적층 제조 이해하기: 기술 및 사용 사례

적층 제조(AM)는 3D 프린팅이라고도 하며 제품이 제작되는 방식을 바꾸고 있습니다. 전통적인 방식처럼 재료를 자르거나 성형하는 대신, AM은 디지털 3D 모델을 사용하여 층층이 레이어를 쌓아 객체를 만듭니다.

항공우주 및 의료 분야부터 자동차 및 소비재에 이르기까지, 3D 프린팅과 적층 제조는 제조업체가 제품을 설계, 구축 및 제공하는 방식을 재고하도록 돕고 있습니다. 이 글에서는 적층 제조, 실제 적용 사례, 그리고 적층 제조의 발전에 있어 컴퓨터 비전의 커지는 역할에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 시작해 보겠습니다!

적층 제조란 무엇인가요?#

3D 모델의 지침에 따라 재료를 층층이 쌓아 물리적 객체를 생성하는 데 사용되는 디지털 제조 프로세스입니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일에서 시작하여 모델이 얇은 단면으로 슬라이스됩니다. 이러한 단면 또는 레이어는 객체가 완성될 때까지 플라스틱, 레진 또는 금속과 같은 재료를 적층하도록 3D 프린터와 같은 장비를 안내합니다.

적층 제조 기술을 사용하면 특수 도구 없이도 복잡한 형상, 경량 구조 및 맞춤형 부품을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 또한 신속한 프로토타이핑을 지원하여 팀이 설정을 더 빠르게 테스트하고 개선할 수 있게 하며, 온디맨드 생산을 가능하게 합니다.

그림 1. 적층 제조에서 레이어별로 구축되는 부품.

적층 제조 vs 절삭 제조#

적층 3D 프린팅이 왜 차이를 만드는지 살펴보기 전에, 전통적인 절삭 제조와 비교해 보겠습니다.

절삭 제조는 드릴, 선반 또는 밀링과 같은 도구를 사용하여 고체 블록에서 재료를 제거함으로써 부품을 만듭니다. 이는 높은 정밀도와 대량 생산이 필요한 산업에서 흔히 사용하는 방식입니다.

적층 제조는 정반대의 접근 방식을 취합니다. 디지털 디자인을 기반으로 필요한 곳에만 재료를 추가하며 레이어별로 부품을 구축합니다. 이로 인해 더 효율적이고 낭비를 줄이며, 전통적인 방식으로는 달성하기 어려운 복잡하고 맞춤화된 디자인을 가능하게 합니다.

AM이 제조를 혁신하는 이유#

적층 생산이 빠르게 채택되는 핵심 이유 중 하나는 제품 개발 속도를 높이고 낭비를 줄이는 능력입니다. 디지털 디자인에서 직접 부품을 구축함으로써 제조업체는 개념 단계에서 프로토타입까지 신속하게 전환할 수 있습니다.

또한 AM은 재료 면에서 효율적이며, 전통적인 제조 공정에 비해 낭비를 최대 90%까지 줄입니다. 그뿐만 아니라 대량 맞춤 제작을 가능하게 하며, 재툴링 비용이나 지연 없이 단발성 또는 고유한 부품을 더 쉽게 생산할 수 있게 해줍니다.

이러한 장점들은 제품이 제작되는 방식과 장소의 변화를 이끌어내고 있습니다. 적층 제조 공정을 통해 생산을 현지화할 수 있으며, 중앙 집중식 공장 및 긴 공급망에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이는 빠른 처리 속도, 정밀성, 적응성이 매우 중요한 항공우주, 의료, 자동차와 같은 산업에서 특히 큰 영향을 미칩니다.

주요 적층 제조 공정#

적층 제조는 단 하나의 공정만 포함하지 않습니다. 이는 3D 프린팅과 관련된 기술 그룹을 일컫는 일반적인 용어입니다. 각 유형은 서로 다른 재료와 방법을 사용합니다.

다양한 적층 제조 기술의 일반적인 예는 다음과 같습니다:

• FFF/FDM(Fused Deposition Modeling): FDM은 가장 흔한 적층 3D 프린팅 방식 중 하나입니다. 플라스틱 필라멘트를 가열하고 레이어별로 쌓아 부품을 형성합니다. 비용이 저렴하고 사용하기 쉬워 신속한 프로토타입에 이상적이지만, 높은 디테일이나 고강도가 필요한 애플리케이션에는 최선의 선택이 아닐 수 있습니다.
• 선택적 레이저 소결(SLS): SLS는 레이저를 사용하여 일반적으로 나일론인 분말 재료를 고체 부품으로 융합합니다. 복잡한 형상을 가진 강력하고 기능적인 부품을 생산하는 데 뛰어나며 지지 구조물이 필요 없습니다. 표면 마감이 다소 거칠 수 있어 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
• 광경화 적층(SLA): SLA는 자외선(UV) 레이저를 활용하여 액체 수지의 레이어를 매우 상세한 부품으로 경화합니다. 정확도가 높고 표면이 매끄러운 것으로 알려져 있어 의료, 치과 및 디자인 애플리케이션에서 인기가 많습니다. 그러나 재료가 종종 깨지기 쉬워 전시용이나 가벼운 용도의 물품에 더 적합합니다.
• 바인더 제팅(Binder Jetting): 바인더 제팅은 분말 베드 위에 결합 액체를 레이어별로 분사하여 부품을 형성합니다. 빠르고 확장 가능한 공정으로, 주로 주조 몰드나 장식용 물체를 만드는 데 사용됩니다.
• 재료 제팅(Material Jetting): 이 방식은 액체 재료의 방울을 표면에 분사하고 UV 빛으로 경화합니다. 표면이 매끄러운 고해상도의 풀컬러 부품을 생산하지만, 재료가 기능적 용도로 사용하기에는 충분히 강하지 않습니다. 전시 모델이나 의료 가이드에 가장 적합합니다.
• 직접 에너지 증착(DED): DED는 금속 와이어나 분말을 레이저와 같은 집중된 에너지원에 공급하여 재료가 적용될 때 녹이는 방식으로 작동합니다. 특히 항공우주 및 중공업에서 대형 금속 부품을 수리하거나 기능을 추가하는 데 흔히 사용됩니다. 다른 금속 프린팅 방식보다 정밀도는 낮지만 대규모 작업에 훌륭합니다.

그림 2. 주요 적층 제조 공정 살펴보기. (출처)

산업별 AM의 고영향 사용 사례#

이제 적층 제조의 작동 방식을 더 잘 이해했으니, 혁신과 효율성을 추진하기 위해 다양한 산업에서 어떻게 사용되는지 몇 가지 사례를 살펴보겠습니다.

예를 들어, 항공우주 분야에서는 강도와 안전성을 유지하면서 연료 소비를 줄이는 데 도움이 되는 경량 구조 부품을 생산하기 위해 적층 제조 공정이 사용됩니다. 마찬가지로 헬스케어 분야에서는 적층 생산을 통해 개별 환자에 맞춤화된 맞춤형 임플란트, 보조기, 수술용 가이드를 제작할 수 있어 치료 결과와 편안함이 모두 향상됩니다.

3D 프린팅으로 강화되고 있는 또 다른 분야는 자동차 산업입니다. 제조업체는 신속한 프로토타이핑, 기능 테스트 및 도구와 교체 부품의 소량 생산을 위해 적층 제조 기술을 사용합니다. 한편 소비재 분야에서는 다양한 브랜드가 전통적인 몰드 없이 개인화된 제품과 한정판 아이템을 제공하기 위해 적층 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.

지금까지 논의한 모든 예시는 소규모이지만, 적층 제조는 건설 및 건축과 같은 대규모 응용 분야에서도 영향을 미치고 있습니다. 이 분야에서는 콘크리트 등의 재료를 사용하여 구조 부품뿐만 아니라 전체 주택까지 레이어별로 구축하기 위해 산업용 적층 제조 장비가 사용되고 있습니다. 이러한 접근 방식은 건설 시간을 크게 단축하고, 재료 낭비를 줄이며, 인건비를 낮출 수 있습니다.

그림 3. 건설에 사용되는 적층 3D 프린팅의 예. (출처)

적층 제조의 혁신과 미래 트렌드#

적층 제조 기술이 계속 진화함에 따라 새로운 트렌드가 가능성의 경계를 넓히고 있습니다.

흥미로운 예 중 하나는 최적화된 부품 형상을 생성하는 AI 기반 제너레이티브 디자인의 활용입니다. 또한 적층 방식과 전통적인 방식을 결합한 하이브리드 제조 기법은 가공의 정밀함과 3D 프린팅의 창의적 자유를 결합해주기 때문에 주목을 받고 있습니다. 지속 가능성 역시 에너지 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하는 것을 목표로 하는 새로운 소재 및 프로세스와 함께 점점 더 주목받는 초점이 되고 있습니다.

동시에 적층 제조는 더욱 스마트해지고 있습니다. 적층 제조 기술이 디지털 트윈, 사물 인터넷(IoT), 스마트 팩토리와 통합되면서 더욱 연결되고 지능화되고 있습니다. 실제로 AM은 더욱 적응력 있고 데이터 기반이며 효율적인 제조 시스템을 지원하는 인더스트리 4.0의 핵심 조력자로 간주됩니다.

적층 제조의 장점#

산업 전반에 걸쳐 적층 3D 프린팅이 제공하는 주요 이점을 간단히 요약하면 다음과 같습니다:

• 낭비 및 에너지 사용 감소: 필요한 곳에만 재료를 추가함으로써, 적층 제조 공정은 스크랩(폐기물)을 획기적으로 줄이며 전통적인 방식보다 에너지를 적게 사용하는 경우가 많습니다.
• 경량화 잠재력: 3D 프린팅은 강도를 희생하지 않고도 부품 무게를 줄일 수 있는 복잡한 내부 구조를 가능하게 합니다.
• 부품 통합: 복잡한 조립품을 단일 부품으로 인쇄할 수 있어 여러 구성 요소, 패스너 및 조립 시간의 필요성을 줄여줍니다.

적층 제조의 과제#

3D 프린팅은 많은 장점을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 제한 사항도 있습니다. 적층 생산의 주요 과제는 다음과 같습니다:

• 재료 가용성 제한: 모든 재료가 모든 3D 프린팅 공정에서 작동하는 것은 아니며, 이는 특정 애플리케이션을 제한할 수 있습니다.
• 속도와 규모의 트레이드오프: 3D 프린팅은 프로토타입과 소량 생산에는 훌륭하지만, 대규모 생산에는 느리고 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 후처리 요구 사항: 많은 부품이 세척, 경화 또는 마감과 같은 추가 단계를 필요로 하며, 이는 시간, 노동력 및 비용을 증가시킵니다.

컴퓨터 비전을 통한 적층 제조 강화#

기계가 이미지를 이해하고 분석할 수 있도록 지원하는 AI의 한 분야인 컴퓨터 비전과 같은 최첨단 기술은 3D 프린팅의 일부 과제를 해결하는 데 도움이 되고 있습니다. 비전 AI를 통해 제조업체는 실시간으로 출력을 모니터링하고, 결함을 조기에 감지하며, 전반적인 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

제조업에서의 AI와 결합될 때, 컴퓨터 비전은 예측 유지보수 및 프로세스 자동화도 지원합니다. 예를 들어, 결함이나 재료 불일치가 감지되면 인쇄 작업을 자동으로 일시 중지하여 낭비를 줄이고 실패한 빌드를 방지할 수 있습니다.

그림 4. 컴퓨터 비전을 사용하여 실시간으로 결함에 대한 3D 인쇄 레이어 분석. (출처)

핵심 요약#

전 세계 산업은 복잡한 부품을 더 빠르게, 적은 낭비로, 더 큰 디자인 자유를 가지고 생산하기 위해 적층 제조 기술을 수용하고 있습니다. 기존 제조 방식과 비교하여 이러한 적층 제조 공정은 더 스마트하고 지속 가능한 솔루션을 제공합니다. 더 많은 제조업체가 3D 프린팅과 적층 제조의 가능성을 탐색함에 따라, 생산의 미래는 더욱 유연하고 효율적이며 혁신적으로 변하고 있습니다.

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