3D프린팅과 절삭을 단 하나의 생산 단계로

최신 기술과 전통 기술이 조합되는 것을 적층 가공 분야의 발전에서 보여주고 있다. 모토는 절삭 대신 프린팅이 아니라, 프린팅과 절삭이다. 하이브리드 머신이 가장 먼저 이 입증된 절삭 기술을 확장하고 있다. 

빅토리아 존넨베르크

산업 분야든 그리고 개인 영역이든 제작 방법 가운데 3D 프린팅만큼 바람을 일으킨 적은 거의 없었다. 간단한 이 개념을 통해, 오랫동안 알고 있었던 가공법이 산업 분야에서 성공을 거두고 있고, 전세계 곳곳에서 제조업의 혁명이라고 회자되고 있다.

“모든 사람이 가정용 3D 프린터로 자신의 예비 부품을 프린팅할 것이라는 예견은 이슈에서 멀어졌습니다.”(빌프리드 쉐퍼 박사, VDW Metav 조직위원장) 오히려 논의의 주제는 이제 3D 프린팅이나 적층 가공(Additive Manufacturing)이 산업적 양산이나 적어도 소량 생산으로의 진입으로 방향을 틀었다는 것이다. 1990년대의 Rapid Prototyping(쾌속 조형법)에서 Rapid Tooling(쾌속 금형 제작)을 거쳐서 Rapid Manufacturing(쾌속 제작)에 이르는 과정이 오늘날 발전 상태를 설명하고 있다. 올해 Metav는 새로운 컨셉트로 3D 프린팅을 파악할 수 있다. “Power your Business“라는 모터 아래 적층 가공 영역에서 적층 가공법의 전체 범위 즉 3D 프린팅을 중심으로 하는 재료와 서비스를 보여주었다. Metav는 모든 분야, 특히 금속 부품 생산, 기계, 항공기, 자동차, 공구 제조, 의료 기술을 위한 제조 기술 등 전시 프로그램을 확대하고 보완하였다. 

순수한 적층 가공 시스템 외에 하이브리드 컨셉트도 생겼다

적층 가공 (Additive Manufacturing)은 제조법으로써 금속 가공 가치 창출 체인의 다른 어려운 점과 서로 맞물린다. 무엇보다 CAD, 시뮬레이션, 후가공, 제작 측정 기술 그리고 품질 보장 등이 해당 분야이다. 순수한 적층 가공 시스템 외에 적층 가공 프로세스와 전통적인 절삭을 조합한 하이브리드 컨셉트도 생겨났다. “이는 많은 사용자들에게 매우 흥미로운 솔루션입니다.“(빌프리드 쉐퍼)

파더본 대학의 DMRC(Direct Manufacturing Research Center) 대표이자 2016 Metav 전문 컨퍼런스 “Inside 3D Printing“ 프로그램 책임자인 에릭 클렘프 교수의 견해에 따르면 절삭 프로세스에 적층 가공법을 통합하면 사용자에게 일련의 가능성을 제공한다고 한다. “물질 형성과 물질 제거를 한 기계에 조합함으로써 지금까지 불가능했던 기능들을 통합할 수 있습니다. 따라서 다양한 종류의 재료를 하나의 제조 프로세스에 사용할 수 있습니다. 공작 기계 제조사들이 오랜 기간 동안 획득한 노하우를 프로세스에 융합하는 점도 유익한 점입니다.“ 3D 전문가들은 대량 생산과 표준화 가능성 그리고 정확도, 재현성, 언더컷 제조 측면에도 장점이 있다고 본다. 특히 양쪽 방법의 장점을 함께 이용하는 데에 도움이 되는 두 개 공정을 서로 합치는 것이다.

하이브리드는 적층 가공과 절삭 공정의 합리적인 분배를 의미한다

VDMA(독일기계설비공업협회) 적층 가공 위원회 프로젝트 리더인 라이너 겝하르트는 하이브리드 머신의 장점을 무엇보다도 디자인적 여유와 한 번의 클램핑으로 두 가지 가공이 가능하다는 점을 들었다. 이러한 점이 정확도에 이익이 된다. 일반적으로 생성된 윤곽은 대부분 후가공해야 하며, 하이브리드 머신에서는 후가공이 매우 유연하게 실현된다.

라이너 겝하르트에 따르면 하이브리드는 “적층 가공과 절삭 가공의 합리적인 분배를 의미합니다. 형태 부여가 필요한 곳에는 적층을 하고, 반제품과 구성품 부피 상 절삭 가공이 합리적인 곳은 제거합니다. 그러나 대형 구성품을 완전히 적층 방식으로 만드는 것은 그래야만 하는 경우에만 의미가 있고 그렇지 않으면 당연히 두 가지 방법을 조합하는 것이 더 낫습니다.“ 무엇보다 수리작업 시에 하이브리드 방식이 유리하다고 한다. 그러나 모든 적층 가공법의 경우와 마찬가지로 모든 환경에 적합한 응용법을 결정하는 것이 과제이다. “다양한 하이브리드법을 고려하고, 당연히 비용도 고려해야 합니다. 하이브리드란 언제나 두 가지 방법 가운데 한 가지 방법은 대기 상태라는 의미입니다.“ 

라이너 겝하르트에 따르면, 몇몇 사용자들이 하이브리드 제조를 염두에 두고 있다. 하이브리드는 하나의 기계에서 제작한다는 것이 아니라, 반제품과 절삭 가공 + 적층 가공을 조합했다는 점이 중요하다. 이것이 “새로운 기술에 있어서 흥미로운 바로 그 부분이며, 여러 분야의 혁신적 브레인들이 관심을 갖고 솔루션을 테스트합니다. 우리는 VMDA 연구 그룹에 사용자 분야 및 기술 공급업체에 속한 그러한 사람들을 모읍니다. 이는 양측의 발전을 촉진합니다. 잠재력 면에서 부족함이 없습니다. 새로운 방법은 경쟁력에 있어서 결정적인 가능성을 제공하는 경우가 많습니다.“ 

드레스덴에 위치한 프라운호퍼 – IWS가 개발한 도포 헤드는 기계의 WFL 프리즘 공구 인터페이스를 통해 수용할 수 있다.
드레스덴에 위치한 프라운호퍼 – IWS가 개발한 도포 헤드는 기계의 WFL 프리즘 공구 인터페이스를 통해 수용할 수 있다.

레이저 테크놀로지가 기존 가공법을 보완한다

적층 가공법을 토탈 가공 머신에 통합하는 것에 대해 라인하르트 콜(WFL Millturn Technologies 어플리케이션 테크닉 매니저)은 이렇게 말하였다. “우리는 기본 기계의 유연성을 제한하지 않고 레이저를 통합하는 것을 목표로 합니다.“ 본질적인 핵심은 레이저 유닛의 자동 교체에 두었다. 전제 조건은 적층 가공 기술을 수동으로 개입하지 않도록 기계에 통합하는 것이다. 레이저 기술은 기존의 가공 방법을 보완하여 프로세스 체인과 처리 시간을 단축하고 간소화한다. 지금까지 언클램핑과 외부 공정이 필요했던 작업 절차를 이제 토털 가공으로 하나의 기계에서 실현할 수 있다. 라인하르트 콜에 따르면 처리 시간과 프로세스 컨트롤에서만 장점이 있는 것이 아니라, 부품 품질을 확연히 개선하고 셋업에 드는 비용을 절감하는 데에도 도움이 된다고 한다. “용접 및 경화 방법과 재료 공급 방법은 분말 레이저 용착 용접 어플리케이션을 통해 가장 잘 설명되었습니다. 이 기술은 필요한 모든 요소를 포함합니다. 이 방법으로 가공할 수 있는 다양한 재료들은 높은 용착률로 폭 넓은 스펙트럼의 어플리케이션을 위한 최적의 전제 조건을 형성합니다.“(라인하르트 콜)

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도포 헤드는 금속 분말 입자를 도포 지점에 초점을 맞추어 운반하는 노즐로 구성된다. 불활성 가스가 산화를 막고 캐리어 매체와 운반 매체의 역할을 한다. 레이저 빔은 노즐 중앙을 통과하여 도포 지점에 집중된다.

적층 가공법의 다른 장점들도 명확하다. 새로운 디자인 아이디어와 새로운 기능을 지닌 제품 컨셉트가 가능하다는 점이다. 기존의 방법으로는 지금까지 제작이 불가능했거나 또는 제작이 매우 어려웠던 고도로 복잡한 지오메트리가 가능하기 때문이다. 또 한편으로는 시간과 재료 소비 면에서 효율성이 커진다. 이제 여러 기능들을 단 하나의 생산 단계로 바로 통합할 수 있다. 이는 부품 기능을 위한 재료 최적화 측면에서도 흥미로운 일이다. 적층 가공은 특히 항공 우주 분야와 자동차 부품의 경량 구조에 있어서 이미 중요한 역할을 하기 때문이다. 또한 제조사는 개별적인 고객의 요구에 적절히 부응할 수 있다. 사용자가 적절한 경험만 있다고 하면, 개별 부품들도 경제성 있게 제작할 수 있기 때문이다.

이런 점을 생각해보면, 전시업체들이 VDW Metav 조직위의 시도를 환영하는 것은 당연한 일이다. “적층법은 경량 구조와 복잡한 구조를 위한 새로운 가능성을 열었다. 적층 제작 분야는 플라스틱과 금속 어플리케이션의 이러한 잠재력을 대변합니다.“ (슈테판 리트, SLM Solutions). 또한 슈테판 리트는 공구 제작과 다이 제작 그리고 몰딩 분야와 메디컬 분야를 포함한 의료 기술과 같은 적층법에 있어서 중요한 고객 세그먼트에 특별히 호응한다고 평가하였다.

위에서 언급한 수많은 장점들은 이미 산업 현장에서 나타나기 시작했으며, 적층법으로 제작한 부품을 기본 사양으로 사용하는 Robomotion사의 로봇 그리퍼가 그 예시이다. 3D 프린팅 덕분에 제품의 지오메트리에 맞추어 개별적으로 그리퍼를 조정할 수 있다. 소시지나 달걀 모양 또는 초콜렛이든 상관없이 그에 맞추어 제작한 그리퍼 핑거가 부드럽고 재빠르게 잡는다. 레이저 소결 시스템에서 소량 제작하는 덕분에 개별적으로 조정하는 것도 경제성이 있으며 또한 새로운 기능도 포함한다. 

적층 구조로 콤포넌트를 쉽게 통합할 수 있다

육성된 구조는 클램핑을 변경할 필요 없이 바로 재가공할 수 있고, 이는 최대한의 정확도를 보장하고 셋업 시간을 단축한다
육성된 구조는 클램핑을 변경할 필요 없이 바로 재가공할 수 있고, 이는 최대한의 정확도를 보장하고 셋업 시간을 단축한다

크게 힘들이지 않고 스프링을 그리퍼의 핑거에 통합하는 것이 가능하다. 그로 인해 그리퍼 핑거가 다양한 크기의 제품에 맞추어 적응하고, 셋업 시간이 최소화된다. 또한 적층 구조 덕분에 공기 채널, 호스 홀더, 공압식 액추에이터의 실린더를 바로 그리퍼에 설치할 수 있다. “장점은 분명합니다. 그리퍼가 훨씬 콤팩트하고 가벼워졌습니다.“ (안드레아스 볼프 박사, Robomotion 매니저) 센서와 플랜지 플레이트와 같은 다른 기계 구성품도 적층 가공한다. “당연히 어느 정도 해결해야 할 과제는 있습니다.“(라이너 겝하르트, VDMA 적층 제조 연구 그룹 소속 전문가) 아직까지 적층 가공의 프로세스 체인에서 수동 비율이 높다. 따라서 연구 그룹에 속한 적층 가공법 공급자와 사용자들은 집중적으로 적층 제조 프로세스의 산업화와 자동화를 촉진하는 데에 몰두한다. 이를 위해서는 물질에서 시작하여 선/후 가공을 거쳐서 제조 프로세스와 구성품의 품질 수락에 이르는 전체 프로세스에 대한 탁월한 이해가 필요하다.

적층 가공 분야의 연구는 품질 보장, 새로운 물질의 사용과 제작 경제성 증대를 다룬다. 분명한 점은 제조 시 설정한 매개변수와 제작된 부품의 품질 특성 사이의 관련성을 많은 경우에 더욱 자세히 조사해야 한다는 점이다. 앞으로의 목표는 기계 설정을 통해 부품 특성을 치밀한 공차에서도 보장하는 것이다.

경쟁력 우위를 위한 핵심 키인 적층 가공

Metav는 이 도전 과제를 모든 관련자, 제조사, 사용자, 과학자, 재료 생산자 그리고 서비스 업체와 토론할 수 있는 최고의 플랫폼을 제공하였다. 적어도 VDMA의 적층 가공 연구 그룹이 Metav 박람회에 참여했기 때문이다. “적층 제조를 합리적으로 사용하는 것은 기계 제조업에서 경쟁 우위를 위한 핵심 키입니다. 우리는 Metav에 마련된 적층 제조 영역이, 당면한 문제를 더욱 진척시키고 연구 그룹이 자신들의 연구 내용을 시장에 알릴 수 있는 매우 훌륭한 방법이라고 생각합니다.“ (라이너 겝하르트) 전시 업체들은 이어지는 적층 제조 분야 포럼에서 3D 프린팅을 이용한 자신들의 최상의 실무 솔루션, 즉 플라스틱 레이저 소경, 금속 레이저 용접 또는 종래 방법과 적층법의 조합 등을 선보였다.

Rising Media는 이번 박람회 적층 제조 영역의 또 다른 파트너이다. 미국 캘리포니아주 산타바바라에 위치한 Rising Media는 대회 조직 위원으로서 3D 프린팅 주제에 대한 가장 크고 가장 중요한 국제 전문 컨퍼런스 “Inside 3D Printing”을 주관하였다. 

Inside 3D Printing 2016는 2016년 2월 24-25일에 Metav와 함께 뒤셀도르프 박람회장에서 함께 열렸다. 이 포럼은 적층 가공법에 대한 전문적인 정보 교환의 장으로, 연구기관부터 최종 소비자에 이르기까지 전체 가치 창출 체인 주제와 관련이 있는 전세계 관계자들을 끌어 모았다.