3D 프린팅이 현대 제조업을 혁신하는 이유

최근 몇 년간 적층 제조(및 3D 프린팅)를 둘러싼 엄청난 과대광고가 있었습니다. 하지만 이 기술이 정말 모든 제조업체에 실행 가능할까요? 그것은 상황에 달려 있습니다.

신체 부위부터 집까지, 3D 프린팅은 제조 부문에서 '적층'으로도 알려져 있으며, 소비자용 헤드라인급 기술 유행에서 의료용 임플란트, 자동차 및 항공 부품, 산업 디자이너용 플라스틱 시제품 같은 것을 제작하는 실행 가능하고 접근 가능한 수단으로 빠르게 이동했습니다.

적층 제조란 정확히 무엇일까요? MIT Technology Review는 기계가 "초박막 소재 층을 하나씩 쌓아 객체를 구축하는" 3D 프린팅의 산업 버전으로 설명합니다. 기존 소재에서 요소를 깎아내거나 제거하는 전통적인 가공 작업(기존 금속 가공, 밀링, CNC 가공 등)과 달리, 적층 제조는 바닥부터 쌓아 올립니다.

적층 제조의 이점은 무엇일까요? 기업이 내부 툴링과 고객 부품 및 소재 요구에 맞춰 제조를 혁신하고 맞춤화할 더 넓은 옵션을 제공하며, "제작 중 소재 손실 감소, 제품 수율 향상, 및/또는 노동 투입 감소"를 통해 비용을 절감한다고 Deloitte University Press는 툴링용 3D 애플리케이션을 다룬 기사에서 밝혔습니다.

3D 프린팅: 적층 제조 도입 증가세

PwC와 The Manufacturing Institute의 연구에 따르면, 제조업체의 약 3분의 2가 이미 어떤 형태로든 이 기술을 도입했으며, 절반 이상이 이미 시제품 제작에 사용하고 있습니다—단 2년 전만 해도 35%였던 기술 시도율에서 크게 증가한 수치입니다.

설문조사가 시사하듯, 제조업체들은 적층 제조를 둘러싼 급속한 성장이 더 가속화될 것으로 예상합니다. 절반 이상의 제조업체가 향후 5년 내 적층 제조가 대량 생산에 사용될 것으로 예상하는데, 이는 2년 전 38%에서 증가한 것입니다.

금속 적층 제조 시장도 이 결과를 뒷받침합니다. SmarTech Publishing의 "금속 분말을 이용한 적층 제조 2017" 연구에 따르면, 적층 제조 시스템과 금속 분말 소재 시장은 2016년 9억 5천만 달러를 넘었고 2026년까지 66억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다.

3D 프린팅, 적층 제조의 과제: 시간과 비용

적층 제조를 둘러싼 엄청난 과대광고에도 불구하고, 이해해야 할 한계가 있습니다. 첫째, 적층 제조는 생산이 느릴 수 있습니다. CNC 금속 가공으로 달성하는 종류의 볼륨을 내는 것은 사과와 오렌지 비교입니다.

"금속의 경우 문제가 다릅니다."라고 Star Rapid 창립자 겸 사장 Gordon Styles이 Engineering.com 인터뷰에서 말했습니다. "CNC 가공용으로 설계된 것을 3D 프린팅하는 것은 의미가 없습니다. 프린팅 시간이 소재 부피에 비례하므로 자연히 훨씬 느립니다. CNC용으로 설계된 대부분의 금속 부품은 부피가 커서 3D 프린터에서 긴 시간이 걸립니다."

여러 기업이 공정 단축을 위해 노력 중이라고 Styles은 말합니다. 하지만 그 개선된 기술은 기업에 또 다른 큰 과제를 던집니다: 비용. 적층 제조는 비쌀 수 있으므로 모든 '비용 레버'를 이해하는 것이 중요하다고 고급 제조 산업 전략 컨설턴트 Jason T. Ray는 지적합니다.

"AM(적층 제조)의 참신함과 기계를 구매하는 데 필요한 높은 초기 투자 비용 때문에, 사용 사례가 종종 비용-편익 주도 프로세스라기보다 못을 찾는 망치가 되곤 합니다."라고 Ray는 Disruptive 잡지 기고문 "적층 제조 비용 계산"에서 지적합니다. "이때 재설계 강조가 줄어들고, 기업은 원래 전통적 제조 방식용으로 설계된 부품을 생산하게 되어 AM과 연관된 최종 사용 혜택의 일부만 포착하게 됩니다."

하지만 Nottingham 대학의 보고서는 그게 영원히 그렇지는 않을 수 있음을 시사합니다. 그들의 이론: 기계 기술이 더 발전함에 따라 적층을 생산에 도입하는 경제적 타당성이 더 높아진다는 것입니다. 그러나 기계가 그대로인 한 비용은 계속 높게 유지될 것입니다.

"오늘날 우리는 제한적이지만, 10년 후면 수백 가지 사용 가능한 소재를 보게 될 것입니다."라고 Styles은 Engineering.com에 말했습니다. "문제는 소재 가용성이 아니라 소재 전환에 필요한 시간과 노력입니다. 오늘 새 소재로 기계를 전환하는 데 약 24시간이 걸립니다."

그러나 CNC 가공이 적층 제조보다 더 비쌀 수도 있는 경우가 있습니다. 하지만 그것을 알아내는 확실한 방법은 단 하나뿐입니다.

"최선은 급속 시제품 제작 서비스 제공업체로부터 두 공정의 견적을 받아보는 것입니다."라고 Styles은 설명합니다. "경험칙 하나만 들자면: 부품을 CNC 가공할 수 있다면 CNC 가공하는 것이 아마 더 쌀 것입니다—그리고 90%의 경우 이것이 사실입니다."

게다가 Styles은 일부 적층 소재가 CNC 가공의 추가 작업(지지대 제거 등)을 필요로 할 수 있다고 지적합니다. 더구나 열은 아마도 가장 큰 문제로, 제품을 문자 그대로 찢어발길 위험이 있습니다.

공장의 3D 프린팅: 플라스틱, 부품, 툴링, 하이브리드

과제에도 불구하고, 플라스틱 시제품 제작에서 적층 제조는 주요 이점을 가질 수 있습니다. 플라스틱 시제품 제작에 CNC 가공을 할 때 문제는 원통형 커터가 내부 직각(이런 설계에서 흔함)을 가공하기 어렵게 만든다는 점입니다. 3D 프린팅으로는 맞춤화 기회와 시제품 제작의 시행착오가 제품, 부품, 툴 설계자에게 의미가 있습니다.

적층 제조는 "순수 절삭 공정보다 실제 부품당 시간이 훨씬 더 길 수 있지만, 셋업, 툴링업 및 유사한 준비 시간 절감의 혜택을 받는 빠른 처리가 필요한 저용량에 이상적입니다."라고 CNC Cookbook 창립자 겸 CEO Bob Warfield가 하이브리드 가공(적층과 절삭 공존)에 대한 기사에서 지적했습니다.

부품 및 툴링을 위한 적층 제조의 사례

적층 제조의 실제 사용 사례는 주목할 만합니다. 여러 주요 산업 제조업체들이 적층의 잠재력을 십분 활용하고 있습니다. 주요 산업 플레이어들의 몇 가지 사례입니다.

GE는 연간 25,000개의 LEAP 제트 엔진 연료 노즐을 여러 방식으로 비용 절감하며 생산할 것으로 기대합니다. 첫째, 적층 기술은 생산 중 더 적은 소재를 사용합니다. 기존 기술은 20개 부품을 정교하게 용접해야 했고, 많은 스크랩과 낭비 소재를 발생시켰다고 MIT Technology Review는 전합니다.

"중요한 금속 합금 부품을 수천 대 제트 엔진에 쓸 목적으로 대량 생산하기로 한 결정은 이 기술의 중요한 이정표입니다."라고 MIT Technology Review의 Martin LaMonica는 씁니다. "소비자와 소규모 기업가용 3D 프린팅이 큰 홍보를 받았지만, 기술이 가장 중요한 상업적 영향을 미칠 곳은 제조업입니다."

여기서 적층 공정은 레이저 분사 방식으로 형성되는 하이브리드 금속 분말을 사용해 부품을 더 가볍게 만드는데, 이는 항공사의 연료 절감으로 이어집니다. 제조사에는 더 저렴하게 생산되고, 새 부품은 고객 비용을 줄여 진정한 윈윈이 됩니다.

툴링 측면에서 Deloitte는 적층의 활용을 설득력 있게 주장합니다—적층 공정으로 급속 시제품 제작이 주조와 내부 툴링 제작 리드 타임을 크게 단축한 실제 사례를 상세히 설명합니다. Deloitte는 Ford Motor Company가 EcoBoost 엔진, 로터 서포트, 트랜스미션 커버, Ford Explorer 브레이크 로터에 적층을 크게 활용한 방식을 설명합니다.

"회사는 AM으로 시제품 부품 주조용 샌드 몰드와 코어를 신속하게 만듭니다."라고 Deloitte는 전합니다. "이로써 Ford는 리드 타임을 최대 4개월 단축하고 수백만 달러를 절약했습니다."

하이브리드 가공의 사례: 적층과 절삭

하이브리드 이야기를 하자면, 적층 제조 도구 제조사들이 적층과 절삭 능력을 모두 가진 하이브리드 기계를 개발하기 시작했는데, 이들은 볼 만한 가치가 있습니다. 이 '하이브리드' 기계는 3D 프린팅의 기하학적 자유도와 CNC 가공의 정밀성을 결합합니다.

"예를 들어 유지보수 시설의 터빈 교체 부품처럼, 극도로 정교한 부품의 극소량 생산이 필요한 경우를 상상해보세요."라고 Warfield는 씁니다. "이런 [하이브리드] 기계가 바로 이상적일 수 있습니다."

하지만 이들 신규 도구 다수는 단일 부품 생산에 제한되며, 종종 디지털 파일에서 직접 생산할 수 없습니다—순수 적층 전략으로는 가능했던 일입니다.

"금속 3D 프린팅을 해방 기술로 생각해야 합니다."라고 Styles은 강조합니다. "이제 겉보기에 불가능한 부품을 설계하고 여전히 제작할 수 있지만, 핵심은 소재 부피를 최소화하는 것입니다."

대형 제조업체들에게 적층은 영향을 미치고 있습니다. 하지만 Deloitte가 지적하듯, 그 영향은 혁신의 올바른 맥락에서 봐야 합니다:

"현재 툴링 제작용 AM은 공급망이나 제품 설계를 혁신한다기보다 공급망과 제품의 효율성과 효과를 개선하는 정도입니다. 그러나 AM 기술이 계속 개선되고 툴링용 AM 사용이 증가함에 따라, 기업의 혁신 능력을 높여 공급망과 제품에 더 직접적으로 영향을 미칠 능력을 얻게 될지도 모릅니다."

귀사 현장에서 적층 제조를 완전히 도입하셨나요? 기술 관련 가장 큰 과제는 무엇인가요? 아래 댓글로 알려주세요.