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3D Printing

적층 제조(3D 프린팅)의 대량생산 과제

2022-02-15


 

 

3D 프린터 전문 기업인 스트라타시스사의 넬 홉킨스씨는 제조기업이 적층 제조(additive manufacturing: 3D 프린팅)에 주목해야 하는 이유를 다음과 같이 설명한다.

 

적층 제조(AM)라고도 불리는 3D 프린팅이 지난 20년 동안 초보적인 시제품 제작 솔루션에서 이제는 제조에 깊이 뿌리를 내리고 있는 기술로 진화해 가고 있다. 몇 몇 산업계의 선진 기업에 한정되어 사용했던 툴이 번창하고 혁신되었다. 전 세계의 디자이너, 엔지니어 및 제조업체의 현장에서도 사용되고 있어 오늘날 수십억 달러 규모의 글로벌 산업으로 형성 발전하였다. 

2000년대 초반만 해도 학교와 직장에서 소규모 보급형인 데스크톱 3D 프린터를 보유하고 있었지만, 지금은 모든 비즈니스 현장에서 사용하고 있다. 3D 프린팅으로 만든 사람의 장기 모형은 거의 매일 의료 현장에서 생명을 구하고 있으며, 3D 프린팅 부품으로 조립한 로켓이 우주로 발사되고, 패션업계에선 3D 프린팅 의류가 히트를 치는 등 발전하고 있다.

 

기술이 발전함에 따라 3D 프린터는 초기 단계의 투박하고 1개 생산의 프로트 타입의 제작에서 벗어나 모든 분야에 적합한 전문화된 제조 중심 솔루션으로 변화되었다. 

대표적으로 치과 업계는 이러한 측면에서 큰 성과를 거두었다. 2000년 초를 회고해 보면, 치과 분야에서 입체 석판 기계(stereolithography machines)의 경우 얼라이너 금형을 제작하려면 새로운 수준의 효율과 비용을 달성하기 위해 많은 조정이 필요했다. 현재의 포트폴리오를 보면 제조할 수 있는 전체 시스템과 솔루션으로 발전하였다.

 

 

적층 제조는 성숙기로 돌입

현재 적층 제조는 업계 전반에 걸친 건전한 경쟁으로 다양한 어플리케이션과 솔루션을 제공하게 되었다. 이제 3D 프린팅은 소수의 운 좋은 디자이너들의 장난감 놀이로 여겨졌던 90년대의 이미지가 아니다. 전문 산업용 3D 프린팅 솔루션은 첨단 재료 공급업체와 후 공정 시스템 공급업체가 결합되어 급성장하는 생태계를 이루었고 이 기술이 전 세계적으로 제조 산업의 거대한 핵심이 되어가고 있다.

그러나, 대부분의 산업에서 적층 제조의 대량 생산 과제는 여전히 미지의 영역으로 남아 있다.

지난 10년 동안 전통적인 제조업에서 3D 프린팅 활용에 큰 발전이 있었지만, 그 사용은 대부분 소량 생산에 국한되어 있었다. 필요한 수량이 수천 또는 수만 개에 달했을 때, 사출 성형 생산에 비해 경제성 면에서 성공한 비즈니스 사례는 없었다. 다행히 시장이 성숙함에 따라 3D프린팅 머신 분야도 성장하여 적층 제조의 오랜 숙원이었던 생산량에 부응할 수 있는 잠재력 있는 신기술이 개발 증가하고 있다.

 

 

적층 제조를 통한 양산 비즈니스 사례

이러한 기술 중 하나는 지난 12개월 동안 출시된 SAF™(스트라타시스 3D 프린팅 기술)인데, 이 기술은 분말 기반 적층 제조의 새로운 형태로 10년 이상 R&D의 정점을 장식해 왔다. 싱글 패스 인쇄 및 융해 프로세스를 사용하여 사출 성형의 제어 수준과 정도, 일관성이 예상되어 수만 개 단위의 부품을 생산할 수 있고, 부품당 단가를 맞출 수 있어 사출 성형 또는 CNC 가공보다 경쟁력이 있는 경우도 많다. 특히, 모든 부품을 완전히 다르게 커스터마이징할 수 있다는 장점을 더하면 비즈니스로 성립할 수 있다.

 

그렇다면, 생산자는 언제 대량 생산에 3D 프린팅 활용을 고려해야 할까? 어떤 종류의 어플리케이션이 가장 적합할까? 답은 작고 복잡한 부품을 양산할 수 있다. 복잡한 설계의 경우 전통적인 제조 방법으로 가공 또는 사출하기 어렵지만 3D프린터가 우수하게 잘 해낼 수 있는 분야이다. 

이제 생산 부품에 따라 3D와 사출 성형 중 하나를 선택할 수 있게 되었다. 기존 제품 군의 최적화와 이전에는 불가능했던 생산수량 및 커스터마이징으로 새로운 비즈니스 기회를 창출하고 특히, 주문 수량의 측면에서 유연성을 갖게 되었다.

 

이미 많은 고객들이 SAF로 생산량에 구애 받지 않고 사출 성형 비용의 극히 일부로 부품을 생산하고 있다. 대량의 물리적 재고를 보관하고 있다가 수요에 대응하는 것이 아닌 주문 생산방식으로 부품을 생산하여 공급하므로 추가적으로 효율을 높일 수 있다. 아주 작은 부품에서 복잡한 의료기기 부품에 이르기까지 여러 산업에서 적층 생산 방법으로도 양산이 가능하다. 

적층 생산으로 양산과 커스터마이징의 가치를 높여 수상 경력이 있는 한 독일 디자인 회사 DQBD GmbH가 있다. 이 회사는 SAF 기술을 사용하여 완전 개인 맞춤형 사이클 안장 생산을 목표로 하중 지지 베어링 부품을 양산하고 있다. 최근에 이 회사는 첫 배치 생산에서 사출 성형 대비 25,000유로 이상의 비용 절감 효과와 리드 타임을 3~6개월에서 10일로 단축시켰다고 밝혔다. DQBD는 사이클 안장의 완전 맞춤형 생산을 실현하는 데 필요한 설계의 유연성과 생산 품질을 갖추게 되었다.

그리고, 제품 개발 과정에서의 직접적인 생산 효율성 외에도 무시할 수 없는 또 다른 부가가치 이점에도 주목해야 한다. 추가적인 설계 변경을 염두에 두고 부품을 설계하므로 부품의 특성에 따라 설계를 최적화할 수 있다. 생산라인에서 가동하고 있는 로봇용 End-of-arm의 툴이 대표적이다. 복잡한 형상을 3D로 프린팅할 수 있다는 사실을 알고 툴의 내부 구조를 경량으로 재설계함으로써 로봇 팔 부품의 툴 무게를 거의 50%까지 줄일 수 있었다. 이것으로 생산 설비인 로봇 팔의 응력을 상당히 완화시켜주는데, 결과적으로 로봇 팔의 이동 속도와 생산성을 증가시킬 뿐 아니라, 경량화로 로봇의 성능 저하 속도를 감소시키기 때문에 매우 중요하다. 

이제 이러한 툴을 필요 시 비용 효율적으로 수량에 따라 생산할 수 있어 생산 라인을 최적화할 수 있는 기회가 더 넓어졌다. 제조 현장의 효율성을 향상시킬 수 있는 방법은 무궁무진하다.

 

 

제조업의 미래는 밝다

3D 프린팅의 대량생산 가능성은 기대해도 될 만큼 미래는 밝다. 3D 프린팅 벤더들이 계속 발전하고 기계를 전문화함에 따라 이 업계의 산업이 전반적으로 더욱 정교해지고 미묘한 차이를 보이며 경쟁이 치열해지고 있는 가운데, 다양한 부문에 대한 특정 진입 장벽 제거를 목표로 한 새로운 솔루션도 나오고 있다. 

SAF 기술에 대한 필자의 경험을 돌아보면, 몇 년 전만 해도 이러한 발전은 허황된 꿈처럼 느껴졌었다. 1990년대부터 성장한 이 기술을 되돌아 보면, 3D 프린팅으로 몇 몇 부품을 성공적으로 제작은 했지만 대량생산하기 어려운 약점이 있었고 아무리 과대 평가를 해도 10~ 20년 안에 산업에 혁신적으로 활용되기에는 불가능해 보였다.

그러나, 코로나로 인한 공급망의 불확실성과 변동성 대응에 많은 문제가 나타난 지금 제조에 있어 더 많은 유연성이 요구되고 있어 3D프린팅의 대량생산에 대한 관심이 높아지고 있다. 우리는 적층 생산으로 대량생산할 수 있다는 사실을 받아들일 준비가 되어 있으며 제조업체들이 오랫동안 요구해온 성숙한 기술로 대응할 수 있다고 믿는다.

 

 

 

출처 : manufacturingglobal​