3D 프린팅의 하이라이트

오늘날 적층 가공은 금속이나 플라스틱을 가공하는 업체들의 프로토타입 제작을 위해,  공구를 사용하지 않고(칩 발생 없이) 콤포넌트를 제작하기 위해 이용한다. Formnext(프랑크푸르트)와 Euromold(뒤셀도르프)는 3D 프린팅을 다루는 전문 박람회이다. 적층 가공이라고도 하고 3D 프린팅이라고도 하는 이 기술로 무엇을 할 수 있는 것인지 살펴보고자 한다.

적층 가공의 업그레이드 행진은 아마도 멈출 것 같지 않다. 제조 방법들의 실현 가능성이 계속 새로워지고 있기 때문이다. 금속 엔지니어링이나 플라스틱 부품 제작에 있어 이 대범한 제조 기술을 적용하려면, 이 혁신적 기술에 맞추어 나가야 한다. 제조 분야는 이 기술을 사용할 수 있어야 하고, 자체적인 시스템 개발을 시도해야 한다. 

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임의의 금속 분말이 레이저 빔을 이용하여 복잡한 3D 구성품으로 층층이 생성되고 있다. TRUMPF는 곧 이러한 방식으로 미터 단위의 콤포넌트들을 제작할수 있을 것이다

최근 레이저 및 판재 가공 머신으로 유명한  TRUMPF사는 이탈리아에서 가장 큰 레이저 제조사인 Sisma와 함께 보다 생산성이 좋은 3D 프린터 개발에 주력하고 있다. 종래의 절삭법과 공구 및 몰드 제작으로 성공할 수 없었던 언더컷이 많고 매우 섬세한 구조물을 모든 종류의 금속 분말이나 세라믹 분말을 녹일 수 있는 레이저 빔을 이용하여, 금속 용융물을 층층이 도포 성형하고 있다. 그 동안 가공하기 어려운 재료로 간주되던 티타늄 합금이나 니켈 합금을 이용한 가공도 가능하게 되었다.      

TRUMPF는 이 기술에 자사의 레이저 노하우를 많이 이용하였다. 현재 시장에서 구입할 수 있는 것 보다 진보된 솔루션을 제공하기 위해 Sisma와 함께 신속한 시장 진입을 위해 노력하고 있다. 레이저와 기계 제조 분야에서 쌓은 높은 역량으로 두 파트너 사는 양산을 위한 견고하고 생산적인 제조 기계를 제작하려고 한다. “오늘날 시장에 있는 대부분의 기계들은 프로토타입 제작을 목적으로 하고 있습니다.“(공학박사 페터 라이빙어, TRUMPF Lasertechnik 회장) 그러나 페터 라이빙어는 미래에는 적층 가공 시스템도 산업적 적합성에서 주요 관심사가 될 것이라고 전망하였다. 2013년부터 추구한 Amaze라는 TRUMPF 프로젝트는 레이저-클래딩을 사용하고 있다. 이 프로젝트의 목적은 2016년까지 최대 2m 길이의 메탈 콤포넌트를 적층 가공하는 것으로, 현재 EU가 이 프로젝트를 후원하고 있으며, 우주 연구원 ESA와 8개 대학 그리고 18개 기업이 동참하고 있다. 

3D 프린팅의 하이라이트
Mapal의 SLM으로 제작한 HTC 클램핑 척: 적층 가공으로 클램핑 영역이 척 단부에 매우 가까이 위치할 수 있다

Mapal은 SLM(Selective Laser Melting 선택적 레이저 용융)을 선보였다. 하이드로 익스펜션 기술의 장점과 수축 척에서 알려진 3° 테이퍼링의 장점을 조합하기 위한 슬림한 HTC(High-Torque Chuck 하이 토크 척)를 적용하였다. SLM을 사용하면 레이저 빔으로 금속 분말을 용융하여 아래에서부터 위쪽 방향으로 정확한 지점에 층층이 쌓아 부품이 생성되는데, 기존 방식으로 제작한 기본 보디 위에 SLM으로 기능 영역을 적층한다. 이 방법을 통해 클램핑 영역은 척 단부 최대한 가까이 위치할 수 있으며, 그로 인해 위치결정 홀의 래디얼 런아웃 공차는 3μm 미만이고, 직경이 2.5배 일 때 5μm 미만이며 높은 형상 정확도와 우수한 진동 댐핑이 유지될 수 있고, 커팅 날이 미세하게 파손되는 위험도 최소화된다. 따라서 공구 수명이 길어지고 기계 스핀들을 보호하게 되며, 당연히 납땜 접합부도 필요 없게 된다. 이 방법이 아니면 불가능한 일이고, 이 점은 지금까지 실현 가능성을 제한하는 요소였다. 최대 170°C에서 사용할 수 있기 때문에 추가적인 공정 안정성도 유지진다. Mapal에 의하면 밸런싱 정도는 25000m-1일 때 G는 2.5이다. 

 

전형적인 양산 수단을 이용하여 개별화도 가능

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이 스위치는 Freeformer로 제작하여 실제 사용되고 있다. 이 시스템은 부분적이지만 스스로 복제된다

적층 가공 시스템의 개발분야에서 사출 성형기의 전문가인 Arburg사가 있다. Arburg의 Freeformer는 디자인 부분에서 기본 재료로 플라스틱을 사용한다. 2015년 5월부터 시장에 성공적으로 진입한 Freeformer는 사용 분야와 영역에서 거의 한계가 없다고 한다(하이츠 가우브, Arburg 기술 이사). Freeformer는 자동차 제조업에서 한정된 특수 모델 부품이나 단종된 예비 부품, 양산 전 단계의 제작 수량이 적은 부품을 제작하며, 의학 분야에서 개별적인 임플란트에 사용한다. 조립이 완료된 상태의 부품 그룹을 일체 구조로 프린트할 수 있다는 점도 흥미롭다. Arburg사는 Freeformer로 스위치 하우징과 같은 자사 콤포넌트도 제작하고 있다. 지난 하노버 박람회에서는 이 시스템이 현장에서 사용하기에 인더스트리 4.0과 적합성을 지녔음을 확인할 수 있었다. 방문객들은 박람회 부스에서 부품 제작 공정을 체험하기도 했다.

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Arburg사의 Freeformer로 제작한 부품들

Arburg 하이츠 가우브 이사는 이러한 시스템으로 개별적 부품도 양산 조건에서 경제적으로 제작할 수 있다고 확신하고 있다. 적층 가공법은 이 프로세스를 이용하여 형성되는 부품만 제작하는 것이 아니다. 최근에는 이 신생 기술이 양산 방향으로 계속 발전하기 위해 적층 가공에 적합한 재료를 선택하고 제공하는 것과 관련하여 논의가 진행되고 있다. 특히 공구제조사나 몰드 제조사에서는 이 새로운 기술이 어떤 기회를 제공하는지를 주목해야 한다.

 

3D 프린팅의 중심을 형성하는 프랑크푸르트와 뒤셀도르프 박람회

독일 프랑크푸르트에서 개최되는 Formnext의 특별 행사에서 “재료에서 부품까지“ 주제로 몇 가지 볼거리를 제공하였다. 냉각 성능, 부품 품질 및 플라스틱 사출 성형 시 생산성을 위해서 냉각 채널 시스템만이 최적화할 수 있는 것이 아니며, 공구 콤포넌트도 적층 가공을 통해 개선할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다. 예시가 WZR ceramic solutions의 스마트폰 하우징용 세라믹 인서트이다. “새로운 제품을 제작할 때 재료를 선택하는 것은 콤포넌트에 대한 중요한 요건입니다.“(볼프강 콜렌베르크 교수, WZR ceramic solution GmbH, 독일 재료과학 학회 적층 가공 위원회 회장) 뼈, 관절 등 보철물과 관련된 특별 행사에서 다양한 제작 방법을 실현하였다. 또한 기존 방식 세라믹으로 제작한 샘플과 티타늄으로 소결 제작한 샘플도 비교할 수 있었고, 재료를 통해 제작법과 특성에 따라 어떤 영향을 미치는지 확인할 수 있었다.

박람회 조직위 Demat에 의하면 뒤셀도르프의 Euromold에서도 적층 가공과 관련한 전시업체들이 증가추세라고 한다. 3D-Systems도 이번 박람회에서 자신의 역량을 선보였는데, 3D-Systems의 새로운 자회사인 3D Systems Software GmbH(구 Cimatron GmbH)도 함께 참가하였다. 3D Systems에 의하면 자신들이 기업뿐만 아니라 최종 사용자를 위한 3D 프린팅 시스템 시장에서 가장 진보적이고 포괄적인 공급자라고 자평하였다. 또한 최신 프린터 모델을 선보이기 위해 Euromold에 참가하였고, 이번 박람회에서 3D 프린터와 새로운 최신 소프트웨어 간의 협업이 얼마나 중요한지를 선보였다. 특히 소프트웨어와 3D 프린터 간의 이러한 협력은 Euromold의 중심 주제 가운데 하나였다. 박람회 방문객과 3D 프린팅 컨퍼런스 참가자들도 이러한 공생이 가져올 미래에 대해 많은 것을 경험할 수 있었고, 3D 프린터가 비용이나 무게 절감(경량화)측면에서 100%의 잠재력을 활용할 수 있다는 점을 볼 수 있었다. 소프트웨어가 완벽하게 지원해야 부품과 어셈블리를 경제적으로 그리고 안정적으로 생산할 수 있다. 이렇게 빠르고 효과적인 제조는 과거에는 아무도 생각하지 못했다고 Euromold 측은 강조했다.

3D Systems는 제조 산업 이외에 의료 영역에서도 선도적인 역할을 하고 있다. 올해 Euromold 주최측은 의료 분야에도 관심을 집중되어, 3D 프린팅을 의학적으로 사용하는 것에 관한 수많은 강연이 편성되었다. 하이라이트는 벨기에 구강 외과의사이자 3D 프린터 임플란트 사용의 선구자인 율레스 푸켄스 교수의 기조 연설이었다.

적합한 제조법을 선택할 때에 VDI 가이드라인이 도움이 된다

적층 가공법은 원래 프로토타입 제작에 이용되었고, 쾌속 조형으로 알려져 있었지만, 갈수록 적층 가공된 부품의 특성이 우수해지고 있어, 이제는 적층 가공된 부품을 바로 완성 제품으로 사용할 수 있게 경지에 이르게 되었다. 설계자와 제작 플래너들은 현재 출간된 가이드라인 VDI 3405 시트 3(레이저 소결 적층 가공법)을 작업에 기본 매뉴얼로 사용할 수 있게 되었다. 이 가이드라인으로 업계 관계자들은 주어진 목적에 적합한 생산 방법을 선택할 때에 적층 가공법을 고려할 수 있게 되었다. 이 가이드라인은 플라스틱 부품의 VDI 3405 시트 1과 VDI 3405 시트 2(금속 부품 빔 용융)에도 적용된다. 각 방법 별 특이 사항을 고려하면 이 가이드라인은 VDI 3405에서 제시한 다른 적층 가공법에도 적용된다.