적층 제조, 데스크톱 3D 프린팅을 넘어 산업 생산으로 확장

3D 프린팅이 성장하고 있습니다. 그 약속만큼 혁명적일까요, 아니면 작업 도구 상자의 또 다른 귀중한 도구일까요—아니면 둘 다일까요? 메이커봇(MakerBot)과 러스트 벨트의 3D 프린팅 컨설턴트와 대화하며 현재 상황과 향후 방향을 살펴봅니다.

3D 프린팅은 전문적이고 제조 중심의 환경에서 아직 완전한 잠재력에 도달하지 못했지만, 거기서 건전하게 성장할 여지가 많다고 적층 제조 엔지니어, 컨설턴트, 학자들은 말합니다. 그리고 금속 분말의 혁신을 활용하는 새로운 기술과 기계들이 등장하고 있습니다. 이 기술에 대한 가장 큰 질문 중 하나는 그것이 부품 설계와 프로토타이핑의 총아에서 현장의 주류로 이동할 수 있을지입니다. 더 높은 생산 수준에서 제 궤도에 오를 수 있을까요? 더 큰 파장을 일으키는 장벽은 무엇일까요?

업계 내부자들은 모든 규모의 숍들이 이 3D 공정을 다양한 독창적인 방식으로 사용하고 있다고 말합니다—커스텀 워크홀딩과 금형부터 적층 제조로만 가능한 형상을 가진 기능성 최종 사용 부품까지.

"CNC 숍들이 메이커봇 같은 것을 이용해 밀링에서 장치를 필요한 각도로 고정할 수 있는 복잡한 구조를 3D 프린팅해 왔습니다."라고 3DDirections의 대표 크리스 바렛은 말합니다. "그래서 숍들은 지그, 고정구, 일부 툴링을 그런 식으로 만듭니다."

바렛은 화학자와 물리학자 출신이지만 시험관에 지루함을 느껴 소재 과학과 공학으로 길을 찾았습니다. 오하이오에 기반을 둔 그는 전통 제조와 떠오르는 적층 및 3D 프린팅 기술의 세계에 노출되었습니다. 그는 두 세계를 강하게 이해한 상태에서 컨설팅을 시작했으며, 기술이 가장 합리적인 곳에서 기업들이 이를 활용하도록 돕는 데 집중합니다.

참고: 바렛은 툴링 U-SME 트레이너로서 6월 27일 베터 MRO에서 적층 제조 웨비나를 개최했으며, 3D 프린팅의 7가지 주요 카테고리와 각 유형의 장단점을 개요했습니다. 재생 영상은 위의 비디오 링크에서 볼 수 있습니다. 주제는 다음과 같습니다:

• 광중합조형(Vat photopolymerization)
  • 스테레오리소그래피(SLA) 및 디지털 라이트 프로세싱(DLP) 포함
• 분말층 용융(Powder bed fusion, PBF)
  • SLS, 직접 금속 레이저 소결(DMLS), SLM, 전자빔 용융(EBM) 포함
• 바인더 제트 프린팅(Binder jet printing, BJP)
• 소재 제트 프린팅(Material jet printing, MJP)
• 시트 라미네이션(Sheet lamination, LOM)
• 소재 압출(Material extrusion)
  • 융착 적층 모델링(FDM) 포함

• 직접 에너지 증착(Directed energy deposition, DED)

"오늘날 제조업체와 작업장들이 전문 3D 프린터를 사용하는 몇 가지 핵심 방법이 있습니다."라고 메이커봇의 엔지니어링 부사장 데이브 바이스(Dave Veisz)는 말합니다. "기업들은 5S 린 제조 구현, 조립 및 측정 고정구, 부품 그리퍼, 게이지 등 작업장 정리를 위한 부품에 사용합니다. 고강도 플라스틱이 충분한 곳에서는 말이죠… 오븐 고정구처럼 독특하게 높은 힘이나 고온이 필요한 애플리케이션에는 쓰지 못하지만, 많은 고정구와 툴 애플리케이션에는 잘 작동합니다."

3D 프린팅의 중요한 이점: 기하학적 복잡성이 '공짜'입니다."라고 바이스는 말합니다. 예를 들어, 주물을 픽앤플레이스하는 그리퍼를 설계하는데 복잡한 형상이라고 해보죠. CAD에서 주물 형상의 역형을 생성하고, 애플리케이션에 맞게 수정하여 완벽한 매치를 프린트할 수 있습니다. 3D 프린팅 비용과 시간은 주로 부품 부피에 의해 결정되므로, 전통적인 제조 공정으로는 달성하기 어려운 형상에 추가 비용이 들지 않습니다."

금속 3D 프린팅, 적층 제조: 오늘날 누가 사용하고 있나요?

금속 분말이나 고온 열가소성 수지를 사용하는 적층 제조는 주로 항공우주 및 방산 분야에서 사용되며, 그럴 만한 이유가 있습니다: 이 회사들은 더 작고 때로는 복잡한 부품에 연구 개발 비용을 투자할 수 있으며, 이는 비용을 낮추거나 납기를 단축할 잠재력을 가집니다. 부품에는: 환경 제어 시스템용 복잡한 덕팅, 풍동 및 무인 항공기 부품, 연료 및 기타 액체 탱크, 대리 부품, 복합소재 레이업이 포함됩니다.

"보잉, 록히드, GE, 노스롭 그루먼 등 대규모 매출 기반을 가진 주요 항공우주 및 방산 OEM들은 모두 참여하고 있습니다."라고 바렛은 말합니다. "그리고 사용하기 시작한 다른 회사들은 오늘날 티타늄 고관절 임플란트를 만드는 바이오메디컬 기업들입니다. 하지만 부딪히는 건 비용입니다."

OEM들은 작업을 입찰하여 더 작은 제조업체에 아웃소싱하길 원합니다. 과제는 표준이 금속 프린팅 부품을 아직 따라잡지 못했다는 점입니다. 대형 여객기용 항공우주 부품에 대한 FAA 표준은 정당하게 엄격할 수 있습니다. 허용 가능한 사소한 이상이 무엇이고 무엇이 아닌지 이해하기 위해 많은 연구가 필요합니다.

현재 작은 작업장은 OEM을 위해 금속 부품을 프린트할 수 있을지 몰라도, 예를 들어 표준에 따라 승인된 한 대의 기계에서 한 종류의 금속 분말만 사용할 수 있습니다. 그래서 제약이 비용이 많이 듭니다."라고 바렛은 말합니다. 작업장은 이익을 내기 위해 유연성이 필요합니다.

한 항공우주 및 방산 제조업체가 3D 적층 작업에서 틈새를 찾은 방법. "항공우주에서 3D 프린팅 부품을 시장에 내놓는 방법"을 읽어보세요.

"좋은 소식은 향후 5~10년 내에 표준이 영향을 미치기 시작할 것이라는 점입니다."라고 바렛은 말합니다. "현재 NIST(국립표준기술연구소)가 이곳에서 많은 연구를 하고 있습니다."

하지만 항공우주나 임플란트에 국한되지 않습니다. 휴대용 기기, 의료 카트, 수술 가이드 및 도구 등 다른 의료 기기도 제작되고 있으며, 에너지, 운송, 소비재 카테고리 부품도 마찬가지입니다. 석유 및 가스에서는 로터와 스테이터 부품이 생산됩니다. 자동차에서는 패널링, 맞춤형 인테리어, 그릴을 만듭니다. 소비재로는 안경테와 사전 제작 디자인을 생각해 볼 수 있습니다.

기술적 질문이 있으신가요? MSC 금속 가공 기술팀에 포럼에서 문의하세요.

메이커봇의 메서드(Method), 전문가 시장과 작업장 겨냥

3D 프린팅의 초기 소비자 채택기에 많은 주목과 견인력을 얻은 회사 중 하나가 메이커봇입니다. 2013년 스트라타시스(Stratasys)에 인수된 이 회사는 지난 몇 년간 취미생활자와 교육자 시장을 넘어 연구 개발에 집중해 왔습니다. 스트라타시스는 2015년부터 에어버스를 위해 3D 부품을 제작해 왔습니다.

지난 12월, 메이커봇은 전문가 시장을 겨냥한 더 진보된 3D 프린팅 머신 '메서드(Method)'를 출시했습니다. 엔트리 레벨 산업용 3D 프린터 가격의 약 3분의 1 수준입니다. 메이커봇은 새 기계에 사용된 기술 개발에 스트라타시스와 협력했습니다. 메서드는 약 3년 만의 메이커봇 첫 신규 하드웨어 플랫폼입니다.

"스트라타시스 계열사로서 우리가 처음부터 개발한 첫 플랫폼입니다."라고 바이스는 말합니다. "스트라타시스의 지적 재산과 방대한 지식, 메이커봇의 디자인과 엔지니어링 DNA의 결합입니다. … 두 조각 없이는 이 기계를 성공적으로 끌어낼 수 없었을 것입니다."

메서드의 기능 세트는 완전히 다르고, 기존 데스크톱 3D 프린팅 기계보다 더 견고하다고 주장합니다. 그 기능 세트에는 고체 모델 소재와 수용성 PVA(물에 녹는 플라스틱)의 듀얼 압출, 금속 CNC 가공 프레임, 드라이 씰 소재 베이, 순환 가열 챔버가 포함되어 필수적인 따뜻한 공기 쿠션을 만들어 제어된 환경을 조성합니다. 추가되는 모든 레이어가 동일한 환경을 봅니다.

3D 프린팅과 CNC 가공 통합 웨비나를 시청하며 작동 원리를 확인하세요 [출처: 메이커봇]

"이것은 수만 달러에서 시작하는 산업용 3D 프린터에서 볼 수 있는 것이고, 데스크톱 세계에서는 볼 수 없는 것입니다."라고 바이스는 말합니다. 데스크톱 3D 프린터는 반복 가능한 치수 정확도를 제공하지 않는 취미생활자 아키텍처를 사용하여, 타이트한 공차가 필요한 많은 제조 애플리케이션에 부적합합니다.

데스크톱 3D 프린터의 프린팅 환경이 산업용 3D 프린터만큼 제어되지 않기 때문에, 정확도와 기계 가동 시간도 저하됩니다. 대부분의 데스크톱 3D 프린터에서 Z 방향으로 올라갈수록 부품이 더 차가운 환경에 노출되어 레이어가 약해지고 부품이 다르게 휩니다.

메서드로 메이커봇은 X, Y, Z 축에서 처음 100mm에 대해 완성 부품 공차를 ±0.2mm로, 그 이후는 같은 비율인 mm당 0.002mm로 스케일업한다고 주장합니다.

"완전한 정밀 CNC 가공 공차는 아니지만, 대부분의 지그, 고정구, 툴, 프로토타입 작업에는 충분히 가깝습니다."라고 바이스는 말합니다. "그리고 플라스틱 사출 성형 생산 공차와 일치합니다. 대부분의 데스크톱 3D 프린팅에서는 완성 부품 정확도 주장이 보이지 않습니다. 메이커봇도 이전 기계에서는 완성 부품 정확도 주장을 하지 않았습니다. … 대부분의 데스크톱 3D 프린팅에서 부품 [치수 정확도] 주장은 거의 보이지 않습니다. … 수용성 서포트 덕분에 어떤 형상이든 정말 프린트할 수 있고, 기계 기능과 제어 덕분에 일관된 부품 정확도로 프린트할 수 있는 첫 프린터라는 점이 주목할 만합니다."

오늘날 프로토타입, 지그, 고정구 제작에 3D 프린팅을 사용하고 계신가요? 포럼에서 이야기해 보세요. [등록 필요]