적층 제조 이해하기: 기술과 활용 사례

3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조(AM)는 제품 제조 방식을 바꾸고 있습니다. 기존 방식처럼 소재를 깎거나 형태를 만드는 대신, AM은 디지털 3D 모델을 사용해 물체를 층층이 쌓아 만듭니다.

항공우주와 의료부터 자동차 및 소비재에 이르기까지, 3D 프린팅과 적층 제조는 제조업체가 제품을 설계하고 제작하고 공급하는 방식을 다시 생각하도록 돕고 있습니다. 이 글에서는 적층 제조와 실제 활용 사례, 그리고 적층 제조의 발전에서 컴퓨터 비전이 담당하는 역할의 확대를 자세히 살펴보겠습니다.

적층 제조란 무엇인가요?#

적층 제조는 3D 모델의 지침에 따라 재료를 한 층씩 쌓아 실제 물체를 만드는 디지털 제조 공정입니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일에서 시작해 모델을 얇은 단면으로 분할합니다. 이 단면 또는 레이어는 3D 프린터와 같은 기계가 플라스틱, 레진, 금속 등의 재료를 쌓아 물체를 완성하도록 안내합니다.

적층 제조 기술을 사용하면 특수 도구 없이도 복잡한 형상과 경량 구조, 맞춤형 부품을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 또한 신속한 프로토타이핑을 지원해 팀이 설계를 더 빠르게 테스트하고 개선할 수 있으며, 주문형 생산도 가능합니다.

그림 1. 적층 제조에서는 부품을 층층이 쌓아 만듭니다.

적층 제조와 절삭 제조 비교#

적층 3D 프린팅이 변화를 가져오는 이유를 살펴보기 전에 기존 절삭 제조와 간단히 비교해 보겠습니다.

절삭 제조는 드릴, 선반, 밀링 머신과 같은 도구를 사용해 단단한 소재 블록에서 소재를 제거하여 부품을 만듭니다. 높은 정밀도와 대량 생산이 필요한 산업에서 흔히 사용되는 방식입니다.

적층 제조는 정반대의 방식을 취합니다. 디지털 설계를 바탕으로 필요한 곳에만 소재를 더해 부품을 층층이 쌓습니다. 따라서 효율성이 높고 폐기물이 줄어들며 기존 방식으로 구현하기 어려운 복잡하고 맞춤화된 설계를 제작할 수 있습니다.

AM이 제조업을 변화시키는 이유#

적층 생산이 빠르게 도입되는 주요 이유 중 하나는 제품 개발을 앞당기고 폐기물을 줄이는 능력입니다. 디지털 설계에서 바로 부품을 제작하면 제조업체는 개념 단계에서 프로토타입까지 빠르게 진행할 수 있습니다.

또한 AM은 효율적입니다. 기존 제조 공정과 비교해 재료를 효율적으로 사용하고 폐기물을 최대 90%까지 줄입니다. 더불어 대량 맞춤 생산이 가능하며, 금형을 다시 제작하는 데 드는 비용이나 지연 없이 단일 부품 또는 고유한 부품을 더 쉽게 생산할 수 있습니다.

이러한 장점으로 제품을 어디서 어떻게 제조하는지가 달라지고 있습니다. 적층 제조 공정은 생산을 현지화하여 중앙 집중식 공장과 긴 공급망에 대한 의존도를 낮출 수 있습니다. 빠른 처리 시간, 정밀도, 적응성이 중요한 항공우주, 의료, 자동차 등의 산업에서 특히 큰 영향을 미칩니다.

주요 적층 제조 공정#

적층 제조에는 하나 이상의 공정이 포함됩니다. 적층 제조는 3D 프린팅과 관련된 여러 기술을 아우르는 포괄적인 용어입니다. 각 유형은 서로 다른 재료와 방법을 사용합니다.

다음은 다양한 적층 제조 기술의 일반적인 예입니다.

• 용융 적층 모델링(FDM): FDM은 가장 일반적인 적층 3D 프린팅 방식 중 하나입니다. 플라스틱 필라멘트를 가열한 뒤 층층이 쌓아 부품을 만듭니다. 비용이 저렴하고 사용하기 쉬워 신속한 프로토타입 제작에 적합하지만, 세부 표현이나 높은 강도가 필요한 용도에는 최선의 선택이 아닙니다.
• 선택적 레이저 소결(SLS): SLS는 레이저를 사용해 보통 나일론과 같은 분말 재료를 융합하여 견고한 부품을 만듭니다. 복잡한 형상의 강도 높은 기능성 부품을 제작하는 데 적합하며, 서포트 구조가 필요하지 않습니다. 표면이 다소 거칠 수 있어 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
• 광경화성 수지 조형(SLA): SLA는 자외선(UV) 레이저를 사용해 액체 수지 층을 경화하여 매우 세밀한 부품을 만듭니다. 정확도가 높고 표면 마감이 매끄러운 것으로 알려져 의료, 치과, 디자인 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 재료가 대체로 잘 부서지기 때문에 전시용이나 가벼운 용도의 제품에 더 적합합니다.
• 바인더 분사: 바인더 분사는 분말층에 결합액을 층층이 분사하여 부품을 만듭니다. 빠르고 확장성이 뛰어난 공정으로, 주조용 금형이나 장식품 제작에 자주 사용됩니다.
• 재료 분사: 이 방식은 액체 재료의 방울을 표면에 분사한 뒤 UV 광으로 경화합니다. 표면이 매끄럽고 세부 표현이 뛰어난 풀컬러 부품을 만들 수 있지만, 재료의 강도가 기능성 용도에 충분하지 않습니다. 전시용 모델이나 의료용 가이드 제작에 가장 적합합니다.
• 직접 에너지 증착(DED): DED는 금속 와이어나 분말을 레이저와 같은 집중 에너지원에 공급하고, 재료가 적용되는 동안 녹이는 방식입니다. 대형 금속 부품을 수리하거나 기능을 추가하는 데 흔히 사용되며, 특히 항공우주 및 중공업 분야에서 활용됩니다. 다른 금속 프린팅 방식보다 정밀도는 낮지만 대규모 작업에 적합합니다.

그림 2. 주요 적층 제조 공정 살펴보기. (출처)

산업별 AM의 주요 활용 사례#

적층 제조의 작동 방식에 대해 살펴보았으니, 이제 다양한 산업에서 혁신과 효율성을 높이기 위해 적층 제조를 활용하는 사례를 알아보겠습니다.

예를 들어 항공우주 분야에서는 적층 제조 공정을 사용해 강도와 안전성을 유지하면서 연료 소비를 줄이는 경량 구조 부품을 생산합니다. 마찬가지로 의료 분야에서는 적층 제조를 통해 환자 개개인에게 맞춤화된 임플란트, 보철물, 수술 가이드를 제작하여 치료 결과와 편안함을 모두 향상합니다.

3D 프린팅이 발전을 이끌고 있는 또 다른 분야는 자동차 산업입니다. 제조업체는 적층 제조 기술을 활용해 신속한 프로토타입 제작, 기능 테스트, 공구 및 교체 부품의 소량 생산을 수행합니다. 한편 소비재 분야에서는 여러 브랜드가 기존 금형 없이 맞춤형 제품과 한정판 제품을 제공하기 위해 적층 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.

지금까지 살펴본 사례는 모두 비교적 작은 규모였지만, 적층 제조는 건설과 건축 같은 대규모 응용 분야에도 영향을 미치고 있습니다. 이 분야에서는 산업용 적층 제조 장비를 사용해 콘크리트와 같은 재료를 층층이 쌓아 구조 부품은 물론 집 전체를 건설합니다. 이러한 접근 방식은 건설 시간을 크게 단축하고 재료 낭비를 줄이며 인건비를 낮출 수 있습니다.

그림 3. 건설 분야에 적용된 적층 3D 프린팅 사례. (출처)

적층 제조의 혁신과 미래 트렌드#

적층 제조 기술이 계속 발전하면서 새로운 트렌드가 가능성의 범위를 넓히고 있습니다.

흥미로운 사례로는 최적화된 부품 형상을 만드는 AI 기반 생성 설계가 있습니다. 적층 방식과 전통적인 방식을 결합한 하이브리드 제조 기법도 가공의 정밀성과 3D 프린팅의 창의적 자유를 함께 제공하기 때문에 주목받고 있습니다. 에너지 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하기 위한 새로운 재료와 공정을 개발하는 등 지속가능성에도 관심이 커지고 있습니다.

동시에 적층 제조는 더욱 스마트해지고 있습니다. 적층 제조 기술이 디지털 트윈, 사물 인터넷(IoT), 스마트 팩토리와 통합되면서 연결성과 지능화 수준이 높아지고 있습니다. 실제로 AM은 인더스트리 4.0을 구현하는 핵심 요소로 여겨지며, 적응력과 데이터 활용도 및 효율성이 향상된 제조 시스템을 지원합니다.

적층 제조의 장점#

다음은 다양한 산업에서 적층 3D 프린팅이 제공하는 주요 이점을 간략히 살펴본 내용입니다.

• 폐기물 및 에너지 사용 감소: 적층 제조 공정은 필요한 곳에만 재료를 추가하므로 자투리 재료를 크게 줄이며, 기존 방식보다 에너지를 적게 사용하는 경우가 많습니다.
• 경량화 가능성: 3D 프린팅을 사용하면 강도를 희생하지 않으면서 부품의 무게를 줄이는 복잡한 내부 구조를 만들 수 있습니다.
• 부품 통합: 복잡한 어셈블리를 단일 부품으로 프린팅하면 여러 구성 요소와 체결 부품의 필요성 및 조립 시간을 줄일 수 있습니다.

적층 제조의 과제#

3D 프린팅은 많은 장점을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 한계도 있습니다. 적층 제조의 주요 과제는 다음과 같습니다.

• 제한적인 재료 선택: 모든 재료가 모든 3D 프린팅 공정에 적합한 것은 아니므로 일부 응용 분야가 제한될 수 있습니다.
• 속도와 규모 간의 절충: 3D 프린팅은 프로토타입과 소량 생산에 적합하지만, 대규모 생산에는 속도가 느리고 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 후처리 필요성: 많은 부품은 세척, 경화, 마감과 같은 추가 공정이 필요하며, 이로 인해 시간과 노동력 및 비용이 증가합니다.

컴퓨터 비전으로 적층 제조 향상하기#

기계가 이미지를 이해하고 분석할 수 있도록 하는 AI 분야인 컴퓨터 비전과 같은 기술은 3D 프린팅의 여러 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 비전 AI를 사용하면 제조업체가 프린팅을 실시간으로 모니터링하고, 조기에 결함을 감지하며, 전반적인 정확도를 높일 수 있습니다.

제조업의 AI와 결합하면 컴퓨터 비전은 예측 유지보수와 공정 자동화도 지원합니다. 예를 들어 결함이나 재료 불일치가 감지되면 프린팅 작업을 자동으로 일시 중지하여 폐기물을 줄이고 제작 실패를 방지할 수 있습니다.

그림 4. 실시간으로 3D 프린팅 층의 결함을 분석하는 컴퓨터 비전 활용 사례. (출처)

핵심 요점#

전 세계 산업 현장에서는 복잡한 부품을 더 빠르게, 폐기물은 줄이고 설계 자유도는 높여 생산하기 위해 적층 제조 기술을 도입하고 있습니다. 기존 제조 방식과 비교해 이러한 적층 제조 공정은 더 스마트하고 지속가능한 솔루션을 제공합니다. 더 많은 제조업체가 3D 프린팅과 적층 제조의 가능성을 탐색하면서 생산의 미래는 더욱 유연하고 효율적이며 혁신적으로 변화하고 있습니다.

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