3D 프린팅이라고도 불리는 적층 제조 기술은 상용화된 이후 약 35년 동안 지속적으로 발전해 왔습니다. 항공우주, 자동차, 방위, 에너지, 운송, 의료, 치과 및 소비재 산업에서 적층 제조 기술은 매우 다양한 분야에 활용되고 있습니다.
이처럼 널리 보급된 것을 보면 적층 제조 방식이 모든 상황에 적용 가능한 만능 해결책이 아니라는 것이 분명합니다. ISO/ASTM 52900 용어 표준에 따르면 거의 모든 상용 적층 제조 시스템은 다음 7가지 공정 범주 중 하나에 속합니다. 재료 압출(MEX), 광중합(VPP), 분말층 융합(PBF), 바인더 분사(BJT), 재료 분사(MJT), 직접 에너지 증착(DED), 시트 적층(SHL). 여기서는 판매량을 기준으로 인기 순으로 정렬했습니다.
엔지니어와 관리자를 포함한 점점 더 많은 업계 전문가들이 적층 제조 기술이 제품이나 공정 개선에 도움이 될 수 있는 경우와 그렇지 않은 경우를 구분하는 방법을 배우고 있습니다. 과거에는 적층 제조 기술 도입을 위한 주요 계획들이 주로 해당 기술에 경험이 풍부한 엔지니어들에 의해 추진되었습니다. 이제 경영진들은 적층 제조 기술이 생산성 향상, 리드 타임 단축, 새로운 사업 기회 창출에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 사례를 더욱 많이 접하고 있습니다. 적층 제조 기술은 대부분의 전통적인 제조 방식을 대체하지는 않겠지만, 기업가의 제품 개발 및 제조 역량을 강화하는 중요한 도구로 자리매김할 것입니다.
적층 제조(AM)는 미세유체공학부터 대규모 건설에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. AM의 이점은 산업, 응용 분야 및 요구되는 성능에 따라 다릅니다. 기업은 사용 사례와 관계없이 AM을 도입해야 하는 타당한 이유가 있어야 합니다. 가장 일반적인 이유는 개념 모델링, 설계 검증, 적합성 및 기능 검증입니다. 점점 더 많은 기업들이 맞춤형 제품 개발을 포함한 대량 생산을 위한 도구 및 애플리케이션 제작에 AM을 활용하고 있습니다.
항공우주 분야에서 무게는 매우 중요한 요소입니다. NASA 마셜 우주비행센터에 따르면 0.45kg의 탑재체를 지구 궤도에 올리는 데 약 1만 달러가 소요됩니다. 위성의 무게를 줄이면 발사 비용을 절감할 수 있습니다. 첨부된 이미지는 여러 개의 도파관을 하나의 부품으로 결합한 Swissto12 금속 적층 제조(AM) 부품을 보여줍니다. 적층 제조 방식을 통해 무게를 0.08kg 미만으로 줄일 수 있습니다.
적층 제조(AM)는 에너지 산업의 가치 사슬 전반에 걸쳐 사용됩니다. 일부 기업의 경우, AM을 활용하는 주된 이유는 프로젝트를 신속하게 반복하여 최단 시간 내에 최상의 제품을 생산하기 위함입니다. 석유 및 가스 산업에서 손상된 부품이나 조립품은 시간당 수천 달러 이상의 생산성 손실을 초래할 수 있습니다. AM을 사용하여 운영을 복구하는 것은 특히 매력적인 선택지가 될 수 있습니다.
DED 시스템 주요 제조업체인 MX3D가 파이프 수리 도구 프로토타입을 공개했습니다. 회사에 따르면 손상된 파이프라인을 수리하는 데 하루에 10만 유로에서 100만 유로(113,157달러~1131,570달러)의 비용이 발생할 수 있습니다. 다음 페이지에 소개된 이 도구는 CNC 가공 부품을 프레임으로 사용하고 DED 기술을 이용하여 파이프 둘레를 용접합니다. 적층 제조(AM)는 폐기물을 최소화하면서 높은 적층 속도를 제공하고, CNC는 필요한 정밀도를 제공합니다.
2021년, 3D 프린팅 기술로 제작된 워터 케이싱이 북해의 토탈에너지(TotalEnergies) 석유 시추 시설에 설치되었습니다. 워터 재킷은 시추 중인 유정에서 탄화수소 회수율을 제어하는 ​​데 필수적인 요소입니다. 이 경우, 적층 제조 기술을 활용함으로써 기존의 단조 워터 재킷에 비해 납기를 단축하고 배출량을 45% 줄일 수 있었습니다.
적층 제조의 또 다른 사업적 이점은 값비싼 금형 제작 비용을 절감할 수 있다는 점입니다. Phone Scope는 스마트폰 카메라를 망원경이나 현미경에 연결하는 디지스코핑 어댑터를 개발했습니다. 매년 새로운 스마트폰이 출시되면서 기업들은 새로운 어댑터 제품군을 개발해야 합니다. 적층 제조 기술을 활용하면 기업은 신형 스마트폰 출시 시 교체해야 하는 고가의 금형 제작 비용을 절감할 수 있습니다.
다른 모든 공정이나 기술과 마찬가지로, 적층 제조는 단순히 새롭거나 다르다는 이유로 사용되어서는 안 됩니다. 제품 개발 및/또는 제조 공정을 개선하고 부가가치를 창출하기 위한 수단으로 사용되어야 합니다. 다른 사업적 활용 사례로는 맞춤형 제품 및 대량 맞춤 생산, 복잡한 기능 구현, 통합 부품 제작, 재료 및 무게 감소, 성능 향상 등이 있습니다.
적층 제조(AM)가 성장 잠재력을 실현하기 위해서는 해결해야 할 과제들이 있습니다. 대부분의 제조 응용 분야에서 공정의 신뢰성과 재현성은 매우 중요합니다. 부품 및 지지대 제거와 후처리 자동화 기술은 이러한 요구 사항을 충족하는 데 도움이 될 것입니다. 자동화는 생산성을 향상시키고 부품당 비용을 절감하는 효과도 있습니다.
가장 큰 관심 분야 중 하나는 분말 제거 및 마감과 같은 후처리 자동화입니다. 대량 생산 공정을 자동화함으로써 동일한 기술을 수천 번 반복 적용할 수 있습니다. 하지만 특정 자동화 방법은 부품의 종류, 크기, 재질 및 공정에 따라 달라질 수 있다는 문제가 있습니다. 예를 들어, 자동화된 치과용 크라운의 후처리는 로켓 엔진 부품의 후처리와는 매우 다릅니다. 둘 다 금속으로 만들어진다는 공통점이 있지만 말입니다.
적층 제조(AM)에 최적화된 부품은 종종 더욱 정교한 기능과 내부 채널을 추가합니다. 분말 베드 포설(PBF)의 주요 목표는 분말을 100% 제거하는 것입니다. 솔루콘(Solokon)은 자동 분말 제거 시스템을 제조합니다. 이 회사는 빌드 플레이트에 부착된 금속 부품을 회전시키고 진동시키는 스마트 분말 회수(SRP)라는 기술을 개발했습니다. 회전과 진동은 부품의 CAD 모델에 의해 제어됩니다. 부품을 정밀하게 움직이고 흔들어주면 포집된 분말이 마치 액체처럼 흐르게 됩니다. 이러한 자동화는 수작업을 줄이고 분말 제거의 신뢰성과 재현성을 향상시킬 수 있습니다.
수동 분말 제거 방식의 문제점과 한계는 소량 생산조차도 대량 생산에 적층 제조(AM) 기술을 적용하는 데 제약을 줄 수 있습니다. 솔루콘의 금속 분말 제거 시스템은 불활성 분위기에서 작동하며, 사용되지 않은 분말을 수집하여 AM 장비에 재사용할 수 있습니다. 솔루콘은 고객 설문 조사를 실시하고 2021년 12월에 연구 결과를 발표했는데, 이 연구에 따르면 가장 큰 두 가지 우려 사항은 작업자 건강과 재현성 문제였습니다.
PBF 수지 구조물에서 분말을 수동으로 제거하는 것은 시간이 많이 소요될 수 있습니다. DyeMansion 및 PostProcess Technologies와 같은 회사들은 분말을 자동으로 제거하는 후처리 시스템을 개발하고 있습니다. 많은 적층 제조 부품은 매체를 뒤집어 배출하여 과도한 분말을 제거하는 시스템에 넣을 수 있습니다. HP는 Jet Fusion 5200의 빌드 챔버에서 20분 만에 분말을 제거하는 자체 시스템을 보유하고 있습니다. 이 시스템은 녹지 않은 분말을 별도의 용기에 저장하여 다른 용도로 재사용하거나 재활용할 수 있도록 합니다.
자동화를 대부분의 후처리 단계에 적용할 수 있다면 기업은 상당한 이점을 얻을 수 있습니다. 다이맨션(DyeMansion)은 분체 도장, 표면 처리 및 도장 시스템을 제공합니다. 파워퓨즈 S(PowerFuse S) 시스템은 부품을 적재하고, 표면을 매끄럽게 처리한 후 배출합니다. 또한, 부품을 걸어 보관할 수 있는 스테인리스 스틸 랙을 제공하며, 이는 수작업으로 진행됩니다. 파워퓨즈 S 시스템은 사출 성형과 유사한 표면을 구현할 수 있습니다.
업계가 직면한 가장 큰 과제는 자동화가 제공하는 진정한 기회를 이해하는 것입니다. 백만 개의 폴리머 부품을 생산해야 하는 경우, 부품에 따라 다르긴 하지만 전통적인 주조 또는 성형 공정이 최적의 솔루션일 수 있습니다. 적층 제조(AM)는 금형 제작 및 테스트와 같은 초기 생산 단계에서 활용될 수 있습니다. 자동화된 후처리를 통해 수천 개의 부품을 AM으로 안정적이고 재현성 있게 생산할 수 있지만, 이는 부품별로 다르며 맞춤형 솔루션이 필요할 수 있습니다.
적층 제조(AM)는 산업과 직접적인 연관이 없습니다. 많은 기관들이 제품과 서비스의 정상적인 작동으로 이어질 수 있는 흥미로운 연구 개발 결과를 발표하고 있습니다. 항공우주 산업 분야에서 렐러티비티 스페이스(Relativity Space)는 자체 개발한 DED(Direct Energy Deposition) 기술을 활용한 최대 규모의 금속 적층 제조 시스템을 운영하고 있으며, 이 시스템을 통해 대부분의 로켓을 생산할 계획입니다. 렐러티비티의 테란 1(Terran 1) 로켓은 1,250kg의 탑재체를 저궤도에 운반할 수 있습니다. 렐러티비티는 2022년 중반에 시험 로켓을 발사할 예정이며, 더 크고 재사용 가능한 테란 R(Terran R) 로켓 개발도 이미 계획하고 있습니다.
렐러티비티 스페이스(Relativity Space)의 테란 1(Terran 1)과 테란 R(R) 로켓은 미래 우주 비행의 모습을 새롭게 그려내는 혁신적인 제품입니다. 적층 제조 방식에 대한 설계 및 최적화가 이 개발의 원동력이 되었습니다. 렐러티비티 스페이스는 이 방식을 통해 기존 로켓에 비해 부품 수를 100배까지 줄일 수 있다고 주장합니다. 또한, 원자재부터 로켓을 60일 이내에 생산할 수 있다고 합니다. 이는 여러 부품을 하나로 통합하고 공급망을 크게 간소화하는 훌륭한 사례입니다.
치과 산업에서 적층 제조(AM)는 크라운, 브릿지, 수술용 드릴링 템플릿, 부분 틀니 및 투명 교정 장치를 제작하는 데 사용됩니다. Align Technology와 SmileDirectClub은 3D 프린팅 기술을 이용하여 투명 플라스틱 교정 장치의 열성형 부품을 생산합니다. Invisalign 브랜드 제품 제조업체인 Align Technology는 3D Systems의 광중합 시스템을 다수 사용하고 있습니다. 이 회사는 1998년 FDA 승인을 받은 이후 2021년에 1천만 명 이상의 환자를 치료했다고 밝혔습니다. 일반적인 환자의 치료 과정이 10개의 교정 장치로 구성된다고 가정하면(이는 최소 추정치입니다), 이 회사는 1억 개 이상의 AM 부품을 생산했을 것입니다. FRP 부품은 열경화성 재질이기 때문에 재활용이 어렵습니다. SmileDirectClub은 HP Multi Jet Fusion(MJF) 시스템을 사용하여 다른 용도로 재활용 가능한 열가소성 부품을 생산합니다.
지금까지 VPP(가시형 폴리프로필렌 프린팅) 기술은 교정 장치에 사용될 수 있는 강도를 갖춘 얇고 투명한 부품을 생산하는 데 어려움을 겪어왔습니다. 2021년, LuxCreo와 Graphy는 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시했습니다. 2월 현재, Graphy는 치과용 보철물의 직접 3D 프린팅에 대해 FDA 승인을 받았습니다. 직접 프린팅을 하면 전체 공정이 더 짧고 간편하며 잠재적으로 비용도 절감할 수 있습니다.
초기에 언론의 큰 주목을 받았던 기술 발전 중 하나는 주택과 같은 대규모 건설 분야에 3D 프린팅 기술을 적용하는 것이었습니다. 주택의 벽체는 주로 압출 성형 방식으로 제작됩니다. 바닥, 천장, 지붕, 계단, 문, 창문, 가전제품, 캐비닛, 조리대 등 나머지 부분은 전통적인 방식과 재료로 만들어집니다. 3D 프린팅 벽체는 전기, 조명, 배관, 덕트, 냉난방 환기 장치 설치 비용을 증가시킬 수 있습니다. 또한 콘크리트 벽체의 내외부 마감은 전통적인 벽체 설계보다 더 어렵습니다. 3D 프린팅 벽체를 이용한 주택 현대화는 중요한 고려 사항입니다.
오크리지 국립 연구소의 연구원들은 3D 프린팅된 벽에 에너지를 저장하는 방법을 연구하고 있습니다. 시공 과정에서 벽에 파이프를 삽입하면 물이 흘러 난방과 냉방에 활용될 수 있습니다. 이 연구 개발 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 이 연구 개발 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.이 연구 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.이 연구 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.
대부분의 사람들은 3D 프린팅으로 건축 자재나 기타 대형 물체를 제작하는 경제성에 대해 아직 잘 알지 못합니다. 이 기술은 교량, 차양, 공원 벤치, 건물 및 야외 환경을 위한 장식 요소 등을 제작하는 데 사용되어 왔습니다. 소규모(수 센티미터에서 수 미터)에서 나타나는 적층 제조의 장점이 대규모 3D 프린팅에도 적용될 것으로 여겨집니다. 적층 제조의 주요 이점으로는 복잡한 형상과 기능을 구현할 수 있고, 부품 수를 줄일 수 있으며, 재료와 무게를 절감하고, 생산성을 향상시킬 수 있다는 점 등이 있습니다. 만약 적층 제조가 부가가치를 창출하지 못한다면, 그 유용성에 의문을 제기해야 할 것입니다.
2021년 10월, 스트라타시스는 영국 산업용 잉크젯 프린터 제조업체인 Xaar의 자회사인 Xaar 3D의 나머지 55% 지분을 인수했습니다. 스트라타시스의 폴리머 PBF 기술인 선택적 흡수 융합(Selective Absorbion Fusion) 기술은 Xaar의 잉크젯 프린트 헤드를 기반으로 합니다. 스트라타시스의 H350 장비는 HP MJF 시스템과 경쟁합니다.
데스크톱 메탈(Desktop Metal) 인수는 인상적인 행보였습니다. 2021년 2월에는 산업용 적층 제조 시스템 분야의 오랜 제조업체인 엔비전텍(Envisiontec)을 인수했습니다. 2021년 5월에는 유연성 VPP 폴리머 개발업체인 어댑티브3D(Adaptive3D)를 인수했고, 7월에는 다중 소재 분말 코팅 재코팅 공정 개발업체인 에어로신트(Aerosint)를 인수했습니다. 가장 큰 규모의 인수는 8월에 경쟁업체인 엑스원(ExOne)을 5억 7,500만 달러에 인수한 것이었습니다.
데스크톱 메탈(Desktop Metal)의 엑스원(ExOne) 인수로 금속 BJT 시스템 분야의 두 유명 제조업체가 하나로 합쳐지게 되었습니다. 일반적으로 이 기술은 아직 많은 사람들이 기대하는 수준에 도달하지 못했습니다. 기업들은 반복성, 신뢰성, 그리고 문제 발생 시 근본 원인 파악과 같은 과제들을 해결하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이러한 문제들이 해결된다면 이 기술은 더 큰 시장으로 진출할 여지가 충분히 있습니다. 2021년 7월, 자체 개발한 3D 프린팅 시스템을 사용하는 서비스 제공업체인 3DEO는 고객에게 백만 번째 제품을 출하했다고 발표했습니다.
적층 제조(AM) 산업에서 소프트웨어 및 클라우드 플랫폼 개발업체들은 상당한 성장을 경험했습니다. 특히 AM 가치 사슬을 추적하는 성능 관리 시스템(MES) 분야에서 이러한 성장세가 두드러집니다. 3D Systems는 2021년 9월 Oqton을 1억 8천만 달러에 인수하기로 합의했습니다. 2017년에 설립된 Oqton은 워크플로우 개선 및 AM 효율성 향상을 위한 클라우드 기반 솔루션을 제공합니다. Materialize는 2021년 11월 Link3D를 3,350만 달러에 인수했습니다. Oqton과 마찬가지로 Link3D의 클라우드 플랫폼은 작업 진행 상황을 추적하고 AM 워크플로우를 간소화합니다.
2021년 ASTM International의 최신 인수 사례 중 하나는 Wohlers Associates의 인수입니다. 양사는 협력을 통해 Wohlers 브랜드를 활용하여 전 세계적으로 적층 제조(AM) 기술의 확산을 지원할 예정입니다. Wohlers Associates는 ASTM AM Center of Excellence를 통해 Wohlers 보고서 및 기타 출판물을 계속해서 발행하고, 자문 서비스, 시장 분석 및 교육을 제공할 것입니다.
적층 제조 산업은 성숙기에 접어들었으며, 많은 산업 분야에서 다양한 용도로 이 기술을 활용하고 있습니다. 하지만 3D 프린팅이 기존의 제조 방식을 완전히 대체하지는 않을 것입니다. 오히려 새로운 유형의 제품과 비즈니스 모델을 창출하는 데 사용될 것입니다. 기업들은 적층 제조를 통해 부품 무게를 줄이고, 생산 기간과 금형 비용을 절감하며, 제품의 맞춤화와 성능을 향상시키고 있습니다. 적층 제조 산업은 앞으로도 새로운 기업, 제품, 서비스, 응용 분야 및 활용 사례가 빠른 속도로 등장하면서 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상됩니다.