적층 제조(Additive Manufacturing)는 20세기 후반 상용화 이래 제조 산업을 변혁해 왔습니다. 적층 공정이 지속적으로 산업을 선도하면서 금속 적층 제조(Metal AM)와 그 수많은 응용 분야가 생산 제조의 최전선으로 부상하고 있습니다.
개방형 소재 플랫폼과 더 빠른 프린팅 속도를 갖춘 신형 Metal AM 장비 출시 덕분에 Metal AM 시스템 판매가 급증하며, 해당 부문은 2024년까지 약 40억 달러의 매출 기회를 창출할 것으로 예상됩니다. 금속 적층 제조 기술이 발전함에 따라 Metal AM의 이점과 다양한 응용 분야가 제조업의 얼굴을 어떻게 바꾸고 있는지 파악하는 것이 중요해졌습니다.
적층 제조 공정의 뿌리는 1980년대 중반 더 빠른 제품 개발 기법이 도입되면서 거슬러 올라갑니다. 원래 '래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping)'이라 불렸으며, 치수 모델을 제작해 적합성과 기능을 더 빠르게 테스트할 수 있게 했습니다.
1987년에는 광경화성 액체 폴리머를 레이저로 고체화해 3D 모델을 이전보다 빠르게 제작하는 새로운 플라스틱 공정인 스테레오리소그래피(SLA, Stereolithography)가 상용화되어 적층 제조 분야 첫 특허가 되었습니다. SLA로 제조업체, 엔지니어, 디자이너는 이전보다 효율적으로 제품을 개발할 새로운 기회를 얻었습니다.
1990년대 초반에는 다른 폴리머 기반 적층 제조 공정들도 상용화되었습니다. 1992년에는 레이저로 분말 소재를 융합해 고체를 만드는 선택적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering)이 등장했습니다. 얼마 지나지 않아 금속 적층 제조가 특허를 받아 시장에 출시되었습니다. 다른 적층 공정과 마찬가지로 이 기술은 금속 시제품, 제품, 공구의 신속한 제작을 가능하게 했습니다. 금속 분말 소결로 금속 부품 제조가 가능해졌지만, 저융점 소재와 스테인리스강 같은 고내성 금속이 결합될 수 있어 최종 소재는 합금보다는 복합재에 가까웠습니다.
적층 제조 공정은 금속, 플라스틱, 세라믹 등 소재를 층층이 쌓아 객체를 만듭니다. 적층 제조는 절삭, 선삭, 성형, 밀링 등 '절삭 제조(Subtractive Manufacturing)' 공정을 보완하거나 경우에 따라 대체할 수 있습니다.
적층 제조로 객체를 만들려면 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어로 설계를 만들거나, 프린트할 객체를 스캔합니다. 소프트웨어는 스캔을 3D 프린팅 기계가 층별로 따라갈 정밀한 프레임워크로 변환합니다.
금속 적층 제조(금속 3D 프린팅)는 적층 제조 공정을 금속에 독점적으로 적용합니다. 금속 분말을 에너지원이나 바인더로 층층이 쌓아 정밀한 객체를 설계·제작합니다. 적층 제조 장비의 발전 덕분에 불과 몇 년 전만 해도 불가능했던 객체들이 이제 다양한 소재로 새로운 강도와 표준으로 제작될 수 있습니다.
적층 제조 기술에 사용 가능한 금속 분말의 범위는 지속적으로 확대되고 있습니다. 가장 일반적인 금속 소재로는 스테인리스강, 니켈, 코발트크롬, 티타늄 합금, 알루미늄 등이 있습니다. 이처럼 계속 늘어나는 건축 소재 덕분에 제조업체는 객체의 정확한 사양과 기대에 맞는 최적의 소재를 선택할 수 있습니다.
금속 적층 제조 방법은 금속을 결합하는 공정(바인더, 가열 노즐, 레이저)에 따라 분류됩니다. 가장 일반적인 금속 적층 제조 기술은 다음과 같습니다. 사용 기술에 따라 프린트된 부품은 넷-셰이프(Net-shape) 또는 니어-넷-셰이프(Near-net shape)가 될 수 있습니다.
분말 베드 융합(PBF, Powder Bed Fusion) 방식은 레이저나 전자빔으로 금속 분말을 녹여 융합합니다. 이 기술에는 전자빔 용해(EBM), 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 선택적 열 소결(SHS), 선택적 레이저 용해(SLM) 등이 포함됩니다. 선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 열원으로 분말 소재를 소결하는 추가 기술이지만, 금속보다는 폴리머에 주로 사용됩니다.
방법에 관계없이 모든 레이저 기반 분말 베드 기술은 롤러나 블레이드로 이전 층 위에 금속 분말을 펴는 과정이 필요합니다. 이 적층 공정에서 가장 흔히 쓰이는 금속은 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 강철, 코발트 크롬, 구리입니다.
이 방법은 2D 잉크젯 프린터와 유사합니다. 금속 분말을 빌드 플랫폼에 분사해 연속 또는 주문형 드롭(DOD) 방식으로 객체를 프린트합니다. 액체 바인더를 층층이 도포해 분말을 결합하며 원하는 객체를 만듭니다. 갓 프린트된 부품은 취약하므로 후처리 소결과 침투 공정으로 강도를 높입니다. 선택적으로 니켈이나 금 도금, 연마 등 마감 공정을 거칠 수 있습니다.
바인더 제팅의 독특한 이점은 금속 분말 용융이 없어 잔류 응력 축적이 없다는 점입니다. 또한 가장 저렴한 금속 적층 제조 기술 중 하나입니다.
이 방법은 소재 시트를 접합, 초음파 용접, 브레이징 등으로 층층이 결합해 객체를 만듭니다. 시트 라미네이션은 저온 공정으로 서로 다른 소재 결합이 가능합니다. 일반적으로 구조용보다는 시각·심미적 모델에 사용됩니다.
더 복잡한 3D 프린팅 공정으로, 이름 그대로 집중된 에너지원(레이저나 전자빔)을 건축 소재에 조사해 녹이면서 동시에 층층이 증착합니다. 이 기술은 기존 구조물 수리나 추가 소재 증착에 흔히 쓰입니다. DED는 가열 노즐로 용융 소재(주로 티타늄 또는 코발트 크롬)를 지정된 표면에 증착해 고체화합니다.
지난 몇 십 년간 적층 제조 기술은 제조 부문 전체에 혁명적 영향을 미쳤습니다. 어셈블리 통합(여러 부품을 조립·체결하지 않고 단일 부품으로 프린트) 기능은 재료 낭비를 줄이고 일반적으로 제품의 전반적 품질과 성능을 향상시킵니다. 이 폐기물 절감 이점 외에도 금속 AM 공법은 다음과 같은 독특한 이점을 제공합니다.
전통적 절삭 제조 공정에서는 부품 설계 복잡도가 증가할수록 더 많은 절삭 밀링, 윤곽 가공, 마감 작업이 필요해 비용이 기하급수적으로 상승합니다. 적층 제조에서는 설계 복잡도가 비용을 거의 증가시키지 않으며, 종종 부품 비용을 절감합니다. 예를 들어 각기둥 형태의 프리즘 부품(직육면체 고체 블록)은 니어-넷-셰이프 빌렛에서 밀링하면 간단하고 패스 수가 적어 저비용입니다. 적층으로 블록을 프린트하려면 형상을 쌓기 위해 많은 머신 패스가 필요해 비용이 더 높습니다. 그러나 유기적 형상(나무 뿌리 같은 브레이스)의 경우 밀링은 맞춤 지그와 다중 패스, 잦은 툴 교체, 방대한 툴 패스 코딩으로 고비용이 듭니다. 적층으로 유기적 형상을 프린트하면 툴 패스가 소프트웨어로 자동 생성되고 패스 수와 증착 물질량이 크게 줄어 비용이 낮아집니다.
금속 적층 공정은 전통적 방식 대비 재료 낭비를 줄입니다. 원료가 층별로 정밀하게 쌓이므로 고체 객체에서 깎아내는 작업이 거의 필요 없습니다. 필요한 재료만 필요한 곳에 정확히 배치하므로 금속 AM 기술은 자원 효율적입니다.
또한 금속 적층 제조는 고가 툴링 필요성을 없애 비용과 시간을 절약합니다. 적절한 금속 적층 제조 공정을 선택하면 특정 생산 니즈를 충족하는 다양한 소재에 접근할 수 있습니다.
소재의 특성과 전반적 성능은 화학적 조성, 결정 상태, 기저 미세 구조에 의해 결정됩니다. 이 특성들 때문에 엔지니어는 특정 용도 소재 선택 시 트레이드오프를 감수해야 했습니다. 하지만 3D 프린팅 기술 발전으로 이 양보가 곧 과거의 일이 될 수 있습니다.
과거에는 금속 AM에 사용 가능한 소재가 제한적이었으나, 점점 더 다양한 금속 분말이 활용 가능해지고 있습니다. 대표적인 금속 소재로는:
적층 제조 기술이 발전함에 따라 사용 가능한 금속 분말 목록은 계속 확대될 것입니다.
금속 적층 제조로는 추가 시간과 부품이 필요했던 독창적이고 복잡한 구조물을 만들 수 있습니다. 어셈블리 통합으로 객체를 사후 조립·체결이 필요한 다수 부품 대신 단일 유닛으로 생산해 강도와 효율을 높일 수 있습니다.
또한 자동 설계 기술의 최근 발전으로 다양한 애플리케이션용 제품 생산이 가능해졌습니다. 위상 최적화(Topology Optimization) 소프트웨어는 설계자가 부품 파라미터를 지정하면 원하는 구조적·기능적·열적 또는 기타 특성에 기반해 소프트웨어가 아키텍처를 정의합니다. 그 결과 자연력과 외부 조건에 더 강하고, 가볍고, 견고하고, 내성이 강한 설계가 나옵니다.
금속 적층 제조의 잘 알려진 이점 중 하나는 전통적 가공 대비 설계 단계에서 최종 생산까지 소요 시간을 단축하는 것입니다. 3D 프린팅 후 특정 가공과 툴링이 거의 필요 없으므로 금속 AM은 수주가 아닌 수일 만에 부품을 제작할 수 있습니다.
금속 적층 제조가 귀사의 제조 비즈니스에 활용될 기술로 보이나요? 모든 신기술엔 러닝 커브가 있습니다. 그래서 CMTC는 가이드 금속 적층 제조 공정의 유형(Types of Metal Additive Manufacturing Processes)에서 위 공정들의 내막, 사용 소재, 각 공정의 장단점을 심층 분석했습니다.
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산업기술
티타늄은 높은 강도-밀도 비율, 내식성, 내열성으로 가치가 높은 금속입니다. 티타늄이 지구상에서 가장 흔한 자연 발생 원소 중 하나임에도, 다른 원소로부터 분리해 순수 금속 형태로 얻는 것은 비쌉니다. 티타늄은 산소와 쉽게 결합하여 완제품에 산화 티타늄 층을 형성해 내식성을 높이지만, 이 특성이 금속 제품 제조를 어렵게 만듭니다. 사실, 다른 원소에 노출되어 결합되는 것을 방지하기 위해 특수 공정이 필요합니다. 독특한 특성 덕분에 티타늄은 항공우주, 의료, 산업 부품뿐 아니라 소비재와 스포츠 용품 제작에도 자주 사용됩니다. 티타늄
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
