적층 가공 vs 절삭 가공: 제조 패러다임의 차이점 완벽 분석

제조 공정의 진화와 분류

제조는 원자재나 스크랩을 원하는 제품으로 변환하여 실질적 가치를 더하는 생산의 핵심 단계입니다. 다양한 재료를 다채로운 방식으로 가공하기 위한 수많은 제조 공정이 존재합니다. 소형화된 제품에 대한 수요 증가, 더 나은 표면 품질, 더 많은 내장 기능에 대한 요구는 제조 기술의 급속한 발전을 이끌었으며, 그 결과 오늘날의 시장 수요를 더 잘 충족할 수 있는 다양한 정교한 공정이 진화했습니다. 제조의 범위도 전통적인 산업 분야부터 첨단 제품/서비스 기반 기업까지 광범위하게 확대되어 왔습니다.

다양한 학자들이 모든 제조 공정을 체계적으로 분류하려 시도했으나, 많은 경우 새로 개발된 공정을 명확히 포괄하지 못하는 한계가 있었습니다. 모든 관련 공정을 고려할 때 제조는 다음 다섯 그룹으로 분류할 수 있습니다:

• 주조 공정: 원자재를 용융해 미리 만든 공동에 붓고 응고시켜 공동의 역형상 제품을 얻는 방식. 기본 형상 부여에는 적합하나 복잡한 형상이나 매끄러운 표면 제작에는 부적합. 사형 주조, 다이캐스팅, 사출 주조 등이 이 원리를 따름.
• 접합 공정: 두 개 이상의 고체 부품을 임시적 또는 영구적으로 접합. 융합을 통한 코일레선스 형성 또는 기계적 요소 활용. 용접, 리벳팅, 납땜, 브레이징, 커플링, 끼워맞춤, 접착, 체결, 코터/너클 조인트 등이 포함. 분해 공정도 이 범주에 속함.
• 변형 공정: 재료 특성이나 기본 형상을 다양한 수단으로 변경해 요구사항에 부합시킴. 단조, 압연, 인발, 압출 등 성형 공정은 형상 변환에, 열처리, 극저온 처리, 코팅 등은 특성 개선에 사용.
• 적층 공정(Additive Manufacturing): 반고체 상태의 재료 층을 하나씩 쌓아 올려 필요한 형상과 향상된 정밀도를 가진 진정한 3차원 부품을 직접 제작. 후공정 불필요. 소형 부품에 적합. 3D 프린팅, 입체 조형, 선택적 레이저 소결 등 급속 조형 공정이 이 원리를 따름.
• 절삭 공정(Subtractive Manufacturing): 고체 공작물에서 층별로 재료를 제거해 최종 제품 제작. 재료 낭비 발생. 가공/금속 절삭 공정이 이 원리. 선삭, 성형, 밀링, 드릴링, 연마, 래핑, 연마제트 가공, 방전 가공, 레이저 빔 가공 등이 예시.

적층 가공과 절삭 가공의 주요 차이점 비교표

심층 분석: 6가지 핵심 차이점

1. 추가와 제거의 철학

두 철학 모두 향상된 치수 정밀도와 엄격한 공차로 진정한 3차원 부품이나 형상을 제작하는 데 사용되나, 접근 방식이 다릅니다. 적층 제조는 설계에 따라 재료를 층별로 하나씩 쌓아 올려 최종적으로 의도된 형상을 가진 제품을 만듭니다. 공정은 높이 0(재료 없음)에서 시작해 층이 퇴적됨에 따라 점차 높이가 쌓여갑니다. 재료는 보통 반고체 형태로 퇴적되며, 이전 층이 완전히 건조되면 다음 층이 추가됩니다. 반면 절삭 제조 철학에서는 고체 원료 블록의 원하는 위치에서 층별로 재료를 제거해 최종적으로 원하는 부품을 얻습니다. 공정은 고체 원료 블록에서 시작하며, 공정에 따라 전단(고체 칩 형태), 용융/기화, 이온화, 스퍼터링 등 다양한 방식으로 재료가 제거됩니다.

2. 작업 재료의 융점

적층 공정에서는 작업 재료를 용융시키거나 가열해 소성 상태(반고체)로 만들어야 합니다. 융점이 높은 재료는 소성 상태가 되기 위해 더 많은 열을 소비하므로, 플라스틱이나 PMMA 같은 저융점 재료에 적합합니다. 반면 절삭 공정에서는 재료가 고체 형태로 제거되거나 이온화되므로 융점은 중요한 고려 요소가 아닙니다. 재료를 용융/기화시켜 제거하는 열에너지 기반 비전통 가공(NTM) 공정에서도 빔 에너지 강도는 항상 재료 융점보다 월등히 높습니다. 예: 방전 가공(EDM)에서 국부 온도는 10,000°C를 초과하며, 이는 모든 금속 중 가장 높은 티타늄의 융점(3,422°C)보다 훨씬 높습니다.

3. 체적 밀도 조작

적층 공정의 최대 장점은 층 퇴적 중 작업 재료의 밀도를 변경할 수 있다는 점입니다. 20~100% 범위의 밀도를 채택할 수 있고, 전체 재료 부피를 제어된 방식으로 변경할 수 있습니다. 이는 재료 소비를 줄이고 벽면 강도를 거의 희생하지 않으면서 부품 무게를 크게 줄이는 데 기여합니다. 절삭 공정에서는 작업 재료 밀도가 공정 내내 동일하므로, 초기 원료 블록이 선택되면 부품 무게를 줄일 수 없습니다.

4. 재료 낭비

적층 공정에서는 설계(CAD 등)에 따라 얇은 층이 이전 층 위에 추가됩니다. 공동이나 슬롯 같은 형상이 있는 위치에는 재료가 퇴적되지 않습니다. 설계에 따른 반복적인 층 퇴적은 최종 3D 객체를 생성하며, 추가 후공정이 없으므로 재료 낭비가 발생하지 않습니다. 절삭 공정에서는 기본 원료에서 여분의 재료가 점진적으로 제거되나, 공정에 따라 고체 칩, 용융/기화, 이온화, 스퍼터링 등 다양한 형태로 제거됩니다.

5. 적합성

현재 기술 수준에서 적층 공정은 플라스틱, PMMA 등 선택적 재료에만 적합하며, 대형 객체 처리는 불가능합니다(시스템 용량 통상 2kg 이하). 반면 절삭 공정은 다양한 재료를 처리할 수 있습니다. 특정 기계적/전기적/열적 특성(경도, 취성, 전기 전도도, 융점 등)이 특정 공정의 가공성에 제한을 줄 수 있으나, 다른 공정을 활용해 극복 가능합니다. 대형 객체도 효율적으로 처리 가능합니다.

6. 복잡한 형상 및 중공 부품 제작

적층 공정에서는 CAD 도면을 얇은 층으로 슬라이싱(층 두께는 원하는 치수 정밀도와 표면 조도에 따라 결정)한 후 재료를 층별로 퇴적합니다. 따라서 슬라이싱과 후속 퇴적 단계에서 모든 복잡한 형상을 고려할 수 있어 후공정이 불필요합니다. 완전 밀폐된 공동 같은 내부 중공 부품도 제작 가능합니다. 절삭 공정은 복잡한 형상 제작 능력이 제한적이며, 완전 밀폐된 공동을 만들 수 없습니다.

7. 산업적 관점

적층 공정은 층 퇴적 시간과 건조 시간이 소요되어 시간이 많이 걸립니다. 그러나 복잡한 형상과 고정밀도의 소형 객체(예: 시제품) 제작 시, 특히 생산 수량이 매우 적을 경우 시간과 비용 면에서 효율적일 수 있습니다. 많은 경우 엄격한 작업실 환경 제어도 필요합니다. 적층 공정이 특정 분야에서 절삭 공정의 대안으로 부상하고 있으나, 단순한 형상의 대형 객체 대량 생산에서는 절삭 공정이 여전히 압도적으로 우세합니다.

참고 자료

1. Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production - L. Yang 외 (1st edition, Springer)
2. Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing - A. Gebhardt and J. Hötter (1st edition, Hanser)
3. Newman et al. (2015); Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies; CIRP Annals; Vol. 64 (1); pp. 467-470