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디지털 생산을 위한 전제 조건 – 3D Systems Figure 4™ 팩토리 솔루션

우리가 적층 제조로 생산(Production)이 가능한지, 아니면 아직은 이른지에 대해 이러쿵저러쿵하는 사이, 어디선가는 적층 제조로 소량 혹은 대량 생산을 하게끔 하기 위한 전제 조건들을 하나씩 풀어나가고 있었다. 최근 그 결과물들이 하나씩 나타나고 있는데, 3D Systems의 Figure 4도 그중의 하나이다.

결과물_1

Figure 4™는 업계 최초의 확장 가능한 완전 통합형 3D 프린팅 플랫폼이다. 독립형 프린팅 시스템부터 생산량이 늘어남에 따라 확장할 수 있는 모듈식 프린팅 시스템 그리고 완전 자동화된 통합형 공장 솔루션에 이르기까지 생산 수요에 따라 제조 성능을 증대시킬 수 있어 ‘팩토리 솔루션’으로 명명했다.

NCM 방식의 고속 적층
이 Figure 4 플랫폼의 기본 단위가 되는 독립형 모듈의 조형 방식은 원천기술을 가진 3D systems가 개발한 ‘NCM(Non-contact Membrane Technology)’ 방식이다. 기존 DLP(Digital Light Printing) 방식은 빔프로젝터를 이용해 UV 광을 조사하여 레이어 단위로 소재를 경화시키는 방식이다. 플라스틱 액상 소재가 담겨있는 ‘프린트 트레이’의 바닥은 UV 광이 투과될 수 있도록 투명한 막으로 구성되어 있다. UV 광에 노출된 소재 레이어는 이 막에 접촉한 상태에서 경화되는데, 다음 공정을 위해 물리적 힘으로 분리되어야 한다. ‘플랫폼’에 매달린 채 상승하면서 출력되는 파트는 이 과정에 영향을 받아 흔들리거나 뒤틀릴 수 있어 정밀도 및 반복 정확성을 구현하기 어렵다. 또한 물리적으로 분리하는 데 많은 시간이 소요된다.
하지만, Figure 4는 3D Systems의 원천 기술인 ‘UV 투과막 비접촉 기술 (Non-contact membrane technology)’이 적용되어 기존 DLP의 한계를 뛰어넘었다. ‘플랫폼’에 매달린 채 상승하면서 출력되는 파트는 ‘프린트 트레이’의 투명막에 접촉되지 않은 상태에서 레이어가 경화되기 때문에 흔들리거나 뒤틀림에 영향을 받지 않으며, 경화된 레이어를 물리적으로 분리할 필요가 없기 때문에 출력 속도가 크게 향상된다. 이로 인해 기존 DLP 방식 대비 높은 정밀성, 반복 정확성, 표면 품질 그리고 최대 104mm/hr에 달하는 빠른 출력 속도를 보여준다.

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Figure 4의 프린트 플랫폼과 레진 트레이 (사진_인터몰드 2019)
Figure 4의 프린트 플랫폼과 레진 트레이 (사진_인터몰드 2019)

다양한 산업용 재료
3D Systems의 소재 디자인 센터는 30년 이상의 R&D 경력 및 프로세스 개발 전문가들을 보유하고 있다. Figure 4에서 사용되는 제조 등급의 소재에는 사출 성형 및 우레탄 캐스팅을 대체할 만큼 광범위한 산업용, 치과용 및 맞춤형 재료가 포함되어 있다. 기본적으로 이 모든 소재는 디자인 확인, 기능 테스트, 시제품 제작, 최종 부품 등의 용도로 사용될 수 있다. 이는 소재의 특성 및 물리적 성질을 토대로 출력하고자 하는 파트의 용도에 따라 결정되는 것인데, 폴리프로필렌 계열과 유사한 TOUGH GRY 10과 15 소재는 물리적 성질이 일반 산업에서 사용되고 있는 범용 플라스틱과 유사하여 제조용으로 더 많이 사용된다.

Figure 4 TOUGH-GRY 10은 신속하고 반복적으로 디자인 확인이 가능한 초고속 출력용 소재다.
Figure 4 TOUGH-GRY 10은 신속하고 반복적으로 디자인 확인이 가능한 초고속 출력용 소재다.
Figure 4 TOUGH-GRY 15는 경제적인 비용의 고강도 파트 출력용 소재다.
Figure 4 TOUGH-GRY 15는 경제적인 비용의 고강도 파트 출력용 소재다.
Figure 4 Flex-BLK 10는 유사 폴리프로필렌 물성의 산업용 등급의 내구성과 유연성이 있는 블랙 소재다.
Figure 4 Flex-BLK 10는 유사 폴리프로필렌 물성의 산업용 등급의 내구성과 유연성이 있는 블랙 소재다.

올 하반기 런칭 예정인 소재도 있다. Figure 4 TOUGH-BLK 20는 유사 ABS 계열 블랙 소재로 UV 안정성과 높은 정밀도 구현이 가능하다. Figure 4 HI-TEMP-AMB 250은 내열성이 높은 소재로 투명한 황색 컬러로 흐름성 확인이 가능한 소재다. Figure 4 MED-AMB 10은 투명한 생체 적합 소재로 ISO 10993-5, -10 인증을 받았고 살균이 가능하다. Figure 4 MED-WHT 10은 화이트 생체에 적합한 소재로 역시 ISO 10993-5, -10 인증을 받았고 살균이 가능하다.

원형 제작부터 생산까지
Figure 4는 컨셉 모델, 신속 조형, 기능성 원형, 내구성 플라스틱 최종 부품, 엘라스토머 부품, 디지털 텍스처링 응용, 마스터 패턴 및 주조 패턴, 지그 및 고정 장치 등을 제작한다. 그리고 기존의 사출 성형 및 우레탄 캐스팅 공정에 필적하는 뛰어난 표면 품질과 정밀도를 갖춘 부품을 제공해 기존 공정을 대체하는 기회를 제공한다.

Figure 4의 빠른 출력 속도와 정밀도, 견고한 제조 등급 소재는 부품의 성능을 확보할 수 있어, 기존 사출 성형을 대체할 수 있다.
Figure 4의 빠른 출력 속도와 정밀도, 견고한 제조 등급 소재는 부품의 성능을 확보할 수 있어, 기존 사출 성형을 대체할 수 있다.

고속 디지털 성형 가능해
앞서 말한 것과 같이 Figure 4는 빠른 출력 속도와 정밀도를 제공하고 다양한 종류의 견고한 제조 등급 소재를 제공해 부품의 성능을 확보할 수 있기 때문에 기존 사출 성형을 대체하는 이른바 ‘디지털 성형’을 가능하게 한다. 디지털 성형은 금형 또는 가공 설비를 사용하지 않아 개발 비용이 감소하고 생산성이 향상된다. CAD부터 원형 제작 및 제조에 이르는 프로세스 및 제품 출시를 가속화하고 간소화하고, 디지털 설계 유연성을 통해 언제든지 업데이트가 가능하므로 금형 수정 등의 이유로 발생하는 공정 중단 기간을 최소화한다. 부품 제작 시 생산성, 내구성, 반복성을 향상하고 기존 제조 방식보다 부품 제작 비용을 최대 20% 절감하는 등 총운영비용(TCO)을 줄일 수 있게 해준다.

Figure 4 Standalone 장비
Figure 4 Standalone 장비

Figure 4 독립형
Figure 4 플랫폼의 기본 모듈인 독립형은 저비용 생산 부품을 위한 합리적인 산업용 3D 프린터다. 소량 제조 및 월 수십에서 수백 개의 고속 원형 제작을 위한 합리적인 비용의 다목적 솔루션으로 사용하기 쉬운 컴팩트한 디자인과 낮은 운영비용으로 부품 제작 비용을 절감할 수 있다. 또한 쉽고 신속한 소재 변경이 가능하여 동일한 프린터로 여러 가지 소재 사용이 가능하다. 소재를 보관하는 ‘프린트 트레이’의 탈착이 용이하여, 사용하고자 하는 소재의 종류별로 각각의 ‘프린트 트레이’를 사용하면, 소재의 변경이 매우 편리하다. 독립형의 빌드 사이즈는 124.8×70.2×196mm이다.1907_9

Figure 4 모듈형
제조 규모에 따른 유연성을 갖춘 Figure 4 모듈형은 확장성을 가진 합리적인 적층 가공 생산 솔루션이다. 한 개의 컨트롤와 한 개의 3D 프린터를 기본 단위로 하는 모듈을 총 24개까지 연결하는 방식으로 시스템 구성 요소를 필요에 따라 확장하여 제조 규모를 키울 수 있다. 또한 소재 자동 공급 시스템을 적용하여, 중규모의 제조 라인에서 부품을 생산할 때 이상적인 솔루션이다. 공간과 제약 조건에 맞게 유연한 솔루션 구성 요소 레이아웃을 제공하는데, 여러 사이트와 작업자가 하나의 컨트롤러를 통해 모듈러 프린터에 액세스하는 것이다. 이 컨트롤러는 다양한 프린터 엔진을 별도의 사무실과 랩에 배치할 수 있다. 또한 자동화된 작업 관리를 통해 소재 자동 공급이 가능하고, 여러 재료로 여러 부품을 동시에 제작할 수 있다. 모듈형의 빌드 사이즈는 124.8×70.2×346mm로 독립형 보다 크다.

모듈형은 높이 346mm 까지의 긴 부품도 생산할 수 있다.
모듈형은 높이 346mm 까지의 긴 부품도 생산할 수 있다.

Figure 4 생산형
Figure 4 생산형은 3D systems 소프트웨어에서 지원하는 엔드 투 엔드 디지털 워크플로우를 갖춘 통합 디지털 제조 솔루션으로, 로봇 암과 연동한 소재 자동화 공급 시스템과 세척, 건조 및 경화 등의 후처리 공정 자동화 시스템이 내장되어 있어 수동 공정을 획기적으로 줄여주어 대규모 제조 라인에서 부품을 생산할 때 이상적인 솔루션이다. 제품 특성에 맞는 주문자형 구성과 향후 수요 증가를 충족할 수 있는 확장성을 제공하여 제조 환경의 민첩성을 극대화한다. Figure 4 생산형은 4개의 3D 프린터로 이루어진 셀을 기본 단위로 6개의 셀까지 확장할 수 있다. 2개의 재료를 동시에 사용 가능하며 선택적 인라인 후처리 셀을 포함하는 유연한 자동 시스템 형식이다.

4개의 3D 프린터로 이루어진 셀을 기본 단위로 6개의 셀까지 확장할 수 있는 Figure 4 생산형은 자동화 시스템이 내장되어 있어 수동 공정을 획기적으로 줄여주어 대규모 제조 라인에서 부품 생산시 이상적인 솔루션이다.
4개의 3D 프린터로 이루어진 셀을 기본 단위로 6개의 셀까지 확장할 수 있는 Figure 4 생산형은 자동화 시스템이 내장되어 있어 수동 공정을 획기적으로 줄여주어 대규모 제조 라인에서 부품 생산시 이상적인 솔루션이다.
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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.