형상 목업에서 기능성 부품의 자동화 및 대량 생산 시스템으로 진화하는 적층제조
올해 전세계에 걸친 글로벌 팬데믹 상황은 제조산업의 변화를 가져오고 있으며, 한편으로 3D 프린팅 기술의 가능성이 본격적으로 검토되고 있다. 3D 시스템즈는 신속한 현장 생산 대응, 유연 생산 시스템, 다양한 소재 라인업 등을 중심으로 양산을 위한 3D 프린팅의 기술 확장을 적극 추진하고 있다.
3D 시스템즈의 최근 주요 활동에 대해
3D 시스템즈는 글로벌 팬데믹 상황에서 ‘위기의 의료 분야에 대한 신속 현장 생산 대응’ 및 ‘새로운 제조 환경 재편에 따라 제조산업을 위한 유연 생산 시스템 및 다양한 신소재 라인업’을 활발하게 추진하였다.
코로나 팬데믹의 상황에서 3D 시스템즈가 보유한 다수의 의료 인증 소재와 프린팅 시스템을 동원하여 진단 의료 디바이스, 호흡기, 보호 마스크 등 50 여종이 넘는 긴급 의료 부품 지원 프로젝트를 추진하고 있다. 이와 더불어 제조 현장에서 기능성 검증이 가능한 물성의 산업용 소재들을 대거 출시하고, 하이브리드 제조 공정을 지원하는 시스템 및 모듈을 개발 출시하고 있다.
최근에 발표한 제품이나 기술에 대해 소개한다면
과거 2년여간 3D 프린터 기술은 형상 검토를 위한 시제품 제작 수준에서 기능성 시제품 제작 및 현장 생산 툴 제작 등으로 그 활용성이 확장되었다. 또한, 부분적으로 구조 기능 부품의 양산을 위한 맞춤형 양산 프로젝트들이 시작되고 있다.
이러한 수요 시장의 적층제조 양산 요구에 부응하기 위해 2020년 상반기 3D 시스템즈에서는 Figure 4, MJP, SLA 및 SLS의 플라스틱 프린터용으로 의료 소재, 고온 내열성, 고강성, 내마모성 및 고탄성 소재 그리고 타이타늄 캐스팅이 가능한 신규 주조 소재를 신규 론칭하여 고기능성 시제품 제작, 생산툴 제작 및 부품 양산을 지원하고 있다. 올해 산업 현장의 상용화 양산 부품을 생산할 수 있는 다양한 엔지니어링 플라스틱 신소재를 론칭하고 있다.
그림 1. 3D 시스템즈의 기능성 플라스틱 소재
또한, 2020년 3D 시스템즈에서는 적층제조 관리모듈, 적층가공과 절삭가공을 연계한 하이브리드 제조 솔루션, 품질 검수 모듈을 업그레이드 강화하여 적층제조를 위한 전공정 토털 솔루션 구축을 추진하고 있다.
금속 부품의 공정 관리 지원을 위한 DMP 컨트롤, 빌드 시뮬레이션을 통한 열변형 형상 보상 설계지원,(그림 2) 기존에 출시된 실시간 금속 부품 품질검사 시스템인 DMP 모니터링 데이터를 기반으로 금속 제품 단층 영상 및 3D 형상 분석 솔루션인 DMP 인스팩션, 적층가공과 절삭가공을 융합한 하이브리드 생산의 자동화를 지원하는 AM 엑셀러레이터 등의 베타 버전을 출시하였다.(그림 3) 주요 고객의 현장 피드백을 반영하여 하반기에 공식 출시를 준비 중이다.
그림 2. 3D 시스템즈의 열변형 해석기반 보상설계
그림 3. 3D 시스템즈의 하이브리드 적층제조: 적층 + 절삭가공
3D 프린팅 시장의 변화에 대해 어떻게 전망하는지
2020년은 전세계적으로 큰 변화가 진행되고 있다. 코로나로 유발된 위기는 그동안 수 많은 담론과 도전에 답보하던 4차 산업혁명의 요소기술을 상용화 기술의 장으로 응급 호출하고 있다. 컨택트에서 언택트로, 내연기관 에너지 시스템을 그린 에너지 시스템으로, 공급-생산-소비의 글로벌 분산 제조 생산 환경을 보다 유연한 근거리 생산 환경으로 신속하게 재편성해 나가고 있다.
최근 3D 프린팅 분야의 주요한 동향은 어떤 것인지
올해는 기술 동향보다는 산업 동향이 더욱 부각되는 한 해라고 할 수 있을 것 같다. 코로나19 상황에서 글로벌 제조산업 및 공급망이 셧다운되었을 때 의료뿐만 아니라 산업 부문에서도 3D 프린터를 이용한 부품 생산 서비스 요구가 증가하였다.
신속한 부품 공급을 위한 적층제조 부품 서비스의 경험은 글로벌 제조기업 내부에서 적층제조에 대한 새로운 경험의 확장을 가져 왔다. 제조 산업의 구조 재편, 그린 에너지 모빌리티 그리고 5G 시대를 맞이하는 ICT 융합형 신제품을 위한 신속하고 유연한 제품 개발을 가능하게 하는 적층제조의 요구와 수요가 새롭게 재조명되고 있다.
그림 4. 3D 시스템즈의 금속 프린팅 솔루션으로 임플란트 생산 라인을 구축한 의료기기 업체 누바시브(NuVasive)
금속 3D 프린터는 고도 부가가치 부품에 대한 생산 연구 및 의료 디바이스 양산화 작업이 활발하게 진행되고 있다. 이러한 동향으로 과거 2년동안 글로벌 시장 기준으로 금속 3D 프린터는 연간 30%의 성장률을 보이고 있으며, 특히 정밀 형상 성형이 가능한 PBF 프린터의 비중이 80%를 차지하며 급속한 성장을 보이고 있다.
한편, 글로벌 시장 조사기관의 2019년 보고서에 따르면 플라스틱 프린터의 경우 이미 72%의 기업에서 사용하고 있으며, 최근에는 SLA(Stereolithography) 및 DLP(Digital Light Processing) 프린팅 기술이 시제품 제작을 넘어 의료, 전자, 소비재 등 다양한 양산 라인에 도입이 증가하고 있다고 보고되었다. 이와 더불어 생산성 향상을 위한 후처리 장비의 전문화가 활발하게 진행되고 있다는 점을 확인할 수 있다. 향후 후처리 장비의 전문화는 스마트 공장과 연계하여 새로운 사업군으로 자리매김해 나갈 것으로 기대된다.
그림 5. 카본 파이버 부품 성형
향후 3D 프린팅 분야의 발전을 위해 필요한 것은 무엇이라고 보는지
3D 프린팅의 궁극적 목표인 ‘양산이 가능한 생산 설비’로서 위상 정립이 필요한 단계이다. 이를 위해 과거 5년간 위상 최적화 및 공정 연구에 대한 폭넓은 도전과 응용사례들이 많이 배출되었다.
이제 진정한 양산 부품 생산, 실제 양산 제품과 동급의 고기능성 시제품 제작, 생산 현장에서 실시간 생산 툴 제작과 활용을 위한 고속 주행이 필요한 시기이다. 이를 위해 양산급 슈퍼 엔지니어링 소재의 공급과 검증, 적층제조 양산 관리 및 품질 관리를 위한 시스템화, 후처리/표면 마감 등 후공정 자동화를 통한 생산성 향상을 완성해야 하는 단계이다.
그림 6. 의료인증 생체 적합 폴리머, 엘라스토머 및 고내열성 소재
3D 시스템즈의 향후 계획에 대해
2020년 3D 시스템즈는 양산급 소재와 물성 데이터 공급, 품질 제어와 관리 그리고 적층제조의 생산성 검증이라는 세 가지 측면에서 향상된 신기술로 적층제조의 다음 단계를 추진하고 있다.
첫째, 제조 기업 고객들과 함께 올해 신규 론칭한 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 소재의 적용 검증을 위한 솔루션 제공을 목표로 하고 있다.
둘째, 품질 제어 및 관리를 위해 사전 품질 관리 기술인 빌드 시뮬레이션, 실시간 품질 관리를 위한 모니터링 솔루션, 실시간 및 사후 품질 관리를 위한 인스펙션 솔루션이라는 전주기 품질 관리 솔루션의 공급과 지원을 계획하고 있다.
셋째, 생산성 향상을 위해 레이어링이 없는 연속 성형 기술, 멀티 레이저 및 양방향 적층기술을 장착한 프린터 기술의 공급을 통해 속도 향상을 도모하고 있다. 또한, 금속 부품 제작에 있어서 절삭 가공과 적층제조를 융합한 하이브리드 제조 공정의 테스트베드 구축을 통한 생산 타당성 검증을 계획 추진하고 있다.
추가로, 제조 현장에서 3D 프린팅 적층제조 솔루션을 보다 쾌적하게 사용하고 생산성을 높일 수 있도록 국내 장비 제조 기업들과 협력을 통해 후처리 전문화, 자동화 설비 개발 작업을 계획 및 추진하고 있다.
그림 7. 실리콘 몰딩을 지원하는 Eggshell 소재
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