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한(ONE) 단계 업그레이드된 적층 제조 – 스트라타시스의 3D 프린터 오리진 원(Origin® One)

2020년 12월 스트라타시스는 3D 프린팅 스타트업 ‘오리진’을 인수한 바 있다. 최근 출시한 ‘오리진 원(Origin® One)’은 스트라타시스가 오리진 인수 후 처음으로 선보이는 제품으로, 최종 사용 부품 제조 애플리케이션에 맞춰 설계된 세밀하고 복잡한 부품 생산을 위한 3D 프린터다. 스트라타시스는 하드웨어 업그레이드와 결합한 이 기술을 통해, 새 버전의 제품에서 거의 모든 측면을 최적화함으로써 신뢰성과 성능을 개선했다.

세밀하고 복잡한 부품 생산용 3D 프린터 스트라타시스 오리진 원(Origin® One)
세밀하고 복잡한 부품 생산용 3D 프린터 스트라타시스 오리진 원(Origin® One)

독점인 프로그래머블 광중합 기술 P3™ 사용
일반적인 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.

반면, 오리진 원 만의 P3™(Programmable Photo Polymerization) 기술은 레진을 경화시키는 과정을 아주 미세하게 프로그래밍하듯이 컨트롤할 수 있는 특허 기술이다. 이 프린팅 프로세스는 이동, 경화, 분리의 세 단계로 나눌 수 있는데, 먼저 첫 번째 이동 프로세스는 빌드 헤드 플랫폼이 유리 수조 바닥에서부터 한 레이어 두께만큼 떨어진 위치로 이동을 한다. 이동한 후 레진 재료가 잠잠해질 때까지 기다린 후에 두 번째 프로세스로 프로젝터가 일정 시간 켜지면서 첫 번째 레이어가 경화된다. 경화 후에 세 번째 프로세스로 베드는 레진 재료가 유입될 수 있도록 일정 거리 위로 이동을 한 다음 방금 제작한 레이어에서 한 레이어 두께만큼의 위치로 내려간다. 잠시 기다렸다가 프로젝터가 두 번째 레이어에 광을 조사하고 이 프로세스는 빌드가 완료될 때까지 반복된다.

오리진원의 적층 모습. DLP 방식의 적층에서 가장 중요한 작업 중 하나가 파트를 손상하지 않으면서 수조의 유리 바닥에서 분리하는 작업이다. 오리진 원은 매끄러운 멤브레인 막과 공기압을 사용해서 바닥 면과 모델 파트가 서로 붙지 않도록 하는 메커니즘을 사용한다.
오리진원의 적층 모습. DLP 방식의 적층에서 가장 중요한 작업 중 하나가 파트를 손상하지 않으면서 수조의 유리 바닥에서 분리하는 작업이다. 오리진 원은 매끄러운 멤브레인 막과 공기압을 사용해서 바닥 면과 모델 파트가 서로 붙지 않도록 하는 메커니즘을 사용한다.

레진이 액체에서 고체로 전환되면 모든 것에 달라붙는 경향이 있다. 제작 중인 레이어가 베드와 이전 경화된 레이어에는 붙어야 하지만 유리 바닥에 붙으면 안 된다. 여기서 가장 중요한 작업 중 하나가 파트를 최대한 손상하지 않고 이 유리 바닥에서 분리하는 작업이다. 이 기술은 3D 프린터 업체마다 조금씩 다른데, 스트라타시스의 오리진 원은 매끄러운 멤브레인 막과 공기압을 사용해서 바닥 면과 모델 파트가 서로 붙지 않도록 하는 메커니즘을 사용한다. 

경화 단계 전에는 멤브레인 막과 수조 유리 사이의 영역에 진동을 사용해서 멤브레인 필름을 유리에 밀착시켜서 유리의 투명도를 최대화하고, 경화 후 모델 파트를 분리할 때는 멤브레인 막과 유리 사이에 공기압을 아주 살짝 가하는 방법으로 막을 약간 부풀려 파트를 바닥에서 분리한다. 이런 미세한 컨트롤은 다른 회사 기술보다 파트의 충격을 덜기 때문에 아주 미세한 파트들도 실패 없이 안전하게 제작할 수 있다. 

이러한 공압 분리 방식의 P3™기술을 사용한 오리진 원은 프린트 할 수 있는 형상에 대한 제약이 거의 없고, 표면 조도는 사출 성형보다 더 뛰어난 품질을 보여주며, 매우 작은 디테일까지 프린트가 가능한 데다 제작 속도까지 빠른 고속, 고성능 DLP 방식 3D 프린터로 탄생했다.

3D 프린터로 대량 부품 생산 검토 시 난관
대량 생산에 있어서 3D 프린터를 사용할 때 우리는 많은 난관에 맞닥뜨리게 된다. 우선 파트를 제작하는 데 상당히 오랜 시간이 걸리는 문제다. 더구나 표면 조도 개선을 위한 후처리에도 많은 시간과 노력이 필요하다. 또한, 3D 프린터 전용 재료를 사용하는 경우가 많아 재료가 고가이고, 적층된 파트의 강도가 사출 제품보다 약하기 때문에 파트가 파손될 우려가 있었다. 마지막으로 제작물의 품질이다. 적층 방향에 따라 이방성을 나타내는 경우 표면 처리 등의 후처리를 고려해야만 했고, 치수 정확도 제한적이어서 업계에서 쓰는 용어로 ‘100분의 5’ 더 나아가서 ‘100분의 2’ 수준의 정밀도를 원하는 경우 이를 맞출 수 없는 한계에 직면하곤 했다.

이 난관을 해결하는 오리진 원
오리진 원은 이 모든 난관을 가볍게 극복해 대량 파트 생산이 가능하도록 한다. 우선 경제적으로 설득력이 있는 수준의 제작 시간을 제공한다. 시간당 100mm를 적층할 수 있는데, 이는 DLP 방식 중 최고 수준의 매우 빠른 적층 속도다. 더불어 서포트를 최소화하고 동기화된 시스템으로 불필요한 지연 시간을 제거했다.

재료의 한계에서도 자유롭다. 오리진 원이 사용하는 레진은 다루기 쉽고 빠른 후가공이 가능하도록 설계되었으며 보존 기간이 길다. 또한, 스트라타시스는 선도적인 화학 회사와 협력하여 여러 범주의  포토폴리머를 공동 개발하고 검증한 다양한 산업용 등급 재료를 제공한다. 불꽃, 연기 및 독성, HDT 또는 내구성이 필요한 금형과 같은 애플리케이션에서 요구하는 내열성을 만족하는 재료, 응력 및 부하가 높은 조건에서 작동해야 하는 기능성을 위한 내충격성 레진, 외관상 표면, 세밀한 특징 및 높은 정밀도가 요구되는 경우를 위한 고속 프린팅 재료, 우수한 인열 강도 또는 반발 성능을 요구하는 애플리케이션을 위한 탄력적인 고해상도 엘라스토머, 미관, 내구성 및 생체 적합성이 중요한 장치를 위해 의학적으로 인증된 재료 등이 제공된다. 이 소재들의 스펙을 보면, 최고 285℃의 HDT 열 변형 온도, 최대 70J/m 충격 강도, 최대 90MPa의 인장 강도, 최대 300%의 파단 연신율 등 다양하다.

오리진 원의 적층 특성. 0.5mm의 얇은 원통 직경의 벽을 높이 8mm까지 적층으로 표현이 가능하고, 서포트가 없는 90° 오버행에 대해서도 3mm까지 무너지지 않고 적층할 수 있다. 또한, 표면 또한 사출 물 못지않게 우수한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
오리진 원의 적층 특성. 0.5mm의 얇은 원통 직경의 벽을 높이 8mm까지 적층으로 표현이 가능하고, 서포트가 없는 90° 오버행에 대해서도 3mm까지 무너지지 않고 적층할 수 있다. 또한, 표면 또한 사출 물 못지않게 우수한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

제작물의 품질 문제도 해결했다. 사출 물 수준의 파트 품질인 표면 조도(Ra) 1μm 수준을 나타내며, 치수 오차의 경우 ±50μm 수준으로 업계의 다른 적층 제고 기술과 비교할 때 약 2.5배 정도의 미세한 특징을 구현하며 우수한 품질을 완성할 수 있다.

구성 및 제어 가능한 프린트 프로세스
오리진 원은 온도, 노출 및 습도와 같은 주요 매개변수를 모니터링하고 제어하는 방식을 사용해 반복성과 기계적 특성의 등방성, 그리고 정확도까지 구현했다. 이를 통해 우수한 정확성, 디테일, 마감, 반복 가능성, 제작 시간을 빠르게 구현해 최종 부품의 대량 생산을 가능하게 한다. 결국 오리진 원을 활용해 파트를 제작하면 시장에 더 빨리 출시할 수 있으며, 재고를 보유할 필요가 없거나 툴링을 다시 제작할 필요가 없는 주문형 제조가 가능해진다.

오리진 원의 부품으로 사용되는 정밀 카메라 인클로저 부품을 200개 생산할 경우 오리진 원과 다른 제조 방식과의 생산 속도 및 제작 단가를 비교해 보았다. 그 결과 오리진 원은 $6.41, 바인드젯 방식의 적층 제조는 $41.61, SLS 방식의 적층 제조는 $69.64, CNC 밀링의 경우 $708.00의 개당 비용이 소요된 것으로 나타났다. 오리진 원과 다른 방식의 적층 제조로 제작 시 제작 시간이 최대 2배 이상 소요되었다.
오리진 원의 부품으로 사용되는 정밀 카메라 인클로저 부품을 200개 생산할 경우 오리진 원과 다른 제조 방식과의 생산 속도 및 제작 단가를 비교해 보았다. 그 결과 오리진 원은 $6.41, 바인드젯 방식의 적층 제조는 $41.61, SLS 방식의 적층 제조는 $69.64, CNC 밀링의 경우 $708.00의 개당 비용이 소요된 것으로 나타났다. 오리진 원과 다른 방식의 적층 제조로 제작 시 제작 시간이 최대 2배 이상 소요되었다.

사출을 대체한다?
연간 전 세계 3,600억 달러의 시장을 차지하며 매년 5%씩 성장하고 있는 사출 분야는 제조에 있어 없어서는 안 되는 분야임은 분명하다. 하지만, 사출 제조의 특성상 ‘금형’을 사용해야만 하는 치명적인 단점을 가지고 있다. 이 때문에 파트 수량이 10만 개 이상이 되어 금형 제작 비용의 부담이 상대적으로 낮아지고 금형 제작에 드는 시간을 감내할 수 있는 경우에 선택받을 수 있는 제조 공정이다. 반면, 오리진 원이 제공하는 빠른 적층 제조 공정의 경우 파트 수량이 만개 미만일 경우 사출보다 많은 장점을 제공할 수 있으며, 위상 최적화 설계 또는 부품 통합 등 사출에서는 상상할 수 없는 혁신을 제공할 수도 있는 장점이 있다. 

스트라타시스의 오리진 원의 국내 출시는 10월 4일로 예정되어 있으며, 출시 전에 예약 구매한 고객에 한해 후처리 장비를 무상으로 공급하는 프로모션을 진행하고 있다.

PDF 5p 제일 아래 그림, PDF 6p 상단 사진 캡션: 오리진 원을 이용한 적층 제조 사례. 사진은 F16 전투기용 내열 클램프로 높은 치수 정확도, 고온 및 저온, 내진성, 인화성, 화학적 노출 환경에 부합이 필요하며, 강도가 높고 무게를 최소화해야 했다. 종전에는 이렇게 항공 분야에서 원하는 FST 특성을 충족하는 3D 프린팅 솔루션이 없었으나, 오리진 원은 이 요구사항을 모두 만족하면서 지지 하중은 2배 증가시키고 무게는 5% 줄이는 향상을 이루어내며 제작에 성공할 수 있었다.
PDF 5p 제일 아래 그림, PDF 6p 상단 사진
캡션: 오리진 원을 이용한 적층 제조 사례. 사진은 F16 전투기용 내열 클램프로 높은 치수 정확도, 고온 및 저온, 내진성, 인화성, 화학적 노출 환경에 부합이 필요하며, 강도가 높고 무게를 최소화해야 했다. 종전에는 이렇게 항공 분야에서 원하는 FST 특성을 충족하는 3D 프린팅 솔루션이 없었으나, 오리진 원은 이 요구사항을 모두 만족하면서 지지 하중은 2배 증가시키고 무게는 5% 줄이는 향상을 이루어내며 제작에 성공할 수 있었다.

About 이상준 기자

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

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