4D 프린팅에서 3D 프린팅 공장까지

2019년은 적층 가공이 우리에게 무엇을 가져다 주었으며, 이 여정이 어디로 향하고 있는지? 이미 나타나고 있는 트렌드와 전문가들의 예상을 모아 보았다.

 

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

 

올해 초, 피트 바실리에르는 자신의 Gartner 블로그에 3D Printing Accelerates, 4D Printing Gets Started(3D 프린팅은 계속 증가하고 있으며, 4D 프린팅은 이제 시작이다)라는 제목을 달았다. 그는 시장 조사 회사인 Garnter의 리서치 부사장이다. 4D 프린팅이란 적층 가공된 부품이 외부 영향에 의해 변화하는 것을 의미한다. 예로, 바람 속도에 맞게 적응하는 비행기 날개를 생각하면 된다. „Airbus와 Autodesk, HP, Stratasys 등이 이미 4D 프린팅을 연구하고 있다고 발표했습니다.“(피트 바실리에르) 그는 또한 방위 산업체들도 이러한 프로젝트에 참여할 것으로 기대하고 있다. „2023년이 되면 4D 프린팅 시장 진출을 모색하는 스타트업들이 3억 달러에 이르는 벤처 캐피탈을 잠식할 것입니다.“(바실리에르)

 

응용 사례

어떤 사람들은 4D 프린팅의 가능성에 꿈을 꾸고 있는 반면, Materialise가 예상을 깨고 우리를 다시 현실로 데려온다. 벨기에 소프트웨어 하우스이자 위탁 제조업체인 Materialise는 2018년에 이미 ‚이용 중심 접근‘이란 트렌드를 예상하였다. 즉 새로운 방법과 기술을 떠나 합리적인 응용 방법을 확인하는 방향으로 가고 있다. 기계를 가지고 무엇을 시작해야 하는지 모른다면 누가 이러한 기계를 구입하겠는가? Materialise에 따르면 „이러한 경향을 강해지고 있습니다. 3D 프린팅의 응용 중심의 접근법이 재정 환경에서 중요해지고 있습니다.“ 또한 적층 가공을 이용하도록 사용자를 유도하는 것도 매우 중요하다. 지난 몇 개월 간 몇몇 제조사들이 새로운 제조 방법을 선보였다. Stratasys는 이번 가을에 신제품 출시를 공표하였고, LPM(Layered Powder Matallurgy)라는 금속 제조법을 연구하고 있으며, Formlabs는 LFS(Low-Force Stereolithography)로 플라스틱 제조 방법을 계속 추진하고 있다.  

Materialise의 평가에 따르면 아시아 시장에서도 응용 사례에 초점을 두고 있으며, 아시아 각국 정부도 3D 프린팅 분야에서 컨설팅 프로젝트 코크리에이션(Co-creation) 프로젝트를 장려하고 있다. „이용자의 수요를 만들고 이를 자극하는 것이 3D 프린팅을 실질적으로 가속화 하는데 기여합니다.“(프리드 뱅크레인, Materialise CEO) Materialise는 코크리에이션 프로젝트의 일환으로 아시아의 한국 정부도 지원하고 있다.

 

연수 및 훈련

적층 가공과 그 특수성에 대한 지식이 부족하기 때문에, 정부가 주도하고 기업이 자금을 지원하는 컨설팅 서비스가 필요하다. 몇몇 상공회의소, 예를 들어 IHK Mittleres Ruhrgebiet(독일 보훔 교육 센터)는 연수 프로그램을 제공한다. 3D 프린팅 협회는 Lüdenscheid 플라스틱 연구소와 함께 기본 교육 과정의 품질 표준을 정의하고 유럽 특허청에 상표를 등록하였다. Lüdenscheid 플라스틱 연구소는 올해 6월 „산업적 3D 프린팅 방법 매니저“에 대한 강좌를 처음으로 개설하였다.

 

재료

사용자가 많아지고 많은 사례에 응용되고 있다는 것은 더욱 많은 재료의 필요성을 의미한다. Materialise도 특성 상 새로운 기능이 가능한 재료를 기대하고 있다. 따라서 이러한 재료를 이용하여 적층 가공이 제공하는 구조적 이점과 경쟁 우위를 비용 요소에 묶이지 않고 유지할 수 있다. 하지만 기계와 재료 제조업체에게는 여러 가지 해결해야 할 과제가 남아 있다. Materialise의 트렌드 보고서에는 다음과 같이 기록하였다. „항공 우주와 의료 기술과 같이 품질 요건이 까다로운 분야에서 재료 표준화와 기계 제어 개선이 절실합니다.“

  • 플라스틱
Materialise에 따르면 앞으로 플라스틱 분야에서 많은 일이 일어날 것이라고 한다.

올해 Materialise는 적층 가공 플라스틱 분야에서 강한 성장을 기대하고 있다. 성장하고 있는 재료 데이터 뱅크, 대형 화학 업체 그리고 BASF와 같은 재료 제조사들의 3D 프린팅 참여 증가와 Formlabs의 LSF과 같은 폴리머 영역에서 새로운 가공 방법이 등장하여 이를 대변하고 있다. 3D 프린팅이 가능한 엘라스토머도 기업에서 점점 늘어나고 있다. Materialse는 별개 사항으로 „기술 중립적 네트워킹“이란 표현을 쓰고 있으며, 이는 열린 시장 모델을 의미한다. 이런 모델이 플라스틱에서 점점 많이 찾아볼 수 있다. 예를 들면 Ultimaker의 공개 재료 데이터 뱅크가 바로 그것이다. 다른 기계 제조사들도 특수한 재료와 다양한 제조사의 재료에 대해 열린 태도를 갖고 있다. 기술 중립적 네트워킹과 열린 시장은 기계 네트워킹과 관련된 주제이다.    

  • 구리
Heraeus의 특수 구리는 SLM과 LBM 제조 방법으로 프린팅 한다. 전시물은 EOS M 209로 제작한 것이다.

3D 금속 프린팅도 새로운 것이 진행되고 있다. 구리의 적층 가공이 영역을 점점 넓히고 있다. 2018 Formnext에서 Trumpf와 Heraeus는 다가오는 시장의 방향성을 확인할 수 있었다. 재료 제조사 Heraeus는 마이크로 합금된 전도성 구리를 생산하고, 이를 표준 프린터를 이용하여 SLM과 LBM법으로 가공하는 방법을 선보였다. 이기에서 99.8%의 밀도와 최소 90%의 전기 전도성을 달성하는 것이 목표이다. 위탁 제조업체 Protolabs도 3D 프린팅 서비스에서 저전도 구리 CuNi2SiCr를 이용하여 Concept-Laser 기계로 프린팅 한다. 위탁 제조업체 Protiq 역시 고전도 구리를 프린팅 한다. Trumpf도 Formnext 2018에서 초록색 레이저로 적층 가공한 최초의 순수 구리 전시물을 선보였다. Trumpf는 이를 위해 디스크 레이저 Trudisk 1020을 3D 프린터 Truprint 1000와 연결하였다.

 

3D 프린팅 공장

Gartner의 바실리에르가 금속에 대해 의도하는 바는 무엇일까? „2020년까지 금속과 금속 합금은 상업, 군사 및 몇몇 소비재 시장에서 대체 부품 납품의 중요한 요소가 될 것입니다. 많은 기업들의 목표가 3D 프린팅으로 제작한 금속 부품이기 때문입니다“라고 그는 그의 블로그에 기록했다. „순수 금속과 금속 합금 부품을 소량으로 3D 프린팅하는 것은 항공기, 우주선, 선박, 잠수함, 군사 및 의료 장비 그리고 제조 시스템과 같은 시장에서 상당히 매력적입니다.“ 그는 복합 재료의 적층 가공도 부상하고 있다고 설명하였다.

적층 가공의 자동화와 생산 설비 통합은 지난 가을 거의 모든 기계 제조사가 참여해야 하고 기여하는 문제였다. 특히 자동차 제조와 주문 제작 분야 사용자들은 이미 자체적인 3D 프린팅 공장을 설립하였다. 하지만 수동으로만 운전하는 기계는 인더스트리 4.0과 디지털화로 구동되는 제조 업계에서 더 이상 미래가 없기 때문이다. 또한 재현성, 추적성, 재정적 절감과 같은 자동화된 적층 가공이 수반하는 중요한 이유도 있다.

대부분의 기업들은 자동화된 생산을 어떻게 생각하는지 설명하였다. EOS는 완전한 자동화와 디지털화된 그리고 무인화 생산 현장이 어떤 모습일지 설명하였다. EOS는 Daimler와 Premium Aerotec과 함께 공동으로 프리스란트 바렐에 프리 프로세싱과 포스트 프로세싱을 포함하여 생산 라인을 만들어 4월 말에 공개하였다, 이 생산 라인에서는 단 한 사람이 컨트롤 스테이션에 앉아 생산 라인을 관리한다. 다섯 개 팀이 2년 간 이번 프로젝트를 연구하였다. 참여한 이들이 재차 강조하는 바와 같이 여러 기계들 사이의 호환성이 가장 어려운 문제였다. 이미 바렐에서 생산이 이루어지고 있지만, 완성된 것은 아직 아니다. 지금까지는 Next-Gen-AM이 항공 우주와 자동차 제조사들의 요건을 제시하고 있지만, 다른 분야는 아직 그렇지 못하고 있다.

Next-Gen-AM 프로젝트의 파일럿 시스템. 우측 아래 코너에 컨트롤 스테이션에 앉아 있는 사람을 볼 수 있다.

소프트웨어

적층 가공도 무엇보다 경제성이 관건이다. 즉 비용을 낮추고 효율을 높여야 한다. „이 부분에서 소프트웨어가 핵심적 역할을 합니다.“(슈테판 모테, Materialise 소프트웨어 부사장) 소프트웨어는 전체 3D 프린팅 공정을 자동화할 수 있다. 이는 Next-Gen-AM 프로젝트의 경험이 증명하는 바다. 설계 데이터를 기계에 옮기고, 프린팅 작업을 시작하고, 조형 플레이트를 로봇과 무인 운반 시스템으로 A에서 B로 옮기는 것이 전부는 아니다. 설계 중에 나오는 부품 디지털 트윈을 후가공에 제공하고 품질 검사도 자동화 할 수 있다.

             Materialise는 특수한 방법으로 접근하였다. 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 생산성을 향상시킬 수 있는 가능성을 테스트하였다. 프린팅 프로세스의 시뮬레이션을 통해 생산 직원들은 조형 오류를 조형을 시작하기 전에 미리 감지할 수 있다.