“적층 제조의 꿈을 실현하는 3D 프린팅” 우리 회사에 맞는 기술, 재료 선택 가이드

적층 제조(Additive Manufacturing)이 제조업의 비즈니스 과제를 어떻게 풀 수 있을까? 글로벌 시대를 지나 초연결 시대가 되면서 제조업은 대량 생산 중심에서 다품종 소량 생산을 민첩하게 누가 더 잘하느냐로 경쟁의 초점이 옮겨가고 있다. 

이런 변화 속에서 항공우주, 자동차, 가전, 기계, 의료 등 여러 산업군을 선도하는 기업은 적층 제조에서 문제 해결의 실마리를 찾고 있다. 적층 제조는 한층 한층 쌓아 올리며 구조물을 만드는 방식이다. 전통적인 제조 현장에서 이루어진 드릴, 선반, 밀링 머신 등의 절삭 공구를 이용해 재료를 깎아 가공하는 방식의 한계를 극복할 수 있다는 점에서 제조업의 미래 중 한 축을 맡을 것으로 기대를 모으고 있다. 
 

적층 제조의 핵심 수단 3D 프린팅 

적층 제조는 단순히 제조 방식의 변화만 예고하지 않는다. 제조 관련 공급망 전체가 바뀌는 패러다임 수준의 변화를 몰고 올 전망이다. 전통적인 제조는 원자재를 확보하고, 이를 제조 거점에서 상품으로 만들고, 이를 글로벌 운송망을 이용해 전 세계 주요 유통망에 뿌려 상품을 최종 소비자에게 전달했다. 글로벌 경제 체제 아래 많은 제조기업이 이 방식으로 제품을 만들어 소비자에게 공급해왔다. 이 방식은 대량 생산, 원가 절감, 생산성 혁신이 미덕으로 통하던 시대에 맞는다. 

최근 초연결 시대가 되면서 시장의 물건을 만들고, 사고파는 데 있어 경계가 희미해지고 있다. 더불어 더 싼 곳을 찾아 떠돌던 생산 거점 마련 전략은 자동화 기술의 발전, 인공 지능 등 IT 기술이 진화와 맞물려 소비자와 가장 가까운 곳에서 물건을 만들어 공급하는 쪽으로 바뀌고 있다. 이를 가능하게 만드는 것이 3D 프린팅이다. 기업은 소비자의 다양한 기호를 맞출 수 있는 다품종 소량 생산을 하고, 제품은 소비자와 가장 가까운 곳에서 3D 프린팅되어 고객의 손으로 간다. 이것이 바로 적층 제조와 3D 프린팅이 바꾸는 제조의 미래다. 

물론 아직 적층 제조는 갈 길이 멀다. 많은 업계에서 프로토타이핑 목적으로 주로 사용하지만, 점차 프로덕션 용도의 파트 생산에 적용하는 활용 예가 늘고 있다. 즉, 3D 프린팅 기반의 적층 제조로의 전환은 몇몇 업체에만 해당하는 것이 아니라 제조업 모두가 가야 할 길이다. 그렇다면 3D 프린팅 기반 적층 제조로의 전환을 어떤 식으로 해야 할까? 가장 먼저 생각해야 할 일은 우리 회사에 맞는 3D 프린팅 전략을 짜는 것이다. 
 

3D 프린팅의 산 역사 ‘스트라타시스’ 

3D 프린팅 전략 수립에 앞서 간단히 기술 발전의 역사를 알아보자. 3D 프린터 상용화의 역사를 주도한 것은 바로 스트라타시스다.  30년 이상 3D 프린팅 기술과 재료 혁신을 현장에서 이끌어온 브랜드다. 3D 프린팅이 상용화된 것은 1987년경으로 거슬러 올라간다. 당시 나온 기술은 광경화성 수지에 빛을 조사해 한층씩 쌓아 가면 구조물을 만드는 광 경화 수지 조형 방식(Vat Photopolymerization)이었다. 다음 세대 제품이 열가소성 수지 압출 방식(Material Extrusion)이다. FDM으로 알려진 것이 바로 이 방식이다. 뒤를 이어 분말 소결 방식(Powder Bed Fusion)이 등장했다. 그리고 가장 최근에 소개된 상용 제품은 다중 분사 방식(Material Jetting)의 3D 프린터다. 이외에도 레이저 소결, 금속 분말 소결 등 첨단 방식이 상용화되었다. 
 

 

우리 회사에 맞는 3D 프린팅 기술과 재료 선택하기 

3D 프린팅 방식은 최신의 것이 무조건 좋다고 할 수 없다. 사용 목적에 따라 최선의 선택이 달라질 수 있다. 기업이 고려해야 할 것은 우리 회사는 어떤 용도로 3D 프린팅을 사용할 것인지? 이를 분명히 한 다음 이제 적합한 3D 프린터와 재료를 선택하는 것이다. 목표 설정은 엔지니어, 디자이너 등 실제 3D 프린팅을 사용할 이들의 의견을 모으는 것에서 출발하면 된다. 예를 들면 다음과 같이 현업 사용자가 무엇을 하고 싶어 하는지 구체적으로 물어 목표를 세우면 된다. 

- 더 짧은 시간에 더 많은 디자인 아이디어를 테스트하고 싶다. 
- 내 아이디어를 동료나 투자자에게 더 명확하게 설명하고 싶다. 
- 학생의 지속적인 참여를 촉진하거나 STEM 과목(과학, 기술, 엔지니어링, 수학)에 대한 관심도를 높이는 흥미진진한 수업 프로젝트를 이끌고 싶다. 
- 이미 생산한 제품의 커스터마이징을 개선하고 싶다. 
- 다른 제조 방법으로는 불가능하거나 비현실적이라고 증명된 것을 생산하고 싶다. 
- 학문적 연구에서 툴, 통제 요인 또는 변수로 사용할 수 있는 맞춤형 개체를 만들고 싶다. 
- 다른 제조 프로세스나 생산 프로세스를 지원하고 싶다. 
- 디자인 프로세스 초기에 오류를 수정하고 개선할 수 있는 기능성 프로토타입을 제작하고 싶다. 

사용 방향을 정한 다음 3D 프린터로 출력할 대상의 외관, 용도, 설계와 기술 측면의 요구 사항이 구체화한 다음에 기술과 재료를 선택해야 한다. 이때 기준으로 삼을 수 있는 것은 만들려고 하는 것이 컨셉 모델, 풀컬러 모델, 다중 소재 모델, 기능성 프로토타입, 금형 및 패턴, 지그 및 픽스처, 생산 파트 중 어디에 해당하는 것이지 보는 것이다. 
 

3D 프린터 선택의 4가지 기준 

목표와 용도를 정했다면 다음은 기술은 고르는 것이다. 3D 프린터 선택 기준을 크게 레이어 해상도, 얇은 두께, 표면 마감, 사용 편의성으로 잡을 수 있다. 크게 FDM, 폴리젯, 광 경화 수지 조형, 레이저 소결, 금속 분말 소결 방식의 3D 프린터가 갖는 특징을 살펴보겠다. 

먼저 FDM은 출력 속도와 해상도 간에 타협점을 찾기 쉬워 널리 쓰인다. 학교에서 실습 용도로 쓰이거나 기업에서 개념 증명을 위한 프로토타입 제작, 항공기에서 사용하는 덕트 같은 프로덕션 파트 등 다양한 용도로 사용된다. 
   
다음으로 폴리젯은 다중 분사 방식이라고도 불리는데, 인체 모델 등 실제와 똑같은 리얼리즘을 구현하는 데 있어 가장 적합한 방식으로 정밀하고 매끄러운 표면과 미세한 부분까지 디테일을 살릴 수 있는 것이 특징이다. 의료, 영화 등에서 많이 활용한다. 
 
광 경화 수지 조형 방식은 공차가 적고, 매끄러운 표면을 만들어야 하는 섬세한 프로타입 제작에 적합한 기술로 항공우주, 자동차, 발전, 의료 분야에서 프로토타이핑 용도 및 금속 파트 생산을 위한 정밀 주조 패턴을 만들 때 많이 이용한다. 
 
레이저 소결 방식은 복잡한 기하학적 구조로 인해 전통적인 방식으로 생산이 어렵고, 툴링에 시간과 비용이 많이 드는 경우 훌륭한 대안으로 주목을 받는 기술이다. 
 
금속 분말 소결 방식은 기존 제조 방식으로 만들기 어려운 기하학적 구조를 생산하는 데 적합하다. 의료 분야에서 수술 도구를 만드는 등의 용도로 활용된다. 
 

다양한 재료 옵션 

3D 프린터 기술을 결정했다면 다음은 재료를 고르는 일이 남았다. 이는 3D 프린팅을 사용하는 목표를 세울 때 정한 외관, 용도, 사용처, 내구성에 맞춰 선택하면 된다. 재료는 크게 표준 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 고성능 플라스틱, 포토폴리머, 금속으로 나눌 수 있다. 

표준 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 고성능 플라스틱은 FDM과 레이저 소결 방식 3D 프린터에서 쓰는 재료다. 먼저 표준 플라스틱은 기계적, 열적, 전기적, 화학적, 환경적 특성에 맞춰 필요한 재료를 선택해 쓸 수 있다. 엔지니어링 플라스틱은 높은 내열성, 내화학성, 충격 강도, 내화성 또는 기계적 강도가 필요한 분야에서 쓰인다. 고성능 플라스틱은 엔지니어링 측면에서 볼 때 온도 안정성, 내화학성, 기계적 강도의 기준이 까다로운 분야에 적합한 재료다. 

포토폴리머는 폴리젯과 광경화 수지 조형 방식의 3D 프린터에서 사용하는 재료로 다중 소재 모델 개발에 주로 쓰인다. 포토폴리머는 자외선 광에 노출되면 경화되는 액체 수지다. 단일 모델에서 다양한 재료를 이용해 색상, 불투명도, 경도, 유연성, 열안정성 등을 갖춘 사실감 있는 모델을 만드는 데 유리하다. 이런 특징으로 프로토타입 제작에 널리 쓰이고 있고, 특정 툴링 분야에서도 이용한다. 

금속 재료는 금속 분말 소결 방식의 3D 프린터를 위한 재료로 INCONEL, 티타늄, 코발트 크롬 등 높은 인장 강도가 필요한 까다로운 생산 분야에 쓰인다. 
 

운영의 묘를 살리는 것도 중요 

3D 프린팅 기술과 재료를 선정하는 것만큼 중요한 것은 운영의 묘를 살리는 것이다. 필요하다고 해서 3D 프린터와 재료를 들여온 다음 초반에 몇 개 모델을 찍어 보고 나서 이후 이를 어떻게 활용할지 곤란을 겪는 경우는 십중팔구 운영에 대한 고려를 적극적으로 하지 않아 생기는 일이다. 도입과 같이 운영도 목표가 분명해야 한다. 이 역시 엔지니어와 디자이너같이 3D 프린팅을 주도적으로 이용하는 이들의 의견을 잘 모으면 방향 잡기가 수월하다. 예를 들면 다음과 같다. 

- 더 빠르게 출시해야 한다. 
- 디자인 주기를 단축해야 한다. 
- 산학 협력을 위해 산업 파트너를 유치하고 싶다. 
- 뛰어난 직원, 학생 또는 교직원을 유치하고 싶다. 
- 이미 생산한 제품의 커스터마이징을 개선해야 한다. 
- 사내 혁신을 강조해야 한다. 
- 기업가적인 문화를 촉진하고 싶다. 

운영 목표를 정했다면 자연스럽게 3D 프린터 운영을 위한 시설, 교육과 훈련, 부속 장비 도입 등에 대한 구체적인 계획 수립이 가능하다. 
 

예산 범위 내에 있는 적합한 기술과 재료는 무엇?

살펴본 바와 같이 3D 프린터는 기술과 재료가 다양하다. 어떤 것을 선택하건 적절한 운영 전략도 짜야 한다. 무엇을 선택하건, 어떤 운영 전략을 세우건 예산 범위를 고려해야 한다. 예산 범위 내에서 최선의 선택을 할 때 다음 표가 도움이 될 것이다. 단, 표시된 수치는 정보 제공 용도로만 사용되어야 하며 전형적인 경우를 상정한 것입니다. 실제 비용은 제조 업체, 지역, 계약 조건 및 기타 요인에 따라 달라진다. 
 
본 포스팅은 스트라타시스에서 발행한 ‘3D 프린팅 솔루션, 조직 특성과 사용 사례에 적합한 재료, 기술, 프린터를 선택하는 방법’에 대한 연구 가이드를 참조로 작성한 것이다. 자세한 내용은 연구 가이드를 다운로드 받아 확인할 수 있다.