적층 제조 이해하기: 기술 및 활용 사례

적층 제조(AM)는 3D 프린팅이라고도 하며, 제품이 제작되는 방식을 바꾸고 있습니다. 기존 방식처럼 재료를 절단하거나 성형하는 대신, AM은 디지털 3D 모델을 사용해 물체를 한 층씩 쌓아 올립니다.

항공우주 및 의료부터 자동차와 소비재에 이르기까지 3D 프린팅과 적층 제조는 제조업체가 제품을 설계하고 제작하며 공급하는 방식을 재고하도록 지원하고 있습니다. 이 글에서는 적층 제조, 실제 활용 사례, 그리고 적층 제조의 발전에서 컴퓨터 비전이 담당하는 역할이 커지고 있는 이유를 자세히 살펴보겠습니다. 시작하겠습니다!

적층 제조란 무엇입니까?#

적층 제조는 3D 모델의 지시에 따라 재료를 한 층씩 적층하여 실물 객체를 만드는 디지털 제조 공정입니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일에서 시작해 모델을 얇은 단면으로 나눕니다. 이러한 단면 또는 레이어가 3D 프린터와 같은 장비를 안내하여 플라스틱, 레진 또는 금속과 같은 재료를 객체가 완성될 때까지 적층합니다.

적층 제조 기술을 사용하면 특수 공구 없이도 복잡한 형상, 경량 구조, 맞춤형 부품을 더 쉽게 제작할 수 있습니다. 또한 신속한 프로토타이핑을 지원하므로 팀이 설계를 더 빠르게 테스트하고 개선할 수 있으며, 주문형 생산도 가능합니다.

그림 1. 적층 제조에서는 부품을 한 층씩 쌓아 올립니다.

적층 제조와 절삭 제조 비교#

적층 3D 프린팅이 변화를 일으키는 이유를 살펴보기 전에, 기존의 절삭 제조와 간단히 비교해 보겠습니다.

절삭 제조는 드릴, 선반 또는 밀링 머신과 같은 공구를 사용해 단단한 블록에서 재료를 제거하여 부품을 만듭니다. 높은 정밀도와 대량 생산이 필요한 산업에서 일반적으로 사용되는 방식입니다.

적층 제조는 이와 반대되는 방식으로 작동합니다. 디지털 설계에서 시작해 필요한 부분에만 재료를 추가하면서 부품을 한 층씩 제작합니다. 따라서 효율성이 높고 폐기물이 줄어들며, 기존 방식으로는 구현하기 어려운 복잡하고 맞춤화된 설계를 제작할 수 있습니다.

AM이 제조업을 혁신하는 이유#

적층 생산이 빠르게 도입되는 주요 이유 중 하나는 제품 개발을 가속하고 폐기물을 줄일 수 있다는 점입니다. 제조업체는 디지털 설계에서 직접 부품을 제작하여 콘셉트에서 프로토타입까지 빠르게 진행할 수 있습니다.

또한 AM은 재료를 효율적으로 사용하며, 기존 제조 공정과 비교해 폐기물을 최대 90%까지 줄일 수 있습니다. 더 나아가 대량 맞춤화를 지원하며, 금형이나 공구를 다시 준비하는 데 드는 비용과 지연 없이 단일 부품 또는 고유한 부품을 더 쉽게 생산할 수 있습니다.

이러한 장점은 제품이 제작되는 방식과 장소의 변화를 이끌고 있습니다. 적층 제조 공정을 활용하면 생산을 현지화할 수 있어 중앙 집중식 공장과 긴 공급망에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다. 이는 빠른 처리, 정밀도, 적응성이 중요한 항공우주, 의료, 자동차와 같은 산업에서 특히 큰 영향을 미칩니다.

주요 적층 제조 공정#

적층 제조에는 하나 이상의 공정이 포함됩니다. 이는 3D 프린팅과 관련된 여러 기술을 포괄하는 일반적인 용어입니다. 각 세부 유형은 서로 다른 재료와 방식을 사용합니다.

다음은 다양한 적층 제조 기술의 일반적인 예입니다.

• 용융 적층 모델링(FDM): FDM은 가장 일반적인 적층 3D 프린팅 방식 중 하나입니다. 플라스틱 필라멘트를 가열한 후 한 층씩 적층하여 부품을 만듭니다. 가격이 저렴하고 사용하기 쉬워 신속한 프로토타입 제작에 적합하지만, 고정밀 또는 고강도 애플리케이션에는 최선의 선택이 아닙니다.
• 선택적 레이저 소결(SLS): SLS는 레이저를 사용해 일반적으로 나일론인 분말 재료를 융합하여 단단한 부품을 만듭니다. 복잡한 형상의 강하고 기능적인 부품을 제작하는 데 적합하며 지지 구조물이 필요하지 않습니다. 표면 마감이 다소 거칠 수 있으므로 후처리가 필요한 경우가 많습니다.
• 광조형(SLA): SLA는 자외선(UV) 레이저를 사용해 액체 레진 층을 경화하여 매우 정밀한 부품을 만듭니다. 정확도가 높고 매끄러운 마감을 제공하는 것으로 알려져 있어 의료, 치과, 디자인 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 재료가 취성인 경우가 많아 전시용 또는 가벼운 사용 용도에 더 적합합니다.
• 바인더 분사: 바인더 분사는 분말 베드에 결합액을 한 층씩 분사하여 부품을 형성합니다. 빠르고 확장성이 높은 공정으로, 주조용 금형이나 장식용 객체를 제작하는 데 자주 사용됩니다.
• 재료 분사: 이 방식은 액체 재료 방울을 표면에 분사한 후 UV 광으로 경화합니다. 표면이 매끄러운 고정밀 풀컬러 부품을 제작할 수 있지만, 재료가 기능성 사용에 필요한 만큼 강하지는 않습니다. 전시용 모델이나 의료용 가이드 제작에 가장 적합합니다.
• 직접 에너지 증착(DED): DED는 금속 와이어 또는 분말을 레이저와 같은 집중 에너지원에 공급하고, 적용되는 동안 재료를 녹이는 방식으로 작동합니다. 대형 금속 부품을 수리하거나 여기에 형상을 추가하는 데 일반적으로 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#

이제 적층 제조의 작동 방식을 더 잘 이해했으므로, 다양한 산업에서 혁신과 효율성을 높이기 위해 이를 어떻게 활용하는지 몇 가지 사례를 살펴보겠습니다.

예를 들어 항공우주 분야에서는 강도와 안전성을 유지하면서 연료 소비를 줄이는 경량 구조 부품을 생산하기 위해 적층 제조 공정을 사용합니다. 마찬가지로 의료 분야에서는 개별 환자에게 맞춘 맞춤형 임플란트, 보철물, 수술 가이드를 제작할 수 있어 치료 결과와 편의성이 모두 향상됩니다.

3D 프린팅으로 발전하고 있는 또 다른 분야는 자동차 산업입니다. 자동차 제조업체는 적층 제조 기술을 사용해 신속한 프로토타이핑, 기능 테스트, 그리고 공구와 교체 부품의 소량 생산을 수행합니다. 한편 소비재 분야에서는 다양한 브랜드가 기존 금형 없이도 개인 맞춤형 제품과 한정판 상품을 제공하기 위해 적층 3D 프린팅을 활용하고 있습니다.

지금까지 살펴본 사례는 모두 비교적 작은 규모였지만, 적층 제조는 건설과 건축 같은 대규모 애플리케이션에도 영향을 미치고 있습니다. 이 분야에서는 산업용 적층 제조 장비를 사용해 콘크리트와 같은 재료로 구조 부품은 물론 집 전체를 한 층씩 건설하고 있습니다. 이러한 방식은 건설 시간을 크게 단축하고, 재료 폐기물을 줄이며, 인건비를 낮출 수 있습니다.

그림 3. 건설에 적층 3D 프린팅을 사용하는 사례. (출처)

적층 제조의 혁신과 미래 동향#

적층 제조 기술이 계속 발전하면서 새로운 동향이 가능한 것의 범위를 넓히고 있습니다.

흥미로운 사례로는 최적화된 부품 형상을 생성하는 AI 기반 제너레이티브 디자인의 활용을 들 수 있습니다. 또한 적층 방식과 기존 방식을 결합한 하이브리드 제조 기술도 주목받고 있습니다. 이는 기계 가공의 정밀도와 3D 프린팅의 창의적 자유를 결합할 수 있기 때문입니다. 에너지 사용을 줄이고 폐기물을 최소화하는 새로운 재료와 공정을 중심으로 지속 가능성도 점점 더 중요한 관심사가 되고 있습니다.

동시에 적층 제조는 더욱 지능화되고 있습니다. 적층 제조 기술이 디지털 트윈, 사물 인터넷(IoT), 스마트 팩토리와 통합되면서 더욱 연결되고 지능적인 시스템으로 발전하고 있습니다. 실제로 AM은 더 적응성이 높고 데이터 기반이며 효율적인 제조 시스템을 지원하는 Industry 4.0의 핵심 enabler로 평가됩니다.

적층 제조의 장점#

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

• 폐기물 및 에너지 사용 감소: 필요한 부분에만 재료를 추가하므로 적층 제조 공정은 스크랩을 크게 줄이며, 기존 방식보다 에너지를 적게 사용하는 경우가 많습니다.
• 경량화 가능성: 3D 프린팅을 사용하면 강도를 유지하면서 부품 중량을 줄이는 복잡한 내부 구조를 제작할 수 있습니다.
• 부품 통합: 복잡한 어셈블리를 하나의 부품으로 프린팅할 수 있어 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. 다음은 적층 생산의 주요 과제 중 일부입니다.

• 제한적인 재료 가용성: 모든 재료가 모든 3D 프린팅 공정에 적합한 것은 아니므로 특정 애플리케이션이 제한될 수 있습니다.
• 속도와 규모 간의 상충 관계: 3D 프린팅은 프로토타입과 소량 생산에 적합하지만, 대규모 생산에서는 속도가 느리고 비용이 많이 들 수 있습니다.
• 후처리 요구 사항: 많은 부품에는 세척, 경화 또는 마감과 같은 추가 단계가 필요하며, 이로 인해 시간, 인력, 비용이 증가합니다.

컴퓨터 비전으로 적층 제조 향상#

기계가 이미지를 이해하고 분석할 수 있도록 하는 AI의 한 분야인 컴퓨터 비전과 같은 첨단 기술이 3D 프린팅의 일부 과제를 해결하는 데 기여하고 있습니다. Vision AI를 사용하면 제조업체가 프린팅을 실시간으로 모니터링하고 결함을 조기에 감지하며 전반적인 정확도를 개선할 수 있습니다.

제조 분야의 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 결함을 분석하기 위해 컴퓨터 비전으로 3D 프린팅 레이어를 분석하는 모습. (출처)

핵심 요점#

전 세계 산업에서 복잡한 부품을 더 빠르게, 더 적은 폐기물로, 더 큰 설계 자유도를 확보하며 생산하기 위해 적층 제조 기술을 도입하고 있습니다. 기존 제조 방식과 비교할 때 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 혁신적인 방향으로 나아가고 있습니다.

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