3D 프린팅은 표준 프로세스로는 불가능하거나 특정 기능을 부여하는 방법으로 사용될 것이다.

다양한 산업분야에서 전문가들이 예측한 바와 같이 미래에는 적층 가공된 구성품이 더욱 필요하게 된다. 금속 부품, 플라스틱 부품 또는 세라믹 부품의 적층 가공에서의 관건은 복잡한 구조나 형상의 실현 가능성이 아니다. 표준 프로세스로는 불가능하거나 노력이 많이 드는 특정 기능을 부여하는 방법으로 많이 사용될 것이다.  

토마스 이젠부르크(Thomas Isenburg)

대부분의 설계자, 생산 플래너, 제품 디자이너들은 공구 없는 제조, 높은 재료 효율, 설계에 있어서 최대한의 자유 등을 보장하는 3D 프린팅의 장점을 오래 전부터 알고 있었다. 3D 프린팅은 소량 연속 생산 시 비용 면에서 이점이 될 수 있다. 또 기술 자유도는 고전적인 절삭 가공으로는 접근할 수 없는 복잡한 형상을 허용한다. 3D 프린팅은 이제 어느 정도 떠들썩한 단계를 지나갔으니, 이제 현재의 기술 수준을 천천히 살펴보는 것이 도움이 된다. 3D 프린팅은 통상적인 제조 방식으로는 제조하기 힘들거나 접근할 수 없는 형상, 제조 공정에 하지 않으면 특성을 부여할 수 없는 경우에 우위에 있다.

미국의 캠브리지에 있는 매사추세츠 공과 대학의 첫 번째 특허는 수십 년 전으로 거슬러 올라간다. 그 사이 적층 가공법은 폭넓은 금속 재료와 플라스틱을 사용할 수 있는 일군의 방법들이 개발되었다. 기술적으로 관심이 있는 이들은 설계자들이 이 비장의 수단을 사용할 것인지 말지를 질문하고 있다. 수 십년 전부터 입증된 주조법을 한 예로 들자. 복잡한 언더컷이나 형상을 실현하고자 하는 경우 제조 절차가 적층 기술과 성공적으로 연계할 수 있다. 이런 방법으로 에너지 기술분야에서 특히 중요한 터빈의 블레이드를 3D 프린팅된 몰드 코어의 복잡한 형태로 생산할 수 있다. 이러한 콤포넌트에는 언더컷들이 특히 많다. 그러나 적층 가공 기술을 이용하면 금형 제작의 노력을 현저히 줄일 수 있고 또한 새로운 형상도 무한하다.

레이저 소결 기술이 지금까지의 응용 스펙트럼을 확장하다

열가소성 폴리우레탄은 탄성 부품 생산에 많이 사용된다. 폴리우레탄의 특성은 오래 전부터 알려져 있으며, 이 물질로 만든 매트리스는 독일 국민의 절반이 휴식을 취하는 것으로 추정된다. 이를 적층 가공법을 통해 복잡한 공간 구조를 실현할 수 있다. 예를 들어 진동이 감쇠될 때 이 재료의 장점이 더욱 강조될 수 있고 다른 제조법으로는 만들어낼 수 없는 내적 기능을 구성품에 부여할 수 있다.

종래의 방식으로는 가공하기 어려운 레이저 소결 금속 합금 구성품을 조립을 위해 연결 콤포넌트와 구멍이 있는 림으로 고정하고 완성한다.

비덴코프의 FKM Sintertechnik사는 레이저 소결 기술로 폴리우레탄에 폭넓은 응용 스펙트럼을 열었다. FKM 전무 이사 위르겐 블뢰허는 다음과 같이 설명하였다. “열가소성 폴리우레탄으로 만든 레이저 소결 부품은 소비 산업 분야의 설계와 제품 응용 분야에서 특히 매력적입니다. 자동차 공학과 유체 기술에서도 점점 관심이 높아지고 있습니다.“ FKM Sintertechnik은 이 분야에 제품 수요가 많다고 보고 있다. 시각적으로나 제조 기술면에서 이상적인 것은 고도로 복잡한 격자 구조이다. 이러한 사실이 적층 가공법을 통한 응용 가능성이 더욱 확대될 것임을 보여준다.

총 53개의 유체 역학적으로 조정된, 부분적으로 복잡하게 꼬인 채널이 있는 PEEK 소재의 이 채널 디스크는 적층 가공법으로만 제작할 수 있다. 이 디스크는 훨씬 무거운 알루미늄 펜던트를 대체하고 있다.

PEEK 플라스틱과 같은 고성능 소재가 적층 가공에 의해 혁신적인 부품으로 어떻게 만들어 질 수 있는지, 최근에 FKM이 도장 로봇을 위한 새로운 채널 디스크로 증명해 보였다. FKM에 따르면, 이 부품은 제멋대로 생긴 53 개나 되는 구멍으로 인해 의문스러운 모양이었다. 그러나 이 많은 구멍들의 크기가 왜 제각각 인지 바로 이해할 수 있었다. 이 구멍들은 다양한 매체(용매, 도료, 공기)의 흐름을 위한 채널이었다. 유체 기술상 요건 또는 계량 요건 상 이 채널들은 다양한 크기와 길이로 디스크 내부를 통과하며 복잡한 다차원 채널 아키텍처가 생긴다. 이러한 아키텍처는 지금까지는 알루미늄과 절삭 가공을 통해서만 만들 수 있었다. 이 부품은 3.8kg 무게에 높이는 120mm이다. PEEK는 무게 230g, 두께 21mm에 불과하여 로봇이 역동적으로 작동할 수 있고, 복잡한 채널을 훨씬 간단하고 비용 효율적으로 제작할 수 있게 되었다.

하이브리드 구성품을 한 번의 공정으로 경제적으로 제작하다

적층 가공법이 제공하는 독점적인 가능성은 각기 다른 재료로 제작해야 하는 공작물과 관련이 있다. 이스라엘 제조사 Objet의 프린팅 기술의 경우, 특정 형상을 구성하기 위해 지지 물질과 모노머를 멀티 노즐 프린팅 헤드로 동시에 분사할 수 있다. 여기에 고성능 자외선 램프를 조사하여 모노머가 가교 결합된다. 이 프로세스를 사용하면 동시에 처리되는 여러 재료로 공작물을 제작할 수 있다. 여러 재료를 동시에 제조하는 것 외에도 층 두께가 얇다는 것이 장점이다. 이렇게 제조된 부품은 표면 고품질과 안정성이 있어 항공 산업이나 자동차 산업과 같은 환경에 이미 적용하고 있다.

개별 어플리케이션을 위한 기능적 구성 요소

VDMA가 최근 발행한 기술 목록에는 산업용 3D 프린팅은 기존 방식으로는 불가능한 기술 제품을 생산할 수 있다. 폴리머 재료를 사용하는 것 외에 금속 3D 프린팅으로 불리는 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM) 기술이 확립되었다. 이 기술을 이용하여 윤곽에 가까운 냉각 채널이 있는 다이캐스트 성형이 가능하게 되었다. 종종 액체가 흐르는 이 공동부는 적층 가공법을 통해 사출 금형 부품 형상에 적합하게 맞출 수 있어 짧은 사이클로 생산성을 높일 수 있다. 부품에 저장된 열은 전통적인 방식으로 제작되는 주조 성형품에 비해 더 빨리 배출할 수 있다. 응용 사례에서 공정 시간과 배출 시간이 최대 50% 단축되었다.

라이너 겝하르트, VDMA 적층 가공 프로젝트 매니저:
„적층 가공의 잠재력이 프로토타입에서 사용 가능한 구성품에 이르기까지 제조 세계를 새롭게 정의하고 있습니다.“

금속 가공과 플라스틱 가공 분야에서 엔지니어링 및 제조 전문업체인 바이에른의 Toolcraft는 3D 프린팅으로 주조 금형과 사출 성형 공구를 개선하였다. VDMA 적층 가공 주제에 관한 프로젝트 매니저인 라이너 겝하르트에 따르면, 이 업체는 강성과 강도를 높게 유지하면서, 윤곽을 만드는 몰드 인서트에 최대한 효율적인 냉각 효과를 제공한다. 금형 제작을 위해 분말 형태의 재료가 얇은 층으로 베이스 플레이트에 도포된다. 선택적 레이저 빔으로 입자가 녹이고 경화 후에 고체층이 형성되도록 많은 에너지를 전달한다. 이후 베이스 플레이트가 내려가고 새로운 재료 층이 도포된다. 플라스틱 영역에서 이 프로세스는 FKM Sintertechnik이 사용하는 기술의 기초를 형성하기도 한다. 금속 분야에서는 공구강, 스테인레스 스틸, 귀금속 합금, 세라믹을 가공할 수 있다.

Alfred Kärcher GmbH & Co. KG는 독일의 기술 개척자 중 하나이다. 이 업체는 세척기 분야에서 세계적인 마켓 리더로 이미 1998년부터 적층 가공에 몰두하였다. Kärcher와 그의 가족은 처음부터 시스템의 효율성을 개선하고 개별적으로 설계한 흡입 및 블로잉 노즐을 제작하기 위해 적층 가공 기술을 이용하였다. 이 주제를 깊이 이해하기 위해 Kärcher는 VDMA 적층 가공 노동 조합에도 가입하였다.

Arburg GmbH und Co. KG는 사출 성형기 제조사로서는 처음으로 K2013(플라스틱 박람회)에 3D 프린터를 선보였다. 이 업체도 적층 가공 분야의 선도자 중 하나이다. Arburg 커뮤니케이션 부서의 Dr. 베티나 케크는 의료 기술에 목적을 둔 적층 가공법을 통해 지난 ‘Arburg 기술의 날’에 Arburg는 얼굴뼈 임플란트와 두개골 뼈 임플란트를 제작 발표하였다.

임플란트는 최적화된 특성을 통해 삶의 질을 향상시키다.

죽느냐 사느냐! 이 문제를 의료 분야에서 적층 가공된 임플란트의 특성이 결정하는 경우가 점점 많아지고 있다. 적층 가공된 임플란트는 의료상 요건과 개인의 요건을 대부분 우수하게 충족한다.

적층 가공법은 제조 산업을 위한 것 외에도 부분적으로는 진정한 축복이다. 적층 가공법에 있어서 역시 선구자인 EOS GmbH는 의료 기술 분야에서 적층 가공법을 적용하여 긍정적인 효과를 확보하였다. 최근 TBM(선천성 기관기도 연화증)으로 고통을 받고 있는 14세 소녀에게 3D 프린팅으로 제작한 공기 튜브 스플린트를 선물하였다. 추산에 따르면 전세계적으로 어린이 2,000명 가운데 1명이 생명을 위협하는 질병에 시달리고 있다. EOS는 위의 사례에서 적합한 적층 가공 전문 지식 3가지를 기부하였다. 첫 번째로 PCL(폴리카프로락톤)이 스플린트를 적층 가공하기에 가장 좋은 재료인 것으로 입증되었는데, 이 재료는 흡수 시간이 매우 길다. 이는 기도 영역에 사용하는 데 있어서 중요한 기준이다. 임플란트는 최소 2년 동안 자리를 유지한 후에 분해되어야 한다. 두 번째로 PCL은 유연하여 파손 시에 파편이 생기지 않는 장점이 있다. 세 번째로 PCL은 EOS System이 환자의 필요에 맞게 개별적 조정이 가능하다.

3D 프린터로 제작한 개별 부품을 통해 고객 서비스 세상이 한 번 더 바뀔 것이다. 이 프로세스는 천천히 다가오고 있지만 까다로운 기술 분야에서 응용 사례들을 통해 자신의 공간을 넓혀가고 있다. 그 중에 하나가 가스 터빈 수리이다. 가스 터빈에서 블레이드 또는 디플렉터 가이드와 같은 콤포넌트들은 1,000 °C의 온도에 노출된는데, 상대적으로 높은 이 온도로 인해 마모가 심할 수 밖에 없다. 이 경우 개별적인 방법으로 대체 부품을 제작하는 것은 생산 수량이 적은 매우 복잡한 프로세스이다.

발상의 전환을 통해 위대한 기회를 보다

적층 가공 프로세스 중에 손상된 물질만 제거한다. Siemens Industrial Turbomachinery AB가 보여주듯이 원래 버전의 구성품을 수리하는 것 외에 개선이 가능하다. 이런 유지보수 방법은 전통적인 방식으로는 불가능했다. 위의 사례와 기타 다른 사례를 고려해보면, 적층 가공법은 많은 기술 분야에서 새로운 솔루션이 개발될 수 있음을 암시하고, 다른 방법으로 보완적인 가공 단계를 통해서만 가능하거나 그렇지 않은 특정 기능도 부여할 수 있다. 이를 위한 전제 조건은 뛰어난 재료 지식과 전통적인 제조 구조에 대한 숙고이다. 적층 가공이라는 대안적 방법으로 들어선 이들은 자신이 뛰어든 시장이 블루오션이라는 점에서 보상을 받을 것이다.

미국 케임브리지의 유명한 MIT 연구소처럼 독일에도 이 주제에 관해 적합한 교육 기회와 연구 기회를 제공하는 수많은 연구소와 대학에서 생겼다. 앞으로 이 분야에서 더 많은 혁신이 기대된다.