적층 제조의 혁신적 적용: 하이테크 산업의 변혁

적층 제조 소프트웨어 구성요소의 사용이 하이테크 산업에서 증가하고 있습니다. 시장 조사 기업 마켓앤마켓(MarketsandMarkets, M&M)에 따르면 3D 프린터 생산과 적층 제조 출력은 2017년 35억 달러 가치로 성장했습니다. 적층 제조의 주요 도입 산업은 의료 기기, 항공우주, 자동차 산업이었습니다.

이는 놀라운 일이 아닙니다. 적층 제조에서는 소량 생산 시 복잡한 형태를 프린팅하는 비용이 단순한 설계와 동일하기 때문입니다.

의료 기기 및 수술

적층 제조의 이점은 의료 산업에 큰 도움이 됩니다. 적층 제조를 활용하여 의료 산업은 치과 및 정형외과 용도의 고도로 맞춤화된 임플란트를 제작하고 있습니다. 적층 제조는 절삭 제조에서 필요한 툴링 및 설정 비용을 제거하므로, 의사는 환자에게 맞춤형 임플란트와 보철물을 제안할 때 규모의 경제를 걱정할 필요가 없습니다.

또한 적층 제조는 제조업체가 매우 복잡하고 섬세한 설계를 생산할 수 있게 했습니다. 예를 들어 인간 뼈와 연결되도록 설계된 관절입니다. 이러한 솔루션을 생산하기 위해 3D 프린터는 뼈 조직이 융합할 수 있는 미세한 프랙탈 격자 구조를 제작해야 하며, 이는 임플란트와 뼈 사이의 강한 연결을 제공합니다. 이러한 형태를 생산할 다른 방법은 없습니다.

마찬가지로 치과 임플란트와 삽입물은 정밀한 맞춤을 달성하기 위해 놀라운 맞춤화와 매우 복잡한 설계를 모두 포함합니다. 치과 임플란트 공정에는 상당한 정밀도가 필요합니다. 첫째, 입 안의 X-레이를 촬영하여 뼈를 검사합니다. 둘째, 의사는 치과 임플란트를 위한 구멍을 뚫어야 합니다. 그러나 의사는 임플란트(임플란트용 나사 등)가 치아 배열과 완벽하게 정렬되도록 보장해야 합니다. 3D 프린팅 덕분에 치과 의사들은 이제 맞춤형 임플란트를 확보할 수 있습니다. 이러한 임플란트와 관련 드릴링 가이드는 전문 3D 프린팅 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어에서 맞춤 설계된 후 높은 자동화 수준으로 제조됩니다.

뇌 수술의 경우 의사들은 환자의 CT 스캔을 바탕으로 맞춤형 고정구를 만듭니다. 치과 및 정형외과와 마찬가지로 이는 환자의 두개골에 정확히 맞고 수술 중 의사의 도구를 안내하는 임플란트를 생산하는 것을 포함합니다. 다시 말해, 전문 3D 소프트웨어가 이러한 수술 보조 도구의 설계를 자동화했습니다.

항공우주 및 인프라

항공우주는 적층 제조 채택의 선구자였습니다. 최근 그 노력의 결과로 상업용 터보팬 엔진에 사용할 3D 프린팅 부품이 탄생했습니다.

제너럴 일렉트릭(GE)과 사프란 항공기 엔진(Safran Aircraft Engines)의 합작 투자인 LEAP 터보팬 엔진에는 3D 프린팅 연료 노즐이 장착되어 있습니다. 미국 연방항공청(FAA)은 2015년 이 노즐의 상업용 항공기 탑재 사용을 승인했습니다. 이 부품은 이전 세대 엔진의 전신보다 25% 더 가볍다는 것뿐만 아니라, GE에 따르면 내구성이 5배 더 높습니다.

LEAP 엔진을 장착한 항공기를 운영하는 항공사들에게 상당한 연료 절감과 탄소 배출 감소 혜택을 제공하는 것 외에도, 3D 프린팅 부품은 생산 공급망을 간소화합니다. 3D 프린팅으로 GE는 20개의 서로 다른 부품을 단 1개로 대체할 수 있었습니다. 이는 제조 공정을 단순화할 뿐만 아니라 수명주기 유지보수 비용도 낮춥니다.

3D CAD와 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 소프트웨어의 사용은 항공우주 산업의 설계 및 개발 노력에 필수적인 요소입니다. GE는 CAD/CAE를 활용하여 새로운 노즐을 개발하고 프로토타이핑 단계로 진행하기 전에 그 생존 가능성을 평가하기 위해 필요한 설계 연구, 시뮬레이션, 분석을 수행했습니다.

특히 20년 이상의 기간 동안 수십 대의 이러한 항공기를 운영하는 항공사들의 비용 절감을 상상해 보세요. 이는 적층 제조의 직접적인 이점이며, 다른 서브 어셈블리와 구성요소를 처리하는 데 있어 그 성장이 제조업체, 공급업체, 소비자에게 다양한 영역에서 이익을 확장할 것임을 알 수 있습니다.

비용 절감 최적화 외에도 3D 프린팅은 산업이 매우 복잡한 제조를 수행할 수 있게 했습니다. 열교환기를 고려해 보세요. 이 장치는 한쪽으로 뜨거운 유체를, 다른 쪽으로 차가운 유체를 흐르게 하는 수많은 튜브, 핀, 기타 입력을 가지고 있습니다. 하지만 조립 공정은 냉각 핀을 용접하고 방수 상자에 삽입해야 합니다. 상당한 실패 여지가 있는 노동 집약적이고 시간 소모적인 제조 공정입니다.

하지만 3D 프린팅으로 열교환기를 한 번에 통합하여 제조할 수 있습니다. 단일 유닛을 제조하는 데 상대적으로 오랜 시간이 걸릴 수 있지만, 최종 결과는 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다. LEAP와 마찬가지로 목표는 조립에 필요한 부품 수를 통합하는 것 외에도 상당한 성능 개선을 부여하는 것입니다.

적층 제조의 미래

적층 제조에 관여된 기술들은 역량이 증가하고 가격은 하락하고 있습니다. 게다가 새로운 적층 제조 애플리케이션이 끊임없이 발견되고 있습니다. 그러나 공정 제어와 공정 예측 가능성에는 여전히 큰 장애물이 있습니다.

공정 제어 측면에서 적층 제조는 원자재를 완제품으로 제조하는 공정을 규율하는 업계 전반의 표준이 부족합니다. 기존 제조(절삭 제조 포함)는 이러한 표준(가공 중 야금학적 거동, 스탬핑, 단조 등)의 혜택을 받습니다. 엔지니어가 참조하고 상담할 수 있는 업계 표준 레퍼런스가 있습니다.

그러나 업계는 아직 적층 제조를 위한 그러한 표준을 구축하지 못했습니다. 예를 들어 GE 같은 개별 항공우주 기업들은 자사의 적층 제조 노력을 위해 독점적인 제어 체계를 구축하는 반면, 개별 3D 프린팅 공급업체는 제어 체계와 업계 표준이 전무합니다. 이는 표준 기구가 모든 사람, 특히 소규모 제조업체가 사용할 수 있는 공통 준수 인증을 개발함으로써 가장 잘 해결될 수 있습니다.

마지막으로 공정 예측 가능성은 여전히 3D 프린터 사용자들에게 큰 과제입니다. 부품의 방향, 서포트 재료, 공정 매개변수 최적화에는 상당한 시행착오가 필요합니다. 하지만 이는 3D 프린팅에 사용되는 소프트웨어 도구를 개발하는 사람들에게 엄청난 기회를 제공합니다. 물리 기반 시뮬레이션은 큰 진전이 될 것입니다. 이 시뮬레이션 요소를 3D 프린터 제조업체의 머신별 공정 정보와 결합하면 제조업체가 오류와 스크랩 비율을 줄이는 데 도움이 될 것입니다.

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