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3D 프린팅을 위해 우리가 알아야 할 것 – 스트라타시스, 연구 백서 출간

30년 이상 3D 프린팅 기술 및 장비를 통해 제조 혁신을 이끌어 온 스트라타시스가 새로운 백서를 출간했다. 3D 프린팅 솔루션을 도입함에 있어 조직의 특성과 사용 사례에 적합한 재료, 기술, 프린터를 선택하는 방법을 구체적으로 설명한 연구 가이드다. MFG가 백서의 내용을 따라가 보았다.

3D 프린팅은 3차원을 기준으로 디자인된 설계도를 3D 프린터에 전송하여 플라스틱, 금속, 세라믹 등의 소재를 층층이 쌓아 제조하는 생산 방식을 말한다, 이러한 제조법을 적층가공(Additive Manufacturing, AM)이라고 부르는데, 재료를 자르거나 깎는 전통적 절삭가공 방식(Subtractive Manufacturing)과 달리 재료를 층 단위로 쌓아 제작하기 때문에 종전 가공으로는 생각할 수 없었던 혁신적인 결과물을 만들 수 있는 기술이다.

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이 글을 읽는 독자가 엔지니어이든, 디자이너이든, 교육자이든 적층 제조를 알게 됐고, 그것의 가치를 의심하지 않는다면 당장에라도 창의적이고 혁신적인 결과물을 출력하고 싶을 것이다. 하지만 적층 제조가 요술 방망이는 아니다. 무엇을 만들 것인지에 대한 고민에서부터 시작해서 설계 단계를 거쳐 출력물을 얻기 전에, 본인이 놓여있는 상황에 적합한 재료, 기술, 프린터를 선택해야 하는 단계가 필수적이다. 어떤 적층 기술이 있는지, 재료는 어떤 것들이 있는지, 운영에 필요한 사항들과 예산 수립시 고려해야 할 것은 무엇인지 차례대로 알아본다.

어떤 적층 기술이 있는지?

3D 프린팅으로 무엇을 만들지 결정했다면, 그 외관은 어떠해야 하고 용도는 무엇이며 어디서 사용되고 얼마나 오래 유지되어야 하는지 스스로 질문해 볼 필요가 있다. 각 기술과 재료를 평가할 때 이러한 요구 사항을 고려해야 한다. 적층 제조 기술은 여러 가지다. 각 기술별로 작동 원리, 장점 및 사용 가능한 재료가 모두 다르다. 3D 프린팅 분야는 변화가 빠른 영역이어서 기술의 진보도 빠르다.

FDM®
FDM은 소비자 레벨에서 산업용까지 어디에서나 찾아볼 수 있는 가장 접근성이 높고 널리 사용되는 형태의 3D 프린팅 방식이다. FDM 기술을 활용하는 3D 프린터는 열가소성 필라멘트를 가열 및 압출하면서 각 레이어를 아래에서 위로 쌓아 올려 파트를 제작한다. FDM은 미세한 레이어 라인을 만들 수는 없지만, 표면이 거친 레이어를 받아들일 수 있다면 큰 파트를 빠르게 제작할 수 있는 장점이 있다.

FDM 방식의 출력물
FDM 방식의 출력물

POLYJET™
PolyJet 기술은 기존의 잉크젯 프린팅과 유사하지만, 종이에 잉크가 분사되는 대신, 프린트 헤드에서 액상 포토폴리머가 빌드 트레이에 분사되며, 액상 방울을 UV광에 노출시켜 경화하는 방식이다. PolyJet 3D 프린터는 정밀하고 매끄러운 표면과 미세한 디테일을 제공하는데, 특정한 농도와 미세구조를 지닌 다양한 포토폴리머를 조합함으로써 플라스틱에서 고무 및 인체 조직까지 모든 것을 구현하고 색상까지 표현할 수 있다.

PolyJet 방식으로 심장 모형을 출력하고 있다.
PolyJet 방식으로 심장 모형을 출력하고 있다.

광경화 수지 조형 방식(Stereolithography)
SLA라고도 불리는 광경화 수지 조형 방식(SL)은 세계 최초의 3D 프린팅 기술이며 매끄러운 표면이 요구되는 섬세한 프로토타입에 적합한 기술이다. UV 레이저를 사용하여 개방된 용기 속에 있는 미세한 포토폴리머 레이어를 경화하는 방식이다. SL은 최종 제품과 동일한 재료와 프로세스를 사용하여 모델을 완성할 수 있기 때문에 최종적으로 도장 또는 코팅될 파트의 프로토타이핑에 적합하다.

SLA 방식의 출력물
SLA 방식의 출력물

레이저 소결 방식(Laser Sintering)
SLS로도 불리는 LS(레이저 소결 방식)는 우수한 기계적 특성과 내부적 특징, 언더컷, 얇은 두께 또는 음수 구배 등 매우 복잡한 기하학적 구조를 지닌 구성 요소의 제작에 탁월하다. 고출력 CO2 레이저로 분말형 열가소성 수지를 선택적으로 용해하고 융합하여 파트를 제작하는 방식이다. 이 방식으로 완성된 파트는 전통적인 제조 방식으로 생산된 파트에 버금가는 방수성, 밀폐성, 내열성 및 내화성을 갖출 수 있다.

이러한 크롬 인테리어의 디테일은 상당 부분 레이저 소결 기술로 제작되었다. 파트를 전기 도금 처리하여 반짝거리는 금속 마감을 구현했다.
이러한 크롬 인테리어의 디테일은 상당 부분 레이저 소결 기술로 제작되었다. 파트를 전기 도금 처리하여 반짝거리는 금속 마감을 구현했다.

금속 분말 소결 방식(Metal Powder Bed Fusion)
MPBF(금속 분말 소결 방식)는 다른 전통적인 금속 제조 프로세스로는 불가능한 복잡한 기하학적 구조를 생산할 수 있다. 정밀한 고출력의 파이버 레이저로 금속 분말과 합금을 정밀하게 용융 및 접합하여 금속 가공으로 제작된 부품에 필적하는 수준의 기능을 가진 부품을 출력할 수 있다. 인코넬, 알루미늄, 스테인리스강 및 티타늄과 같은 적층용 금속을 사용한다.

메탈 파우더를 사용한 PBF 방식의 출력물
메탈 파우더를 사용한 PBF 방식의 출력물

어떤 재료가 있는지?

적층 방식별로 사용할 수 있는 재료도 다양하다. 파트에 요구되는 외관, 용도, 사용처, 내구성을 이미 파악했다면 적합한 3D 프린팅 재료를 선택하는 데 필요한 대부분의 기준을 확인한 것이다. 가장 널리 사용되는 플라스틱, 포토폴리머와 금속에 대해 알아본다.

표준 플라스틱
가장 널리 사용되는 3D 프린팅 재료는 범용 또는 표준 플라스틱이다. 이는 사출 성형과 같은 양산 프로세스에서 사용하는 재료와 동일하다고 볼 수 있다. 생산 수준의 FDM 시스템은 정전기 방지, 반투명성 및 생체적합성과 같은 특성을 지닌 ABS 열가소성 수지의 여러 제형을 지원한다. 또한 더 나은 미관이나 UV 저항성이 필요한 분야의 경우 ASA를 사용한다.

ASA 자외선 차단 소재로 3D 프린트된 외부 콘센트. 기계적 강도와 미학성을 지닌 ASA 소재는 실외 생산 부품 및 프로토타입에 적합하다.
ASA 자외선 차단 소재로 3D 프린트된 외부 콘센트. 기계적 강도와 미학성을 지닌 ASA 소재는 실외 생산 부품 및 프로토타입에 적합하다.

엔지니어링 플라스틱
높은 내열성, 내화학성, 충격 강도, 내화성 또는 기계적 강도가 필요한 분야의 경우, 생산 수준의 3D 프린터는 엔지니어링 요구 사항을 충족하는 특수 플라스틱을 사용한다. FDM 방식의 경우 산업용 열가소성 플라스틱, PC 및 PC-ABS, Nylon 12TM를 지원한다. SLS 방식의 경우는 표준 Nylon 11 및 Nylon 12 재료와 강화 폴리아미드를 지원한다.

PC-ABS는 FDM 열가소성 수지 중에서도 최고의 내충격성이 특징이다.
PC-ABS는 FDM 열가소성 수지 중에서도 최고의 내충격성이 특징이다.

고성능 플라스틱
고성능 플라스틱은 엔지니어링이 까다로운 분야에 온도 안정성, 내화학성 및 기계적 강도를 제공한다. 생산 수준의 FDM 시스템은 자동 멸균이 가능한 PPSF, FST 등급 ULTEM 9085 수지, 생체적합 ULTEM 1010 수지 및 내열 AnteroTM 800NA를 지원한다. LS(레이저 소결) 기술을 변형하여 고온 작업이 필요한 PEEK를 통한 파트 빌드도 가능하다.

연료 저항성과 가벼운 무게로 Antero™ 800NA를 에어덕트에 활용한 예
연료 저항성과 가벼운 무게로 Antero™ 800NA를 에어덕트에 활용한 예

포토폴리머
포토폴리머는 UV(자외선)광에 노출되면 경화되는 액체 수지다. SL(광경화수지 조형 방식)은 ABS, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌과 같은 일반적인 열가소성 수지의 특성을 모방한 단일 포토폴리머를 지원한다. 이는 투명, 회색 및 흰색 불투명 재료와 정밀주조 패턴을 위한 특수 제형으로 사용 가능하다.
또한 PolyJet 기술로 폴리프로필렌을 시뮬레이션할 수 있으며, 내열성 포토폴리머와 강성이 탁월한 또 다른 포토폴리머를 혼합하여 ABS를 모방할 수도 있다.

포토폴리머 재료를 사용한 심장 모형
포토폴리머 재료를 사용한 심장 모형

금속
인코넬, 티타늄 및 코발트 크롬은 높은 인장 강도가 필요한 까다로운 생산 분야에 가장 적합하다. 그러나 속도가 중요한 경우에는 알루미늄을 사용하여 다른 적층용 금속보다 파트를 더 빠르게 빌드할 수 있다. 또한 스테인리스강의 다양한 조성은 우수한 용접성과 내식성을 제공한다.

금속 소재를 적층한 결과물
금속 소재를 적층한 결과물

운영을 위해 알아야 할 것들은 무엇인지?

3D 프린팅을 통해 이점을 얻는 방법을 파악했을지라도 이를 실제 운영으로 옮기는 과정은 아직 명확하지 않을 수 있다. 3D 프린터 몇 대를 구매해야 할지, 3D 프린팅을 위한 별도의 공간이 필요한지, 필요에 따라 파트를 주문할지 등을 고려해야 한다. 3D 프린터를 사내에 도입하려면 일정한 교육이 필요하며, 일부 기술의 경우에는 새로운 직원을 채용해야 할 수도 있다. 3D 프린팅 룸을 관리하기 위한 리소스나 특정 기술에 대한 운영 또는 디자인 관련 전문 지식이 없는 경우, 아웃소싱으로 생산하는 것이 영구적인 리소스에 투자하는 것보다 위험을 최소화하고 더 많은 것을 배울 수 있는 좋은 방법일 수도 있다.

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이러한 고려사항은 적층 방식에 따라 각기 비즈니스 목표에 따른 고유한 이점을 가지고 있어 이를 파악할 필요가 있다. 백서에서는 각 적층 방식별로 필요한 역량 및 교육, 갖추어야 할 시설, 필요한 부속 장비 등에 대해 상세하게 기술하고 있다.

예산에 맞는 장비 선택 방법은?

3D 프린터를 하나 이상 구매하기 위해 비즈니스 사례를 구축하는 경우 시스템과 재료의 비용뿐 아니라 다른 요소들도 고려해야 한다. 시설 요건, 관련 인건비 및 서비스 계약은 모두 전문 3D 프린터를 소유하는 데 드는 총비용에 포함될 수 있다. 항목은 다음과 같다.

3D 프린터
전문 3D 프린터의 가격은 3,000달러 미만에서 100만 달러 이상까지 다양하다.

재료
재료의 비용과 소비량은 총 소유 비용의 큰 비중을 차지한다.

장비 및 시설
일부 3D 프린터는 모든 사무실 환경에 설치할 수 있으며, 특별한 설치 조건이 있는 프린터도 있다.

인력
기술에 따라 시스템을 전담할 숙련된 운영자가 필요하거나, 기존 직원을 몇 시간 동안 교육해야 할 수도 있다.

지원 및 유지 보수
연간 서비스 계약을 통해 가동 중지를 최소화하고 운영 일정을 유지하면서도 비용을 안정적이고 예측 가능하게 유지할 수 있다.

현상 유지의 비용
의사 결정권자는 때때로 현상을 유지하려 하는 경향이 있다. 그들에게는 너무 잦은 주문 변경이나 정체된 제품라인 등 현상 유지에 드는 비용을 보여주어야 할 필요도 있다.

적층 제조 시스템의 가치는 의심할 여지가 없다. 그러나 이러한 가치만 가지고 자본 지출에 대한 타당성을 입증하고 경영 부서와 회계 부서를 설득하는 방법은 녹녹치 않을 수도 있다. 이를 위해 객관적인 용어로 그 가치를 전달하고, 경영진이 수용하고 재무 부서가 이해할 수 있는 방식으로 그들을 설득할 필요가 있다. 그런 의미에서 스트라타시스의 이번 백서는 좋은 가이드가 될 것으로 보인다.

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About 이상준 기자

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