적층 제조 이해: 기술 및 사용 사례

3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조(AM)는 제품 생산 방식을 바꾸고 있습니다. 기존 방식처럼 재료를 자르거나 모양을 만드는 대신 AM은 디지털 3D 모델을 사용하여 레이어별로 객체를 구축합니다. 

항공우주 및 의료에서 자동차 및 소비재에 이르기까지 3D 프린팅 및 적층 제조는 제조업체가 제품을 설계, 구축 및 제공하는 방식을 재고하는 데 도움이 되고 있습니다. 이 기사에서는 적층 제조, 실제 응용 분야 및 적층 제조 발전에 있어 컴퓨터 비전의 역할 증가에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 시작해 보겠습니다!

적층 제조란 무엇입니까?

적층 제조는 3D 모델의 지침에 따라 재료를 레이어별로 증착하여 물리적 객체를 생성하는 데 사용되는 디지털 제작 공정입니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일로 시작하여 모델은 얇은 단면으로 나뉩니다. 이러한 단면 또는 레이어는 3D 프린터와 같은 기계를 안내하여 객체가 완성될 때까지 플라스틱, 수지 또는 금속과 같은 재료를 증착합니다.

적층 제조 기술을 통해 특수 도구 없이도 복잡한 형상, 경량 구조 및 맞춤형 부품을 더 쉽게 만들 수 있습니다. 또한 신속한 프로토타입 제작을 지원하여 팀이 설계를 더 빠르게 테스트하고 개선할 수 있으며 주문형 생산이 가능합니다.

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적층 제조 vs 절삭 제조

적층식 3D 프린팅이 왜 변화를 만들어내고 있는지 자세히 알아보기 전에, 기존의 절삭 가공 방식과 빠르게 비교해 보겠습니다. 

절삭 가공은 드릴, 선반 또는 밀과 같은 도구를 사용하여 고체 블록에서 재료를 제거하여 부품을 만듭니다. 이는 높은 정밀도와 대량 생산이 필요한 산업에서 일반적인 방법입니다.

적층 제조는 반대 접근 방식을 취합니다. 디지털 디자인에서 레이어별로 부품을 구축하여 필요한 곳에만 재료를 추가합니다. 따라서 효율성이 향상되고 낭비가 줄어들며 기존 방법으로는 달성하기 어려운 복잡하고 맞춤화된 디자인이 가능합니다.

AM이 제조 방식을 혁신하는 이유

적층 제조가 빠르게 채택되는 주요 이유 중 하나는 제품 개발 속도를 높이고 낭비를 줄이는 능력 때문입니다. 디지털 디자인에서 직접 부품을 제작함으로써 제조업체는 개념에서 프로토타입으로 빠르게 이동할 수 있습니다.

또한 AM은 재료 효율성이 뛰어나 기존 제조 공정에 비해 폐기물을 최대 90%까지 줄입니다. 또한 대량 맞춤화가 가능하며 재설계 비용이나 지연 없이 일회성 또는 고유한 부품을 더 쉽게 생산할 수 있습니다.

이러한 이점은 제품 생산 방식과 장소에 변화를 가져오고 있습니다. 적층 제조 공정을 통해 생산을 현지화하여 중앙 집중식 공장과 긴 공급망에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이는 빠른 처리 시간, 정밀성 및 적응성이 중요한 항공 우주, 의료 및 자동차와 같은 산업에서 특히 큰 영향을 미칩니다.

주요 적층 제조 공정

적층 제조는 하나 이상의 공정을 포함합니다. 이는 3D 프린팅과 관련된 기술 그룹에 대한 일반적인 용어입니다. 각 특정 유형은 서로 다른 재료와 방법을 사용합니다.

다음은 다양한 적층 제조 기술의 일반적인 예입니다.

• FDM(Fused Deposition Modeling): FDM은 가장 일반적인 적층식 3D 프린팅 방법 중 하나입니다. 플라스틱 필라멘트를 가열하여 층층이 쌓아 부품을 형성하는 방식으로 작동합니다. 저렴하고 사용하기 쉬워서 빠른 프로토타입 제작에 이상적이지만, 고정밀 또는 고강도 애플리케이션에는 최상의 선택이 아닙니다.
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• 선택적 레이저 소결(SLS): SLS는 레이저를 사용하여 분말 재료(일반적으로 나일론)를 융합하여 단단한 부품으로 만듭니다. 복잡한 모양의 강력하고 기능적인 구성 요소를 생산하는 데 적합하며 지지 구조가 필요하지 않습니다. 표면 마감이 약간 거칠 수 있으므로 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
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• 광조형 방식(SLA): SLA는 자외선(UV) 레이저를 사용하여 액체 수지 층을 경화시켜 매우 상세한 부품을 만듭니다. 정확하고 매끄러운 마감 처리를 제공하는 것으로 알려져 의료, 치과 및 디자인 분야에서 인기가 높습니다. 그러나 재료가 종종 부서지기 쉽고 디스플레이 또는 가벼운 용도에 더 적합합니다.
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• 바인더 분사: 바인더 분사는 분말 베드에 결합 액체를 층층이 분사하여 부품을 형성합니다. 빠르고 확장 가능한 공정으로, 주조 금형 또는 장식용 물건을 만드는 데 자주 사용됩니다.
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• 재료 분사: 이 방법은 액체 재료 방울을 표면에 분사하고 UV 광선으로 경화시킵니다. 매끄러운 마감 처리로 매우 상세한 풀 컬러 부품을 생산하지만 재료가 기능적으로 사용하기에 충분히 강력하지 않습니다. 디스플레이 모델 또는 의료 가이드에 가장 적합합니다.
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• 방향성 에너지 증착(DED): DED는 금속 와이어 또는 분말을 레이저와 같은 집중된 에너지원에 공급하여 재료를 적용하면서 녹이는 방식으로 작동합니다. 이는 일반적으로 특히 항공우주 및 중공업에서 대형 금속 부품을 수리하거나 기능을 추가하는 데 사용됩니다. 다른 금속 인쇄 방법보다 정밀도는 떨어지지만 대규모 작업에 적합합니다.

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산업별 AM의 영향력이 큰 사용 사례

이제 적층 제조의 작동 방식에 대한 이해도가 높아졌으므로 다양한 산업 분야에서 혁신과 효율성을 촉진하기 위해 어떻게 사용되고 있는지 몇 가지 예를 살펴보겠습니다. 

예를 들어, 항공우주 분야에서는 적층 제조 공정을 사용하여 연료 소비를 줄이면서 강도와 안전성을 유지하는 데 도움이 되는 경량 구조 부품을 생산합니다. 마찬가지로 의료 분야에서는 적층 생산을 통해 개별 환자에게 맞춤화된 맞춤형 임플란트, 보철 및 수술 가이드를 제작하여 결과와 편안함을 모두 개선할 수 있습니다. 

3D 프린팅으로 강화되고 있는 또 다른 분야는 자동차 산업으로, 제조업체는 쾌속 조형, 기능 테스트, 도구 및 교체 부품의 소량 생산을 위해 적층 제조 기술을 사용합니다. 한편, 소비재 분야에서는 다양한 브랜드가 기존 금형 없이도 개인 맞춤형 제품과 한정판 아이템을 제공하기 위해 적층 3D 프린팅을 사용하고 있습니다.

지금까지 논의한 모든 예는 더 작은 규모이지만, 적층 제조는 건설 및 건축과 같은 대규모 응용 분야에서도 영향을 미치고 있습니다. 이 분야에서는 산업용 적층 제조 기계가 콘크리트와 같은 재료를 사용하여 구조 부품, 심지어 전체 주택까지 층층이 건설하는 데 사용되고 있습니다. 이러한 접근 방식은 건설 시간을 크게 단축하고, 자재 낭비를 줄이며, 인건비를 낮출 수 있습니다. 

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적층 제조의 혁신과 미래 동향

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

흥미로운 예는 AI 기반 생성 디자인의 사용인데, 이는 최적화된 부품 형상을 생성합니다. 또한, 적층 제조와 전통적인 방법을 결합한 하이브리드 제조 기술은 가공의 정밀성과 3D 프린팅의 창의적인 자유를 결합하기 때문에 인기를 얻고 있습니다. 지속 가능성은 에너지 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하는 것을 목표로 하는 새로운 재료와 공정을 통해 또 다른 성장하는 초점입니다. 

동시에 적층 제조는 더욱 스마트해지고 있습니다. 적층 제조 기술이 디지털 트윈, 사물 인터넷(IoT) 및 스마트 팩토리와 통합되면서 연결성과 지능이 향상되고 있습니다. 실제로 AM은 더욱 적응적이고 데이터 기반의 효율적인 제조 시스템을 지원하는 인더스트리 4.0의 핵심 동력으로 간주됩니다.

적층 제조의 장점

다음은 적층식 3D 프린팅이 여러 산업 분야에 제공하는 주요 이점에 대한 간략한 개요입니다.

• 폐기물 및 에너지 사용 감소: 필요한 곳에만 재료를 추가함으로써 적층 제조 공정은 스크랩을 크게 줄이고 종종 기존 방법보다 적은 에너지를 사용합니다.
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• 경량화 가능성: 3D 프린팅은 강도를 희생하지 않고 부품 무게를 줄이는 복잡한 내부 구조를 가능하게 합니다.
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• 부품 통합: 복잡한 어셈블리를 단일 부품으로 인쇄하여 여러 구성 요소, 고정 장치 및 조립 시간을 줄일 수 있습니다.

적층 제조의 과제

3D 프린팅은 많은 장점을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 제한 사항도 있습니다. 다음은 적층 생산의 주요 과제 중 일부입니다.

• 제한적인 재료 가용성: 모든 재료가 모든 3D 프린팅 공정에 적합한 것은 아니므로 특정 응용 분야가 제한될 수 있습니다.
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• 속도 대 규모의 절충점: 3D 프린팅은 프로토타입 및 소량 배치에 적합하지만 대규모 생산에는 느리고 비용이 많이 들 수 있습니다.
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• 후처리 요구 사항: 많은 부품이 세척, 경화 또는 마감과 같은 추가 단계를 필요로 하며, 이로 인해 시간, 노동력 및 비용이 추가됩니다.

컴퓨터 비전으로 적층 제조 개선

컴퓨터 비전과 같은 최첨단 기술은 기계가 이미지를 이해하고 분석할 수 있도록 지원하는 AI의 한 분야로, 3D 프린팅의 몇 가지 과제를 해결하는 데 도움이 됩니다. Vision AI를 통해 제조업체는 실시간으로 인쇄물을 모니터링하고, 결함을 조기에 감지하고, 전반적인 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 

제조업의 AI와 결합하면 컴퓨터 비전은 예측 유지보수 및 프로세스 자동화도 지원합니다. 예를 들어, 결함이나 재료 불일치가 감지되면 인쇄 작업을 자동으로 일시 중지하여 낭비를 줄이고 빌드 실패를 방지할 수 있습니다.

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주요 내용

전 세계 산업 분야에서는 복잡한 부품을 더 빠르고, 폐기물을 줄이며, 더 큰 설계 자유도를 가지고 생산하기 위해 적층 제조 기술을 도입하고 있습니다. 기존 제조 방식에 비해 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 변모하고 있습니다.

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