비가 덜할 수 있습니다. 자체 폐기물 흐름이 있지만 대부분의 경우 설계 및 구축 준비 단계에서 이를 고려하여 크게 최소화할 수 있습니다.

최적화된 지지 구조와 시뮬레이션의 도움으로 실패한 인쇄를 방지함으로써 거의 낭비 없는 3D 인쇄 프로세스를 구축할 가능성이 있습니다.

3D 프린팅 및 폐기물 관리

고려해야 할 또 다른 중요한 지속 가능성 요소는 3D 프린팅 재료의 재활용성과 재사용입니다. 이 문제는 재료 가격이 비싸고 분말 형태의 금속은 재사용할 수 없다는 오해가 지속되는 금속 3D 프린팅 산업과 특히 관련이 있습니다.

금속 PBF는 인쇄 공정이 완료된 후 일정량의 금속 분말이 녹지 않은 상태로 남아 있으며, 이를 체로 쳐서 새로운 분말과 일정 비율로 혼합할 수 있습니다. 그러나 많은 기업들이 분말 재활용에 대해 회의적이며 오래된 분말을 모두 폐기하는 경우가 많습니다.

사실 금속 분말의 적절한 재활용 및 재사용은 재료의 기계적 특성에 최소한의 영향을 미친다는 여러 연구 결과가 입증되었습니다. .

이 접근법은 분말 기반 공정을 보다 효율적이고 경제적으로 가능하게 합니다. 이것이 바로 금속 3D 프린터 제조업체와 기술 회사가 현재 업계 표준이 된 금속 3D 인쇄를 위한 체질 솔루션을 개발하는 이유입니다.

AM 분말 재사용 외에도 여러 회사에서 스크랩 재료를 3D 인쇄에 적합한 분말로 재활용하는 방법을 개발했습니다.

예를 들어, 6K(구 Amastan Technologies)는 UniMelt 프로세스를 통해 완전한 순환 경제에 기여하고 있습니다. 선삭 및 부스러기와 같은 기계 가공 스크랩과 AM 지지대 및 불량 부품을 미세한 입자로 기계적으로 연마하는 독점적인 방법을 사용합니다. 그런 다음 이들은 고품질 분말을 생산하기 위해 플라즈마 시스템을 통해 공급됩니다.

6K의 솔루션과 같은 솔루션으로 금속 AM 산업은 금속 AM 공급망에 들어가는 재료의 100% 사용에 점점 더 가까워지고 있습니다.

열가소성 수지 재사용

금속 재활용의 발전에도 불구하고 대부분의 재활용 이니셔티브는 폴리머 3D 프린팅 공간에서 발생합니다. 오늘날 많은 회사에서 재활용 플라스틱으로 플라스틱 필라멘트를 생산합니다. 그 중에는 전체 또는 부분적으로 재활용된 필라멘트를 생산하는 GreenGate3D, Filamentive, NefilaTek, Refil 및 RePLAy 3D와 같은 회사가 있습니다.



한 예로 30,000개의 물병을 ​​필라멘트로 재활용하여 3D 프린팅 두바이의 공공 건축물(위). 파빌리온은 버려야 할 재료를 사용하여 3D 프린팅을 창의적인 구조물에 어떻게 적용할 수 있는지 보여줍니다.

수지 3D 프린팅의 폐기물 관리

필라멘트와 같은 열가소성 플라스틱은 재용해만 하면 쉽게 재활용할 수 있지만, 수지 재료를 재활용하는 공정은 현재 존재하지 않습니다.

Stereolithography 및 Material Jetting 공정에 사용되는 수지 재료는 점성이 있는 경향이 있으며, 레이저의 에너지를 가하는 것과 같은 화학 반응으로 재료가 응고됩니다. 결과 개체는 다시 인쇄하기 위해 원래 재료로 재활용할 수 없습니다. 일단 만들어지면 끝입니다.

이는 지지 구조와 실패한 인쇄물을 포함하여 레진 3D 프린팅의 모든 스크랩이 본질적으로 복구할 수 없는 폐기물임을 의미합니다.

SLS의 폐기물 관리

선택적 레이저 소결 공정에 사용되는 폴리머 분말의 재사용도 완전히 간단하지 않습니다.

일반적으로 SLS 기계에서 융합되지 않은 지지체 분말은 부품을 인쇄하는 데 사용되는 것과 동일한 재료이며 비용이 많이 드는 경향이 있습니다. 물론 분말을 100% 재사용할 수 있다면 이는 문제가 되지 않을 것이며 현재로서는 불가능합니다.

한 가지 이유는 SLS 공정에서 폴리머가 고온에 노출되기 때문입니다. 오랜 시간 동안 소결 특성을 예측하기 어렵게 만드는 화학적 변화를 겪습니다.

현재 이 문제를 극복하는 유일한 방법은 '사용했지만 융합되지 않은' 분말을 약 50%의 처녀 분말과 혼합하여 재사용하는 것입니다. PEEK와 같은 일부 고성능 분말의 경우 재생 빈도가 크게 감소하고 경우에 따라 초과 분말을 재사용할 수 없습니다.

한 서비스 제공자가 추정한 바와 같이 500kg의 분말 중 PA 2200(나일론)파우더는 매달 구매하며, '25%는 부품이 되고, 25%는 폐기물이 되고, 50%는 다음 빌드를 새로 고치기 위해 재사용됩니다.'

저렴한 지지 재료와 부품 인쇄를 위한 두 번째 재료를 사용할 수 있는 기계를 도입하면 SLS 프로세스를 훨씬 더 지속 가능하게 만들 수 있습니다. 이러한 솔루션을 개발하는 회사 중 하나는 다중 분말 증착 SLS 기술을 개발한 벨기에 신생 기업 Aerosint입니다.

하지만 Aerosint의 기술은 아직 상용화되지 않았기 때문에 시간이 걸릴 것입니다. Aerosint의 공정이 얼마나 실현 가능한지 확인하고 환경적 영향을 평가하십시오.

3D 프린팅의 에너지 소비

3D 프린팅을 포함하여 모든 산업 공정을 실행하려면 에너지가 필요합니다. 지속 가능성의 관점에서 에너지 소비율은 CO2 배출과 같은 환경적 고려 사항과 직접적인 상관 관계가 있습니다.

특히 금속을 사용한 3D 프린팅은 결코 저에너지 기술이 아닙니다. 그러나 일부 연구에 따르면 대부분의 기존 제조 공정보다 에너지 효율적일 수 있습니다.

금속 3D 프린터 제조업체인 Digital Alloys에서 수행한 연구에서는 다양한 금속 3D 프린팅 기술의 에너지 소비량을 CNC 가공과 비교했습니다.

제조 단계에서 금속 3D 프린팅 공정, 특히 레이저 PBF를 사용하면 실제로 에너지 소비가 더 큽니다.

그러나 재료 폐기물, 재료 재활용 및 후처리 가능성과 같은 다양한 요소를 고려할 때 재료 폐기물의 양으로 인해 가공이 가장 에너지를 소비하는 공정인 것으로 나타났습니다. (Digital Alloys의 예에서는 90% 이상이었습니다).

하지만 금속 3D 프린팅이 기존 기술보다 에너지 효율적이라는 데 모두 동의하는 것은 아닙니다.

MIT의 Environmentally Benign Manufacturing(EBM) 연구 그룹의 책임자인 Timothy Gutowski는 '적층 공정은 더 느리기 때문에 더 에너지 집약적인 경향이 있습니다. 그들은 같은 양의 제품을 생산하기 위해 많은 에너지를 사용합니다.

사실, 대부분의 3D 프린팅 프로세스는 기존의 대량 제조 프로세스보다 에너지 집약적인 작업으로 7배 정도 더 많은 에너지를 소모합니다'라고 Fabricator와의 인터뷰에서 설명합니다.

진실은 언제나처럼 그 사이 어딘가에 있습니다. 3D 프린팅은 에너지 집약적일 수 있지만 기술에 적합한 응용 프로그램을 선택하고 디자인을 최적화하면 높은 에너지 소비를 상쇄하는 데 도움이 됩니다. 또한 이 부분이 사용될 전체 에너지 효율적인 시스템이 됩니다.

지속가능성을 향한 여정

AM 기술이 너무 많기 때문에 3D 프린팅의 지속 가능성에 대한 간단한 답은 없습니다. 일부 공정은 재활용할 수 없는 재료의 단점이 있는 반면, 다른 공정은 높은 에너지 소비로 어려움을 겪습니다.

그러나 고무적인 사실은 3D 프린팅이 특히 감산 기술에 비해 리소스를 더 절약하는 경향이 있다는 사실입니다. 또한 제조 및 재고 요구 사항을 낮추고 궁극적으로 연료 소비를 줄이는 데 기여하는 보다 효율적인 설계의 문을 엽니다.

우리의 결론은 3D 프린팅이 완전히 '친환경' 기술은 아니지만 올바른 접근 방식을 사용하면 믿을 수 없을 정도로 강력하고 지속 가능한 제조 솔루션이 되는 데 더 가까워질 수 있다는 것입니다.