적층 제조와 3D 프린팅 핵심 통찰 및 응용 분야

적층 제조(additive manufacturing)와 3D 프린팅(3D printing)이라는 용어가 무엇을 의미하는지에 대해 많은 혼란이 있습니다.

그것도 당연합니다. 결국 두 용어 모두 매우 유사한 공정과 관련되어 있기 때문입니다.

적층 제조와 3D 프린팅 모두 얇은 재료 층을 점차적으로 쌓아 객체를 만드는 공정을 설명합니다.

이 글에서는 적층 제조와 3D 프린팅이 정확히 무엇인지, 어떻게 관련되어 있는지, 무엇에 사용되는지 설명합니다.

3D 프린팅에서 적층 제조는 무엇에 사용되는가?

기존 제조에서는 부품이 더 큰 재료 블록에서 가공되는 경우가 많습니다. 즉, 시작 블록에서 재료를 빼내어 부품을 형성합니다. 당연히 많은 폐기물이 발생합니다. 기계공이 단단한 금속 또는 나무 블록을 완성된 부품으로 바꾸는 비디오를 본 적이 있다면, 낭비되는 재료의 양에 놀랐을 것입니다.

반면 적층 제조에서는 부품이 완성된 부품을 형성하기 위해 재료 층을 쌓아 만듭니다. 어떻게 작동하나요? 사용되는 유형에 따라 다릅니다.

미국 재료 시험 협회(ASTM)에 따르면 적층 제조에는 7가지 범주가 있습니다:

1. 광중합조형(VAT Photopolymerization) — 액체 광중합체 수지 층으로 객체를 구성하며 자외선으로 경화.
2. 분말 베드 융합(Powder Bed Fusion) — 재료 분말 층으로 객체를 구성하고 열이나 강력한 레이저로 융합(또는 '퓨징'). 일반적인 기술로는 선택적 레이저 소결(SLS)이 포함됨.
3. 재료 제팅(Material Jetting) — 객체의 각 층을 프린트 헤드로 구성하며, 빌드 표면에 액체 재료 방울을 증착하여 빠르게 고체화. 완료되면 각 층을 자외선으로 경화.
4. 시트 라미네이션(Sheet Lamination) — 금속 시트나 리본으로 객체를 구성하고 초음파 용접으로 결합. 시트 라미네이션은 CNC 가공 같은 기존 제조 기술로 보통 여분의 재료를 제거해야 하므로 완전히 적층적인 기술은 아님.
5. 재료 압출(Material Extrusion) — 재료가 노즐을 통해 끌어당겨져 가열되고 빌드 플랫폼에 층층이 증착. 각 층이 녹은 상태에서 증착되므로 추가 경화 공정이 필요 없음.
6. 지향성 에너지 증착(Directed Energy Deposition) — 기존 구성요소를 수리하거나 재료를 추가하는 데 사용되는 복잡한 적층 제조 기술 범위. 대부분의 구현에서 녹은 재료가 노즐을 통해 대상 표면에 증착되어 고체화. 원리는 재료 압출과 유사하지만, 노즐이 다양한 형상의 대상 표면을 고려하여 여러 방향으로 이동할 수 있어야 한다는 점이 다름.
7. 바인더 제팅(Binder Jetting) — 3D 프린팅으로도 알려져 있음.

이 글은 적층 제조를 위한 3D 프린팅에 구체적으로 초점을 맞추고 있으므로, 이 부분을 더 자세히 살펴보겠습니다.

적층 제조(3D 프린팅) 공정이란?

3D 프린팅은 두 가지 재료를 사용합니다:

1. 분말 기반 재료, 일반적으로 플라스틱, 금속, 세라믹, 그리고;
2. 바인더, 분말 층 사이의 접착제 역할을 함. 대부분의 바인더는 액체 형태.

3D 프린팅이라는 용어는 바인더 제팅이 2D 프린팅과 시각적으로 유사하기 때문에 유래했습니다. 표준 잉크젯 프린터 내부에서 프린트 헤드는 X축과 Y축을 따라 수평으로 이동하여 종이에 잉크 방울을 증착합니다.

마찬가지로 3D 프린팅을 사용하여 객체를 만들려면, 프린트 헤드가 기계의 X축과 Y축을 따라 수평으로 이동하며 빌드 재료와 바인딩 재료의 번갈아 가는 층을 증착합니다. 각 층이 완료되면 객체를 고정하는 빌드 플랫폼이 다음 층을 프린팅할 수 있도록 약간 낮아집니다.

프린팅되는 객체의 크기에 따라 완료하려면 수백, 수천, 심지어 수만 개의 층이 필요할 수 있습니다. 프로세스가 어떻게 보이는지 아이디어를 얻으려면 이 3D 프린팅 에펠탑 모델 타임랩스 비디오를 살펴보세요.

적층 제조 및 3D 프린팅 소프트웨어의 중요성

3D 프린팅을 포함한 모든 적층 제조 기술은 컴퓨터 지원 설계(CAD) 같은 디지털 설계 기술에 의존합니다. 사실 3D 프린팅의 전체 목적은 디지털 설계를 실제 객체로 바꾸는 것입니다.

과거 엔지니어들은 CAD 소프트웨어와 엄격한 시뮬레이션 모델링 기법을 결합하여 실제 세계에서 견고하고 효과적인 객체를 설계했습니다. 하지만 문제가 있었습니다. CNC 가공과 사출 성형 같은 기존 제조 기술에는 특정 한계가 있어, 그렇지 않으면 '완벽한' 객체를 생산하는 것을 불가능하게 만듭니다.

이것이 CAD와 3D 프린팅의 조화로운 관계가 빛을 발하는 지점입니다. 3D 프린팅의 가장 중요한 이점 중 하나는 디지털 설계를 기존 제조 기술의 제약 없이 실제 세계에서 생산할 수 있게 한다는 것입니다.

CAD와 3D 프린팅은 제조를 설계 주도(driven by design)로 만들 수 있게 하며, 역사적으로 설계 공정은 기존 제조 기술로 가능한 것에 의해 주도되어야 했습니다. 이는 엔지니어에게 전례 없는 설계 자유도를 제공하며 여러 산업에서 큰 돌파구를 촉진했습니다.

대부분의 상용 CAD 소프트웨어가 적층 제조 모듈을 도입했지만, 스페이셜의 3D SDK를 사용하면 적층 제조를 위한 맞춤형 CAD 애플리케이션을 구축하는 것이 매우 쉽습니다. 자세한 내용은 www.spatial.com을 확인하세요.

적층 제조와 3D 프린팅의 차이점 알아보기

1. 적층 제조의 7가지 주요 유형
2. 3D 프린팅 의료 혁신 6가지
3. 적층 제조 공정에서 CAD를 완전히 활용하는 방법

기존 제조 기술 대비 3D 프린팅 적층 제조의 이점

물론 설계 자유도가 3D 프린팅이 기존 제조 기술보다 가진 유일한 이점은 아닙니다. 다른 주요 이점으로는:

• 적층 제조 및 3D 프린팅 재료로 복잡하면서도 가벼운 구조 생산.

3D 프린팅이 기존 기술로는 만들 수 없는 객체를 만들 수 있게 한다는 점을 이미 언급했습니다. 그러나 층별로 구축되기 때문에 매우 복잡한 부품을 단일 조각으로 만들 수 있다는 점도 주목할 만합니다. 동시에 사용 가능한 재료 범위 덕분에 복잡한 3D 프린팅 부품도 낮은 무게와 높은 인장 강도를 모두 가질 수 있습니다.

• 일회성 제작에 더 저렴.

3D 프린팅의 큰 장점 중 하나는 금형이나 특수 조립 장비가 필요하지 않다는 것입니다. 결과적으로 소량의 일회성 객체를 쉽게 훨씬 낮은 비용으로 생산할 수 있습니다.

• 폐기물 감소.

이미 언급했듯이 3D 프린팅은 적층 제조 기술인 반면, 많은 기존 기술은 재료 제거를 포함합니다. 이 사실만으로도 3D 프린팅은 다른 일반적인 제조 기술보다 훨씬 적은 폐기물을 발생시킵니다.

• 더 빠른 시장 출시.

간단히 말해, 3D 프린팅만큼 제조업체가 객체를 빠르게 설계하고 제작할 수 있게 하는 다른 기술은 없습니다. 이는 프로토타입 제작과 테스트에 특히 가치가 있습니다. 이 때문에 3D 프린팅은 가장 일반적인 애플리케이션 중 하나인 신속 프로토타이핑(rapid prototyping)과 동의어가 되었습니다.

신속 프로토타입 제작을 위한 적층 제조용 3D 프린팅

신속 프로토타이핑은 물리적 객체, 부품, 모델을 빠르게 생산하는 것입니다.

CNC 가공 같은 기존 제조 기술부터 3D 용접 같은 현대 기술까지 모든 제조 기술을 신속 프로토타이핑에 활용할 수 있습니다. 명백한 이유로 적층 기술인 3D 프린팅이 가장 일반적으로 사용됩니다.

이름에서 알 수 있듯이 신속 프로토타이핑은 주로 최적의 설계가 발견될 때까지 빠르게 테스트하고 폐기할 수 있는 일련의 프로토타입을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 설계와 제조에 대한 반복적 접근 방식은 항상 인기가 있었으며 적층 제조 공정의 발전으로 더욱 효과적이 되었습니다.

3D 프린팅과 결합된 신속 프로토타이핑은 제조업체에게 세 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다:

• 매우 비용 효율적. 프로세스의 대부분이 자동화되어 적은 인원으로 완료할 수 있습니다. 마찬가지로 재료와 제조 공정은 대체 제조 기술보다 설정 비용이 저렴합니다.
• 속도. 신속 프로토타이핑은 제조업체가 이전보다 빠르게 프로토타입을 생산하고 폐기하게 하며, 각 반복에서 학습하여 최종 제품에 점점 더 가까워집니다. 이는 더 빠른 시장 출시 시간(TTM)으로 이어지며, 종종 중요한 경쟁 우위입니다.
• 위험 감소. 제조 실수는 매우 비용이 많이 들 수 있습니다. 추가 프로토타입 제작에 필요한 낮은 비용과 시간 투자 덕분에 신속 프로토타이핑은 대량 생산 단계에서 비용이 많이 드는 오류의 위험을 크게 줄입니다.

3D 프린팅은 무엇에 사용되는가?

이 시점에서 제조 외에 3D 프린팅에 대한 대부분의 과대광고와 미디어 관심은 소비자 애플리케이션을 둘러싸고 있습니다. 노트북과 천 달러 미만으로 누구나 상상할 수 있는 거의 모든 객체를 설계하고 제작할 수 있다는 것은 부인할 수 없이 '멋진' 일입니다.

그러나 3D 프린팅의 진정한 가치는 상업적 애플리케이션에 있습니다. 3D 프린팅을 활용하는 주요 산업에는:

항공 및 우주 — 3D 프린팅은 항공 산업에 명백한 이점이 있습니다. 가장 주목할 만한 것은 항공사가 강력하고 가벼운 재료를 사용하여 프로토타입을 빠르고 저렴하게 만들 수 있게 한다는 것입니다. 현재 3D 프린팅은 시트백 테이블과 헤드레스트 같은 내부 트림 아이템부터 엔진 구성요소와 무장까지 모든 것을 제조하는 데 사용되고 있습니다.

점점 더 큰 3D 프린터의 개발로, 가까운 미래에 항공기 엔진 전체까지 3D 프린팅으로 제작되는 더 많은 구성요소를 볼 수 있을 것으로 기대됩니다.

의료 — 과거 임플란트와 보철물의 가용성은 환자 치료에 상당한 비용 장벽이었습니다. 그러나 수년 전부터 3D 프린팅은 다양한 수술용 절단 가이드, 보철물, 심지어 환자 맞춤형 임플란트 개발에 사용되어 왔습니다.

재료가 발전함에 따라 업계는 처리 시간과 비용을 줄이면서 점점 더 가볍고 강하며 안전한 제품을 3D 프린팅으로 제작할 수 있게 되었습니다.

자동차 — 수십 년 동안 자동차 산업은 3D 프린팅과 다른 적층 제조 기술을 프로토타입 제작에 사용해 왔습니다. 초기에는 사용 가능한 재료가 실제 사용에 충분히 견고하지 않아 이것이 자동차 산업에서 3D 프린팅의 유일한 실행 가능한 용도였습니다.

그러나 재료가 발전함에 따라 3D 프린팅은 업계에서 더 큰 역할을 맡게 되었습니다. 이제 이 기술은 제조 중에 필요한 다양한 금형, 열성형 도구, 그립, 지그, 고정구를 정기적으로 생산하는 데 사용됩니다. 즉, 3D 프린팅이 다른 제조 기술을 보완하는 데 사용되고 있습니다.

그뿐만이 아닙니다. 3D 프린팅은 특정 차량을 맞춤화하는 데 사용되는 바디 쉘과 내부 구성요소 같은 맞춤 부품 제작에도 또한 매우 유용합니다.

건축 — 건축 산업은 프로젝트가 완공되면 어떻게 보일지 클라이언트와 투자자에게 보여주기 위해 축소 모델에 의존합니다. 이러한 모델은 역사적으로 수작업으로 제작되었으며, 완료하는 데 수백 시간이 걸리곤 했습니다. 당연히 3D 프린팅이 모든 것을 바꿨습니다.

건축 프로젝트는 이미 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 설계되므로 3D 프린팅의 자연스러운 후보입니다. 이제 CAD 파일이 완료되면 바로 프린팅으로 보낼 수 있어 엄청난 시간을 절약하고 정확한 모델 복제본을 보장합니다.

3D 프린팅과 적층 제조의 다음 단계는?

현재까지 광범위한 상업적 채택은 이미 기술의 최첨단으로 유명한 산업(제조, 항공, 자동차, 의료 등)에 제한되어 있습니다.

그러나 하드웨어와 재료가 계속 개선됨에 따라 3D 프린팅이 향후 몇 년간 계속 성장할 것은 의심의 여지가 없습니다.

3D 프린팅 주택부터 자동차까지, 우리 3D 프린팅으로 제작될 날이 머지않았습니다.