3D 프린팅이 Industry4.0을 촉진하는 방법

3D 프린팅이 4차 산업혁명을 촉진하는 방법

편집자 주:이 기사는 AspenCore의 특별 보고서 "2030년 공장 활성화"의 일부입니다.

기능성 스마트폰 전체를 데스크탑에서 인쇄한다고 상상해 보십시오. 아직은 먼 비전이지만 적층 제조(AM)는 이미 커넥터에서 인쇄 회로 기판에 이르기까지 전자 부품이 생산되는 방식을 바꾸고 있습니다.

최근 Hubs 보고서에 따르면 프린터, 재료 및 소프트웨어의 급속한 발전으로 3DP가 프로토타입 제작에서 안정적인 최종 사용 생산으로 옮겨졌습니다. 1억 1백만 달러 규모의 Markforged 대변인 Sam Manning은 "우리는 이제 최종 사용 부품이 일반화되는 변곡점에 와 있습니다."라고 말합니다.

산업에 미치는 영향

3DP는 해외 파트너의 필요성을 없애고, IP 위험을 줄이며, 필요한 정확한 수량으로 현장 생산을 가능하게 합니다. 이러한 "적시적 스테로이드" 접근 방식은 최소 주문 수량, 배송 리드 타임 및 재고 비용을 절감합니다.

297억 2천만 달러 규모의 EMS 제공업체인 Flex는 3DP를 Industry4.0 전략의 핵심으로 식별했습니다. 신속한 디지털 프로토타입은 설계 팀과 제조 팀 간의 격차를 해소하여 모든 설계 변경 시 즉시 업데이트되는 라이브 디지털 저장소를 만듭니다.

공정 자동화(슬라이서 최적화, 스마트 부품 방향 설정, 배치 레이아웃 및 후처리)는 인쇄 속도, 품질 및 일관성을 향상시킵니다. 슬라이싱은 3D 모델을 프린터가 따르는 기계 판독 가능 명령으로 변환합니다.

Manning은 “공장에서는 더 이상 부품을 수년간 보관할 필요가 없습니다.”라고 설명합니다. “부품이 필요하면 주문형으로 프린트할 수 있습니다.”

3DP의 새로운 기능

3DP 에코시스템에는 이제 미 공군을 위한 SLM Solutions의 1.5미터 Z축 레이저 분말 침대 융합 시스템과 대형 구조물 및 수리를 위해 로봇 용접 암을 사용하는 Caracol의 그물 모양 금속 와이어 아크 시스템과 같은 대형 금속 AM이 포함됩니다.

현재까지 인쇄된 도구 중 가장 큰 것은 Boeing이 가공 중에 777X 날개 피부를 고정하는 데 사용하는 트림 도구입니다. 3DP 재료는 엔지니어링 열가소성 수지, 수지, 복합재, 고분자 분말 및 금속 분말을 포괄하며, 돌출부에 대한 지원을 제거하는 비평면 인쇄 분야의 최근 혁신이 이루어졌습니다.

Manning은 "우리는 단지 프린터를 만드는 것이 아니라 재료와 소프트웨어를 개발합니다. 통합된 AI 기반 생태계가 채택을 가속화합니다."라고 말합니다.

사용 사례

3DP는 프로토타입 제작, 툴링 및 대량 맞춤화에 탁월합니다. 신속한 프로토타입을 통해 디자이너는 본격적인 생산에 앞서 형태, 적합성 및 기능을 검증할 수 있습니다. 툴링(지그, 고정 장치 및 조립 보조 장치)을 주문형으로 인쇄할 수 있으므로 기계 가동 중지 시간이 줄어들고 민첩성이 향상됩니다. 예를 들어 Toyota는 AM 툴링의 주요 이점으로 더 빠른 리드 타임과 설계 자유를 꼽습니다.

소량 제조가 경제적으로 실현 가능해졌습니다. 기업은 대규모 재고 없이도 한정판 품목이나 예비 부품을 생산할 수 있습니다. HP의 3D 프린터는 Toyota에서 주문형 교체 부품을 인쇄하는 데 사용됩니다.

개별 고객에 맞게 CAD 파일을 맞춤화하면 대량 맞춤화가 가능합니다. Formify는 3DP를 사용하여 손 스캔을 기반으로 인체공학적 마우스를 제작합니다.

연속 생산도 등장하고 있습니다. Protolabs는 150대의 3D 프린터를 운영하여 연간 최대 100만 개의 부품을 생산합니다. 이는 완전 자동화된 소등 작업 흐름을 통해 가능해진 성과입니다.

지속가능성

제조업체는 환경에 미치는 영향을 줄이면서 비용을 절감해야 한다는 압력에 직면해 있습니다. 3DP는 CNC 가공과 같은 절삭 방법보다 재료 낭비가 적고 사용하지 않은 분말을 재활용할 수 있습니다. 또한 Athena Manufacturing의 소등 시스템과 같은 로봇이 지속적으로 부품을 준비하고 인쇄하므로 전력 소비도 적습니다.

AI 기반 디자인 도구는 인쇄 실패를 최소화하고 CAD 모델을 최적화하여 낭비를 더욱 줄입니다. 현지 생산을 통해 복잡한 물류를 제거하고 탄소 배출량을 줄입니다. Hubs에 따르면 부품을 20% 경량화하면 항공기 연료 효율을 10% 높일 수 있다고 합니다.

항공기 및 자동차와 같은 수명이 긴 자산은 주문형 예비 부품을 활용하여 작동 수명을 연장할 수 있습니다.

시장 전망

2022년 시스템, 소프트웨어, 소재, 서비스를 포함한 3DP 시장은 연간 13%씩 성장해 170억 달러에 달했습니다. Hubs는 CAGR 17%로 2023년에 199억 달러에 이를 것으로 예상합니다.

Manning은 “3DP는 엔지니어를 위한 강력한 도구입니다. "기존 제조업을 대체하지는 못하지만 디자인 툴킷의 표준 부분이 되고 있습니다."

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