첫째, 기본 사항:보다 널리 보급된 DMLS(직접 금속 레이저 소결)와 최근 인기를 끌고 있는 금속 바인더 제팅 방법을 포함하여 다양한 금속 적층 제조 방법이 있습니다. DMLS에서는 금속분말을 레이저로 층층이 직접 녹이거나 소결하여 부품을 제작합니다. 그러나 금속 바인더 분사층은 금속 분말 트레이에 접착층을 형성하므로 지지 구조를 제거하지 않고도 인쇄된 조각을 완성 시 원재료에서 체로 걸러낼 수 있습니다. 여기에서 부품을 굽고 소결하거나 금속(청동 등)을 주입하여 최종 형태를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 초기 설계 최적화가 완료되면 금속 부품의 대량 생산이 가능해집니다.
지난 몇 년간의 공급망 중단으로 인해 이미 빠르게 성장하고 있는 분야, 특히 의료 및 항공우주 기업의 인기가 급격히 높아졌습니다. Deloitte와 PwC의 2018년과 2019년 예측에서는 금속 및 기타 비플라스틱 재료를 3D 프린팅에 사용할 수 있게 되면서 3D 프린팅의 인기가 계속 높아질 것이라고 예측했습니다. PwC는 프린터와 소프트웨어 자체를 생산하는 회사, 인쇄 재료 공급업체, 서비스 회사를 포함하여 전체 금속 적층 제조 공급망의 성장을 구체적으로 예측했습니다. 이는 3D 금속 프린팅을 보완하는 더 많은 기술이 제공되면서 틈새 시장에서 결실을 맺게 되었으며, 이는 해당 부문의 성숙도를 나타냅니다.
금속 3D 프린팅은 처음에는 대규모 산업용 DMLS 프린터로 제한되었지만, 이제는 더 넓은 범위의 생산이 가능한 더 복잡하고 작은 기계로 발전했습니다. 금속 바인더 제트 모델을 포함한 더 많은 소형 금속 3D 프린터가 시장에 출시되고 있습니다. 이는 공장 현장에서 더 적은 공간을 차지하고 비용도 훨씬 저렴해 금속 적층 제조를 시작하려는 기업의 진입 장벽을 무너뜨립니다. 동시에 대형 산업용 프린터 제조업체에서는 인쇄당 더 많은 부품을 생성할 수 있도록 더 큰 인쇄 베드를 만들고 있습니다. 또한 대형 DMLS 프린터에 점점 더 많은 레이저를 지속적으로 추가하고 있어 인쇄 속도와 일관성이 향상되어 예측이 더 쉬워졌습니다.
금속 적층 제조의 결과를 예측하는 것도 점점 쉬워지고 있습니다. 원래 사용자는 부품을 프린팅해야만 부품이 어떻게 나올지 확인할 수 있었지만 최신 프린터에는 설계 결과를 예측할 수 있는 더 나은 소프트웨어가 있습니다. 3D 프린팅된 부품이 프린팅이 시작되기 전에 어떻게 나타날지 시뮬레이션하는 디지털 트윈과 같은 개념은 계속해서 발전하면서 조금씩 발생하는 오류를 방지하는 데도 도움이 됩니다. 부품이 수많은 제조 공정을 거치면서 언젠가는 이 쌍둥이가 여러 프로그램과 기계에서 작업할 수도 있게 될 것입니다.
금속 재료 자체가 적층 가공에 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 금속 필라멘트와 분말 가격은 하락할 것으로 예상된다. 또한 일부 프린터는 기존 3D 프린팅 금속보다 저렴한 폴리머 캡슐화 금속 사출 성형 재료를 사용하여 시장에 출시되었습니다. 동시에 기업들은 이미 텅스텐과 같은 내화 금속과 같은 고성능 금속에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 미래에는 고엔트로피 합금을 포함하여 더 많은 고성능 금속을 산업 응용 분야에 사용할 수 있게 될 것입니다. 그러나 적층 제조 플라스틱은 계속 발전하고 있으며 결국 값비싸고 희귀한 합금에 대한 저렴한 대안으로 일부 특성에 대해 금속을 대체할 수도 있습니다.
금속 적층 제조가 왜 그렇게 많은 기반을 확보하고 있습니까? 다음 섹션에서 볼 수 있듯이 다양한 산업 분야에서 다양한 측면이 가치 있다고 생각합니다. 그러나 일반적으로 이 새로운 제작 방법은 다음을 허용합니다:
금속 3D 프린팅은 짧은 일정이 중요한 시장뿐만 아니라 작은 부품을 만드는 데 값비싼 금속이 많이 사용되는 시장에서 가장 인기가 높아졌습니다. 항공우주 및 방위산업 기업이 3D 금속 프린팅을 가장 먼저 채택했으며, 의료 및 치과 산업이 그 뒤를 이었습니다. 이들 산업에서는 다른 부문보다 해당 부문의 표준 부품 비용을 더 비싸게 만드는 요인을 해결하기 위해 처음으로 금속 3D 프린팅을 채택했습니다.
항공우주 부품은 사용되는 희귀한 재료, 짧은 리드 타임의 필요성, 사양에 맞는 성능을 보장하는 데 필요한 추가 정밀도 등 여러 가지 이유로 역사적으로 비용이 많이 듭니다. 또한 가능한 한 가벼워야 합니다. 금속 적층 제조는 기존 제조 공정보다 저렴한 방법으로 이러한 모든 요소를 해결합니다. 3D 프린팅된 금속 부품의 무게는 다른 방법으로 생산된 동일한 부품보다 최대 70% 가벼울 수 있습니다. 프린터는 필요한 재료만 사용하기 때문에 절삭 가공 공정에 비해 티타늄, 니켈 합금과 같은 값비싼 재료의 낭비가 최소화됩니다. 동시에, 제트 엔진 터빈과 같은 제품의 이미 촉박한 리드 타임이 단축되고 더 적은 노력(따라서 비용)으로 정확성을 높일 수 있습니다. 또한 3D 프린팅을 통해 항공우주 분야의 복잡한 시스템을 더욱 쉽게 재설계, 단순화 및 테스트할 수 있습니다. 프린팅을 통해 필요한 구성 요소 수를 줄이고 복잡한 프로토타입 시스템을 만드는 데 걸리는 시간을 단축할 수 있기 때문입니다.
의료 및 치과 제조업체도 짧은 리드 타임으로 정확하고 가벼운 부품을 만들 수 있는 능력을 위해 3D 프린팅을 사용합니다. 그러나 이러한 분야 역시 저렴한 비용으로 높은 수준의 맞춤화를 달성해야 하며, 이는 인공 고관절 및 치과 임플란트와 같은 제품에 필요합니다.
또한 자동차 회사에서는 고급 부품에 금속 적층 제조를 제한적으로 사용해 왔습니다. 항공우주 및 방위 산업과 마찬가지로 금속 인쇄를 통해 자동차 기업은 시스템을 더 쉽게 재설계하여 성능을 높일 수 있습니다. 또한 금속 부품의 무게를 줄여 연비를 향상시키고 특수 애프터마켓 부품을 제작할 수 있습니다. 그러나 대부분의 자동차 부품은 항공우주나 의료 부품보다 가격이 저렴하고 적층 제조는 아직 다른 공정의 속도를 따라잡지 못하므로 3D 프린팅은 이러한 제조업체의 특정 상황에만 적합합니다.
미래에는 광업, 석유 및 가스와 같은 산업에서도 금속 3D 프린팅을 채택할 수 있습니다. 이 프로세스는 해당 분야의 필수 요소인 배송 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 한 보고서에 따르면 석유 및 가스 회사의 83%가 예비 부품에 3D 프린팅이나 주문형 제조 도입을 고려하고 있습니다.
이는 구체적으로 어떤 모습일까요? 항공우주 분야에서 NASA와 SpaceX는 우주선 부품을 만들기 위해 금속 적층 제조를 사용해 왔습니다. NASA는 이 기술을 사용하여 부품 수가 45% 더 적은 로켓 엔진 터보펌프를 만들었습니다. SpaceX의 경우 3D 프린팅된 부품이 SuperDraco 선박의 엔진 연소실에 들어갔습니다.
의료 분야에도 금속 적층 제조 사례가 있습니다. 2016년까지 FDA는 금속 3D 프린팅 임플란트를 의료 시술용으로 승인했으며 이후 고관절 임플란트뿐만 아니라 맞춤형 인공 흉곽 및 두개골 임플란트에도 사용되었습니다. Xometry는 3D 프린팅 및 기타 제조 서비스를 통해 새로운 수술용 로봇 프로토타입을 제작하고 의학적으로 검증된 부품을 만드는 데 도움을 주었습니다.
이 기술을 채택한 다른 회사의 몇 가지 주목할 만한 사례가 있습니다. Ford는 최근 인쇄 생산량을 확대할 수 있도록 최종 사용 부품을 만드는 프린터를 제어하기 위해 자율 로봇을 설치했습니다. 한편 폭스바겐은 독일 본사 공장에 바인더젯 프린팅을 구현했다. 또한 다수의 석유 및 가스 공급업체에서는 리드 타임을 50~80%, 실제 재고를 50% 줄일 수 있을 만큼 주문형 도구 슬립 및 피스톤과 같은 부품을 인쇄해 온 PGV를 포함하여 금속 3D 인쇄를 실험하거나 구현하고 있습니다.
더 많은 산업에서 성공하려면 금속 3D 프린팅이 여전히 몇 가지 장애물을 극복해야 합니다. 두 가지 인쇄 유형 모두 빌드 플레이트의 크기에 따라 동시에 인쇄할 수 있는 부품의 양이 제한됩니다. DMLS의 경우 지지 구조를 제거하는 데 필요한 후처리에는 시간이 많이 걸리고 비용이 추가됩니다. 바인더 분사에는 지지 구조가 없으므로 더 큰 배치로 더 빠르게 생산할 수 있습니다. 그러나 두 방법 모두 아직 스탬핑이나 단조와 같은 전통적인 제조 공정의 속도와 생산량에 도달하지 못했습니다. 따라서 이 방법을 사용하여 생산할 부품을 신중하게 선택하여 경제적 이익을 제공하는 것이 중요합니다.
금속 3D 프린팅은 다양한 이점을 제공하지만 특정 상황에서만 구현하는 것이 합리적입니다. 회사가 이 제조 공정을 사용함으로써 이익을 얻을 수 있는지 조사하는 것이 중요하며, 두 번째로 공정을 아웃소싱해야 할지, 아니면 사내로 가져와야 할지를 조사하는 것이 중요합니다.
어떤 회사라도 3D 프린팅 부품을 사용할 수 있지만 장비 및 지원 프로세스에 대한 사전 투자를 할 수 없는 회사는 종종 타사 적층 제조업체를 통해 부품을 제작하게 됩니다. 사내 적층 제조 시설을 구축하려는 회사는 DMLS 프린터(예:지지 구조 제거 및 DMLA 안전 절차) 및 바인더 제트 프린터(예:인쇄된 부품 베이킹 및 소결 또는 주입)에 대한 추가 장비 및 교육을 고려해야 합니다.
3D 프린팅이 그만한 가치가 있는지 판단하려면 스스로에게 물어보십시오.
적층 제조 사용을 시작하려는 회사는 먼저 다양한 부서의 사람들과 대화할 팀을 구성하여 이해관계자가 누구인지, 어떤 부품을 먼저 3D 프린팅해야 하는지 파악해야 합니다. 회사에서 3D 프린팅 통합을 진행할 수 있다고 판단한 경우 3D 프린팅 제조업체를 이용할지 아니면 회사에서 이 프로세스를 설정할지에 대해 추가 결정을 내려야 합니다.
3D 프린팅을 위한 초기 비용에 투자하는 기업은 장기적으로 비용을 절감하고 프로세스를 더 잘 제어할 수 있다는 것을 알게 될 것입니다. 우수한 적층 제조업체는 지적 재산권 보호 및 사이버 보안을 제공하지만 이러한 추가 통제는 정보 공유를 피하려는 기업에 매력적일 수 있습니다. 자체 제조를 원하는 회사는 생산이 한 위치에서 중앙 집중화될 것인지, 아니면 여러 위치에서 분산될 것인지를 고려해야 합니다. 사내에서 3D 프린팅을 사용하기로 결정한 많은 회사는 자체 프린터를 설정하기 전에 타사 적층 제조업체와 협력하여 가능한 것에 대한 조언을 얻고 직원에게 지식을 전달합니다.
영구 아웃소싱으로 더 많은 이익을 얻을 수 있는 기업에는 필요한 모든 장비와 교육을 구입하고 설정하는 데 드는 초기 비용에 대한 예산이 없는 기업이 포함됩니다. 또한, 소량 생산을 원하거나 단순히 단기 제품을 실험하려는 회사에도 도움이 될 것입니다. 마지막으로 부품을 테스트하거나 분석해야 하는 경우 해당 작업을 대신 수행할 수 있는 적층 제조업체와 협력하는 것이 더 쉬울 수 있습니다. 3D 프린팅을 아웃소싱하려는 회사는 3D 프린팅 부품이 OEM, 1차 공급업체 또는 기타 업체로부터 제공되는지 결정해야 합니다.
3D 프린팅할 새 부품을 설계하든, 이미 제조 프로세스를 통해 생산한 부품을 생성하든, 다른 프로세스의 설계를 포팅하는 대신 프린팅 프로세스용으로 특별히 부품을 설계하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 인쇄된 부품은 기껏해야 비용이 더 많이 들고, 최악의 경우 다른 프로세스를 사용하여 만든 동일한 부품만큼 성능을 발휘하지 못할 것입니다.
금속 바인더 분사 설계, DMLS 설계 및 일반 3D 프린팅 설계에 대한 심층 가이드에서 3D 프린팅 설계에 대한 자세한 내용을 다룹니다. 그러나 간략하게 기억해야 할 몇 가지 중요한 사항이 있습니다:
새로운 프린터부터 재료, 소프트웨어에 이르기까지 금속 인쇄 분야의 발전으로 이 분야는 회사 규모에 관계없이 생산 및 공급망에 흥미로운 기회를 제공합니다. 그러나 다른 제조 방법으로는 해결할 수 없는 문제점에 이 프로세스를 적용하는 것이 중요합니다. 금속 적층 제조를 귀사의 솔루션으로 생각하신다면 저희가 도와드릴 수 있습니다. 금속 3D 프린팅에 대한 당사의 기능 페이지를 확인하여 당사가 어떻게 도움을 드릴 수 있는지 알아보거나 즉시 견적 페이지로 바로 이동하여 제품을 만드는 가장 좋은 방법에 대한 AI 강화 제안을 받으세요. 파일과 요구 사항을 제출하면 1분 이내에 견적과 리드 타임을 받게 됩니다.
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딘 맥클레먼츠
Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.
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