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3D Printing

적층식 제조업의 혁명

2021-05-22

적층식 제조업의 혁명
우리는 불과 몇 년 전까지만 하더라도 3D프린터에 대한 기사를 자주 접할 수가 없었다. 하지만, 많은 기업들과 정부는 오래 전부터 글로벌 시장을 선점하기 위해 3D프린터 기술과 투자에 대한 관심을 가지고 있었다. 적층식 제조업은 장기 성장을 위한 기초로서 그 변화의 중심에 서 있다.


3D프린터와 같은 적층식 제조업의 현재 진행상황을 알아보려면 미국 애리조나 주 피닉스에 가보면 된다. 그 곳에서는 자동차 스타트업 기업이 있는데, 이 곳에서는 자동차 설계와 조립에 파격적으로 이 기술을 적용하고 있다.


이 자동차 업체는 마이크로 제조 모델을 사용하는데, 3D프린터와 같은 기술들을 사용해 짧게는 몇 시간에서 길게는 며칠 내에 자동차를 생산해 낼 수 있다. 전체 차체와 섀시는 ABS 플라스틱 80%와 카본 섬유 20%를 혼합하여 프린트하고 있다. 자동차의 디자인은 지역 사회 접근법을 기본으로 하고 있다. 이 지역의 디자이너들은 디자인에 많은 신경을 쓰도록 요청을 받고, 이런 디자인은 로열티에 대한 보상 컨셉을 가지고 있어야 한다. 마이크로-팩토리는 비교적 빠르고 직접적으로 각 지역 사회에 파고 들 수 있다. 이 곳의 자동차들은 며칠 안에 개인 구매자의 맞춤에 의해 제작되어 배송 될 수 있다.





포드와 대량생산을 하는 기업들은 어디를 갔는가?
지역 자동차 회사는 이 사업모델을 매스 커스터마이제이션이라 부르는 데, 범위(디자인, 설계, 기능)가 기존의 소품종 대량생산 때보다 매우 유연하다. 이미 3개의 공장이 피닉스와 라스베가스에서 가동에 들어갔다. 그리고 테네시 주 녹스빌과 메릴랜드의 내셔널 하버에도 최근에 문을 열었다. 그리고 전 세계에 걸쳐 10년 안에 100개의 공장을 가동할 예정이다.


산업 분석 협회 뵐러(Wohlers)에 따르면 작년 한 해 동안 전 세계 62개 제조업체가 AM 시스템을 생산하거나 구매했다고 한다. 이는 전년 대비 26%가 증가한 수치이다. 이와 더불어 적층식 제조 재료를 생산하는 기업도 빠르게 시장에 진입하고 있는 것으로 나타났다. 무엇이 성장 동력 일까? advancedmanufacturing.org의 산업 동향 발표에 따르면 “앞으로 AM을 사용하여 최종생산 품질 부품을 만들면서 시장 개척과 큰 기회가 올 것이다. 이는 정확하게 최근 우리가 주목을 하고 투자를 하는 곳이다.”


3D 프린팅은 시장에서 급성장하고 있다. 미국 시장연구기관 IDC는 2016년 대비 2019년에는 30% 증가한 260억 달러의 시장 규모를 나타낼 것으로 내다보았다. 또한 3D프린터의 발전은 산업계에 새로운 유연성을 가져다주고 있다. 예를 들어, 설계 연구와 프로토타입이 더 빠르게 이루어지면서, 항공기의 엔진과 제어 시스템에 사용될 부품들을 계속해서 생산 연구 할 수 있고 이는 비용 효율적으로 운영 될 수 있다.


또한 3D프린팅은 소수의 부품을 생산하는 데도 유용하게 사용된다. 예를 들어 30년 이상 사용된 기차의 노후화된 부품이 단종 되더라도, 3D프린터를 이용해 빠르고 경제적으로 생산해 이를 대체 할 수 있다. 이렇게 운영을 하면서 얻은 경험의 결과는 기술의 발전을 이끌어 낼 수 있다.





적층식 제조업 _ 2가지의 기회
적층식 제조업은 스타트업 기업과, 중소 제조업체에게 커다란 기회를 안겨 줄 것이며, 더불어 지멘스와 같은 서비스 산업에 있는 대기업에게도 큰 기회를 줄 것이다. 예를 들어, 독일 에를 랑겐에 있는 지멘스 적층식 제조업 경쟁력 센터는 이미 철도 산업에 필요한 개별 적용 스페어 부품을 빠르고 경제적으로 생산해내고 있다.


엘를 랑겐에 있는 이층짜리 지멘스 건물은 어디를 봐도 스페어 부품을 만드는 공장으로 보이지 않는다. 여기에는 어떤 굴뚝도, 기계실도, 그리고 조립라인도 없다. 대신, 커다란 창문과, 주름 잡힌 블라인드, 그리고 멸균된 복도가 있을 뿐이다. 그러나 베니어 복도 문 뒤 지멘스의 모빌리티 디비전은 스페어 부품을 위한 새로운 공간으로 탄생했다. 이곳에서는 금속을 몰딩하고 배면하는 대신 부품을 하나씩 프린트 한다. “우리는 복잡한 부품을 부피에 대한 제약과 비용에 대한 걱정 없이 생산해 낼 수 있다.”고 지멘스 경쟁력 센터 R&D 책임자 막시밀리안 쿤켈이 말했다.


독일 남부의 울름(Ulm)에 있는 지방 공공시설 회사는 이 기술의 수혜자 중 하나이다. 2003년 노면전차를 선보인 이후, 몇 몇 노면전차 운전자들은 신호 변화와 레일 변화를 설정하기 위해서 운전자 시트의 팔걸이에 추가적인 스위치를 설치하는 것이 좋다는 의견을 내었다. 그러나 필요한 부품의 수가 매우 적었기 때문에, 기존의 생산 방식으로는 이를 실현하기가 실용적이지 못 했다.


하지만, 3D프린터를 이용해 스위치가 설치 될 수 있는 캐비티에 새로운 디자인을 할 수 있었다. 생산 과정에는 레이저 신터링이 사용되었으며, 3D프린터를 이용해 플라스틱 분말을 한 층 한 층 쌓아 올리고 굳혔다. 레이저가 플라스틱 분말을 때리면, 분말은 굳기 전에 순간적으로 점성을 띠게 된다. 그렇게 분말이 제거되면, 작업자는 색을 입히고, 가공을 하기 위한 블랭크를 얻게 된다.


과거에 스페어 부품이 지금처럼 생산 되지 않을 때, 노면전차 운영자들은 몇 주 혹은 몇 달을 이 비싼 부품이 생산되기를 기다려야 했다. 게다가, 일반적으로 최소 구매 물량이 있어 경제적 부담은 훨씬 컸다. 하지만, 오늘날 엘를 랑겐 경쟁력 센터에서 생산되는 스페어 부품은 구매자에게 저렴한 비용으로 며칠 내에 배송이 된다.


위 예에서 살펴 보았 듯이, 3D프린팅은 복잡한 도면을 매우 빠르고 쉽게 생산해 낼 수 있다. 기존의 생산 방식이었다면 꿈도 못 꿨을 일이다. 사실, 3D프린팅은 매우 경제적인데, 기존에 생산을 하고, 재고로 쌓아 두어야 했던 것을 생각해 본다면 운영자로서 탐나는 생산방식이 아닐 수 없다.





프로세스 작동 방식
지멘스 경쟁력 센터 팀은 첫 번째로 CAD(Computer-aided design)를 개발 하였다. 이는 최적화된 설계, 더 나은 재료, 그리고 향상된 프린팅 프로세스를 사용함으로써 기존의 CAD와는 비교가 되지 않을 정도로 뛰어나다. 모델의 물리적 적합성을 따지기 위해, 수집된 데이터들은 센터 내 플라스틱, 알루미늄 그리고 스테인레스 스틸을 사용하는 세 개의 프린터로 전송 된다.


이 과정에서 핸들링, 강도 그리고 가장 중요한 불에 대한 저항을 시험한다. 화재를 예방하기 위해 센터에서는 거의 유일하게 불에 강한 고성능 플라스틱을 이용한다. “대부분의 제조업체들이 부품에 대해 테스트를 할 때, 우리는 금속과 플라스틱에 대한 프린팅 공정을 표준화함으로써, 서비스와 기능에 대한 적합성을 보장한다.”고 쿤켈이 말했다.


적층식 제조 _ 3가지 새로운 개척
지멘스는 적층식 제조에서 놀라운 행보를 이어가고 있다. 이는 자동화와 제어를 위한 지멘스 PLM과 지멘스 디지털 팩토리의 조화에서 비롯된다. 그들은 3D 프린팅을 박스에서 꺼내며, 더 크고 복잡한 것을 만들기 위해 로보틱과 이펙터를 이용한다. 지멘스는 적층과 밀링 공정을 할 수 있는 하이브리드 머신 공급자인 DMG Mori와 협력을 하고 있다.


지멘스 PLM은 적층 생산 소프트웨어에 NX 디자인을 제공하고 있다. 오늘날 진보적인 3D프린팅 기술이 개발 되면서 두 가지 이상의 재료를 혼합한 3D 프린팅이 늘어나고 있다. 오일&가스 산업에 사용되는 드릴 헤드, A&D 섹터에 사용되는 티타늄 소재 랜딩 기어, 그리고 고온 화학 과정에 사용되는 것들이 이에 해당한다. 이 보다 더 어려운 것들도 3D프린팅 기술의 발전과 함께 생산 가능해 질 것이다.


지멘스 PLM은 복잡한 3D프린팅 기술을 지원해 줄 수 있는 패싯, 파라 메트릭 및 솔리드 모델링의 조합이 가능한 새로운 변환 모델을 제공하고 있다. 지멘스 R&D 연구실은 작고, 자동화 된 스파이더 봇을 개발하고 있는데, 이는 필요에 따라 작업이 필요한 곳으로 이동하고, 3D 프린팅을 하며, 구조와 부품이 필요한 곳을 수리한다.


미래 제언
앞으로 10년간, 적층식 제조는 매우 빠르고 매우 저렴하게 바뀔 것이다. 2023년 까지 가격은 지금의 50%이상 인하 될 것이고, 처리 속도는 400%이상 향상 될 것으로 전망 된다. 우리는 같은 해의 AM 시장 전망이 85 억 7000 만 달러라는 사실에 놀라지 말아야한다.


미국의 미래학자 스튜어트 브랜드는 이런 말을 했다. “새로운 기술이 나타날 때, 당신이 스팀롤러의 한 부분이 되지 못 한다면, 도로의 한 부분이 되고 말 것이다.” 하지만, 적층식 제조 기술이 지속적으로 빠르게 발전하면서 당신도 3D프린터를 이용해 스팀롤러가 될 수 있다.




원문 : Posted by Joan Jacinto on Wednesday, November 30, 2016
번역 : 김수진 선임연구원
편집 : 김수진 선임연구원