3D 프린팅이라고도 불리는 적층 제조는 상업적으로 도입된 이후 거의 35년 동안 꾸준히 발전해 왔습니다. 항공우주, 자동차, 국방, 에너지, 운송, 의료, 치과, 소비재 산업 등 다양한 분야에서 적층 제조가 활용되고 있습니다.
이처럼 널리 채택되고 있는 상황에서 적층 제조가 만능 해결책이 아니라는 점은 분명합니다. ISO/ASTM 52900 용어 표준에 따르면 거의 모든 상업용 적층 제조 시스템은 7가지 공정 범주 중 하나에 속합니다. 여기에는 재료 압출(MEX), 배스 광중합(VPP), 분말 베드 융합(PBF), 바인더 분무(BJT), 재료 분무(MJT), 지향성 에너지 증착(DED), 시트 라미네이션(SHL)이 포함됩니다. 여기에서는 판매량을 기준으로 인기순으로 정렬했습니다.
엔지니어와 관리자를 포함한 점점 더 많은 업계 전문가들이 적층 제조가 제품이나 공정 개선에 도움이 될 수 있는 경우와 그렇지 않은 경우를 파악하고 있습니다. 역사적으로 적층 제조 도입을 위한 주요 계획은 해당 기술에 경험이 있는 엔지니어들이 주도해 왔습니다. 경영진은 적층 제조가 생산성 향상, 리드 타임 단축, 새로운 사업 기회 창출에 어떻게 기여하는지 더 많은 사례를 접하게 됩니다. 적층 제조는 대부분의 기존 제조 방식을 대체하지는 않겠지만, 기업가의 제품 개발 및 제조 역량 강화에 중요한 역할을 할 것입니다.
적층 제조는 미세유체공학부터 대규모 건설까지 광범위한 분야에 적용됩니다. 적층 제조의 이점은 산업, 용도 및 필요한 성능에 따라 다릅니다. 조직은 사용 사례와 관계없이 적층 제조를 구현해야 할 타당한 이유가 있어야 합니다. 가장 일반적인 목적은 개념 모델링, 설계 검증, 적합성 및 기능 검증입니다. 점점 더 많은 기업이 맞춤형 제품 개발을 포함하여 대량 생산을 위한 도구와 애플리케이션을 개발하는 데 적층 제조를 활용하고 있습니다.
항공우주 분야에서는 무게가 중요한 요소입니다. NASA 마셜 우주비행센터에 따르면 0.45kg의 탑재체를 지구 궤도에 올리는 데 약 1만 달러가 소요됩니다. 위성의 무게를 줄이면 발사 비용을 절감할 수 있습니다. 첨부된 이미지는 여러 개의 도파관을 하나의 부품으로 결합한 Swissto12 금속 AM 부품을 보여줍니다. AM을 사용하면 무게가 0.08kg 미만으로 줄어듭니다.
에너지 산업의 가치 사슬 전반에 걸쳐 적층 제조(AM)가 사용됩니다. 일부 기업의 경우, AM을 사용하는 사업적 이점은 프로젝트를 신속하게 반복하여 최단 시간 내에 최상의 제품을 만드는 것입니다. 석유 및 가스 산업에서는 손상된 부품이나 조립품으로 인해 시간당 수천 달러 이상의 생산성 손실이 발생할 수 있습니다. AM을 활용하여 운영을 복구하는 것은 특히 매력적일 수 있습니다.
DED 시스템 주요 제조업체인 MX3D가 파이프 수리 도구 시제품을 출시했습니다. MX3D에 따르면, 손상된 파이프라인은 하루에 10만 유로에서 100만 유로(미화 1억 1,315만 달러에서 1,131,570달러)의 비용이 발생할 수 있습니다. 다음 페이지에 나와 있는 고정구는 CNC 부품을 프레임으로 사용하고 DED를 사용하여 파이프 둘레를 용접합니다. AM은 최소한의 낭비로 높은 증착 속도를 제공하는 반면, CNC는 필요한 정밀도를 제공합니다.
2021년, 북해에 있는 토탈에너지(TotalEnergies) 석유 굴착 장치에 3D 프린팅 워터 케이싱이 설치되었습니다. 워터 재킷은 건설 중인 유정에서 탄화수소 회수를 제어하는 ​​데 사용되는 핵심 요소입니다. 이 경우, 적층 제조를 사용하면 기존 단조 워터 재킷 대비 리드 타임이 단축되고 배출량이 45% 감소하는 이점을 얻을 수 있습니다.
적층 제조의 또 다른 사업적 이점은 값비싼 툴링 비용 절감입니다. Phone Scope는 휴대폰 카메라를 망원경이나 현미경에 연결하는 장치용 디지스코핑 어댑터를 개발했습니다. 매년 새로운 휴대폰이 출시됨에 따라 기업들은 새로운 어댑터 제품군을 출시해야 합니다. 적층 제조를 활용하면 새 휴대폰 출시 시 교체해야 하는 값비싼 툴링 비용을 절감할 수 있습니다.
다른 공정이나 기술과 마찬가지로, 적층 제조는 새롭거나 다르다는 이유로 사용되어서는 안 됩니다. 이는 제품 개발 및/또는 제조 공정을 개선하기 위한 것이며, 가치를 창출해야 합니다. 다른 비즈니스 사례로는 맞춤형 제품 및 대량 맞춤 생산, 복잡한 기능, 통합 부품, 재료 및 무게 감소, 성능 향상 등이 있습니다.
AM이 성장 잠재력을 실현하려면 해결해야 할 과제가 있습니다. 대부분의 제조 분야에서 AM 공정은 신뢰성과 재현성이 보장되어야 합니다. 부품 및 지지대의 재료 제거와 후처리를 자동화하는 후속 조치가 도움이 될 것입니다. 자동화는 생산성을 높이고 부품당 비용을 절감합니다.
가장 큰 관심 분야 중 하나는 분말 제거 및 마무리와 같은 후처리 자동화입니다. 애플리케이션의 대량 생산 공정을 자동화함으로써 동일한 기술을 수천 번 반복할 수 있습니다. 문제는 특정 자동화 방식이 부품 유형, 크기, 재료 및 공정에 따라 달라질 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 자동화된 치과용 크라운의 후처리는 로켓 엔진 부품 가공과 매우 다르지만, 둘 다 금속으로 제작될 수 있습니다.
부품이 AM에 최적화되어 있기 때문에 더욱 진보된 기능과 내부 채널이 추가되는 경우가 많습니다. PBF(Physical BF)의 주요 목표는 분말을 100% 제거하는 것입니다. 솔루콘(Solukon)은 자동 분말 제거 시스템을 제조합니다. 이 회사는 빌드 플레이트에 부착된 금속 부품을 회전시키고 진동시키는 스마트 분말 회수(SRP)라는 기술을 개발했습니다. 회전과 진동은 부품의 CAD 모델에 의해 제어됩니다. 부품을 정밀하게 움직이고 흔들면 포집된 분말이 거의 액체처럼 흐릅니다. 이러한 자동화는 수작업을 줄이고 분말 제거의 신뢰성과 재현성을 향상시킬 수 있습니다.
수동 분말 제거의 문제점과 한계는 소량 생산에도 AM을 대량 생산에 활용하는 데 제약이 될 수 있습니다. 솔루콘(Solukon)의 금속 분말 제거 시스템은 불활성 분위기에서 작동하며, 사용하지 않은 분말을 수거하여 AM 장비에서 재사용할 수 있습니다. 솔루콘은 2021년 12월 고객 설문 조사를 실시하고 연구 결과를 발표했는데, 그 결과 가장 큰 우려 사항 두 가지는 직업 건강과 재현성이라는 것을 알 수 있었습니다.
PBF 수지 구조에서 파우더를 수동으로 제거하는 데는 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. DyeMansion과 PostProcess Technologies 같은 회사들은 파우더를 자동으로 제거하는 후처리 시스템을 개발하고 있습니다. 많은 적층 제조 부품을 시스템에 로드하면 매체를 뒤집어 배출하여 과도한 파우더를 제거할 수 있습니다. HP는 Jet Fusion 5200의 빌드 챔버에서 파우더를 20분 안에 제거하는 자체 시스템을 보유하고 있다고 합니다. 이 시스템은 녹지 않은 파우더를 별도의 용기에 보관하여 재사용 또는 다른 용도로 재활용할 수 있도록 합니다.
대부분의 후처리 단계에 자동화를 적용할 수 있다면 기업은 그 혜택을 누릴 수 있습니다. DyeMansion은 분말 제거, 표면 처리 및 도장 시스템을 제공합니다. PowerFuse S 시스템은 부품을 적재하고, 매끄러운 부품은 증기로 처리한 후 하역합니다. 또한, 부품을 걸기 위한 스테인리스 스틸 랙을 제공하며, 이 작업은 수작업으로 이루어집니다. PowerFuse S 시스템은 사출 금형과 유사한 표면을 구현할 수 있습니다.
업계가 직면한 가장 큰 과제는 자동화가 제공하는 실질적인 기회를 이해하는 것입니다. 백만 개의 폴리머 부품을 생산해야 하는 경우, 부품에 따라 다르겠지만 기존의 주조 또는 성형 공정이 최선의 해결책이 될 수 있습니다. AM은 공구 생산 및 테스트의 첫 번째 생산 단계에서 종종 활용됩니다. 자동화된 후처리를 통해 AM을 사용하여 수천 개의 부품을 안정적이고 재현성 있게 생산할 수 있지만, 부품별로 다르기 때문에 맞춤형 솔루션이 필요할 수 있습니다.
AM은 산업과는 아무런 관련이 없습니다. 많은 기업들이 제품과 서비스의 원활한 작동으로 이어질 수 있는 흥미로운 연구 개발 결과를 제시합니다. 항공우주 산업에서 Relativity Space는 독점 DED 기술을 사용하는 최대 규모의 금속 적층 제조 시스템 중 하나를 생산하고 있으며, 이 기술을 대부분의 로켓 제조에 활용하기를 기대하고 있습니다. Terran 1 로켓은 1,250kg의 탑재량을 지구 저궤도에 운반할 수 있습니다. Relativity는 2022년 중반에 시험용 로켓을 발사할 계획이며, 이미 Terran R이라는 더 크고 재사용 가능한 로켓을 개발하고 있습니다.
렐러티비티 스페이스(Relativity Space)의 테란 1호와 R 로켓은 미래 우주 비행의 모습을 새롭게 구상하는 혁신적인 방법입니다. 적층 제조를 위한 설계 및 최적화는 이 개발에 대한 관심을 불러일으켰습니다. 렐러티비티 스페이스는 이 방식이 기존 로켓에 비해 부품 수를 100분의 1로 줄인다고 주장합니다. 또한 원자재로 로켓을 60일 이내에 생산할 수 있다고 주장합니다. 이는 여러 부품을 하나로 통합하여 공급망을 크게 간소화하는 훌륭한 사례입니다.
치과 산업에서 적층 제조는 크라운, 브릿지, 수술용 드릴링 템플릿, 부분 틀니, 교정기 제작에 사용됩니다. Align Technology와 SmileDirectClub은 3D 프린팅을 사용하여 열성형 투명 플라스틱 교정기 부품을 생산합니다. Invisalign 브랜드 제품 제조업체인 Align Technology는 3D Systems의 교정기 용기에 다양한 광중합 시스템을 사용합니다. 2021년, 이 회사는 1998년 FDA 승인을 받은 이후 1천만 명 이상의 환자를 치료했다고 밝혔습니다. 일반적인 환자 치료가 교정기 10개로 구성되는 경우(이는 실제보다 적은 추정치임) 1억 개 이상의 AM 부품을 생산한 셈입니다. FRP 부품은 열경화성 소재이기 때문에 재활용이 어렵습니다. SmileDirectClub은 HP Multi Jet Fusion(MJF) 시스템을 사용하여 다른 용도로 재활용 가능한 열가소성 부품을 생산합니다.
VPP는 전통적으로 교정 장치용으로 사용할 수 있는 얇고 투명한 강도를 가진 부품을 생산하지 못했습니다. 2021년 LuxCreo와 Graphy는 가능한 해결책을 발표했습니다. 2월 현재 Graphy는 치과용 장치의 직접 3D 프린팅에 대한 FDA 승인을 받았습니다. 직접 프린팅할 경우, 전체 공정이 더 짧고, 더 쉬우며, 잠재적으로 비용도 절감되는 것으로 알려져 있습니다.
언론의 많은 관심을 받았던 초기 개발 사례 중 하나는 주택과 같은 대규모 건축 분야에 3D 프린팅을 적용한 것입니다. 주택의 벽은 압출 방식으로 제작되는 경우가 많았습니다. 바닥, 천장, 지붕, 계단, 문, 창문, 가전제품, 캐비닛, 조리대 등 다른 모든 부분은 전통적인 방식과 재료로 제작되었습니다. 3D 프린팅 벽은 전기, 조명, 배관, 덕트, 난방 및 냉방용 환풍구 설치 비용을 증가시킬 수 있습니다. 콘크리트 벽의 내외부 마감은 기존 벽 디자인보다 더 어렵습니다. 3D 프린팅 벽으로 주택을 현대화하는 것 또한 중요한 고려 사항입니다.
오크리지 국립연구소 연구원들은 3D 프린팅 벽에 에너지를 저장하는 방법을 연구하고 있습니다. 시공 중에 벽에 파이프를 삽입하면 물이 흐르면서 난방과 냉방이 가능해집니다. 이 연구개발 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다. 이 연구개발 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.이 연구 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.이 연구 프로젝트는 흥미롭고 혁신적이지만, 아직 개발 초기 단계에 있습니다.
우리 대부분은 아직 건축 자재나 기타 대형 물체를 3D 프린팅하는 것의 경제성에 대해 잘 알지 못합니다. 이 기술은 다리, 차양, 공원 벤치, 그리고 건물 및 야외 환경의 장식 요소 제작에 사용되었습니다. 소규모(몇 센티미터에서 몇 미터) 적층 제조의 이점은 대규모 3D 프린팅에도 적용될 수 있다고 여겨집니다. 적층 제조를 사용하면 복잡한 형상과 기능을 구현하고, 부품 수를 줄이고, 재료와 무게를 줄이며, 생산성을 높일 수 있습니다. 적층 제조가 가치를 창출하지 못한다면 그 유용성에 의문을 제기해야 합니다.
2021년 10월, Stratasys는 영국 산업용 잉크젯 프린터 제조업체 Xaar의 자회사인 Xaar 3D의 나머지 지분 55%를 인수했습니다. Stratasys의 선택적 흡수 융합(Selective Absorbion Fusion)이라고 불리는 폴리머 PBF 기술은 Xaar 잉크젯 프린트 헤드를 기반으로 합니다. Stratasys H350 프린터는 HP MJF 시스템과 경쟁합니다.
Desktop Metal 인수는 인상적이었습니다. 2021년 2월, Desktop Metal은 오랜 기간 산업용 적층 제조 시스템 제조업체였던 Envisiontec을 인수했습니다. 2021년 5월에는 유연한 VPP 폴리머 개발업체인 Adaptive3D를 인수했습니다. 2021년 7월에는 다중 재료 분체 도장 재도장 공정 개발업체인 Aerosint를 인수했습니다. 가장 큰 규모의 인수는 8월에 경쟁사인 ExOne을 5억 7,500만 달러에 인수한 것입니다.
데스크탑 메탈(Desktop Metal)이 ExOne을 인수함으로써 금속 BJT 시스템 분야의 두 유명 제조업체가 하나로 합쳐지게 되었습니다. 전반적으로 이 기술은 아직 많은 사람들이 생각하는 수준에 도달하지 못했습니다. 기업들은 반복성, 신뢰성, 그리고 문제 발생 시 근본 원인 파악 등의 문제를 지속적으로 해결하고 있습니다. 하지만 문제가 해결된다면 이 기술은 더 큰 시장에 진출할 여지가 여전히 있습니다. 2021년 7월, 자체 3D 프린팅 시스템을 사용하는 서비스 제공업체인 3DEO는 고객에게 100만 번째 제품을 공급했다고 밝혔습니다.
소프트웨어 및 클라우드 플랫폼 개발업체들은 적층 제조 산업에서 상당한 성장을 경험했습니다. 특히 AM 가치 사슬을 추적하는 성과 관리 시스템(MES) 분야에서 이러한 성장세가 두드러집니다. 3D Systems는 2021년 9월 Oqton을 1억 8천만 달러에 인수하기로 합의했습니다. 2017년에 설립된 Oqton은 워크플로우와 AM 효율성을 개선하는 클라우드 기반 솔루션을 제공합니다. Materialize는 2021년 11월 Link3D를 3,350만 달러에 인수했습니다. Oqton과 마찬가지로 Link3D의 클라우드 플랫폼은 작업을 추적하고 AM 워크플로우를 간소화합니다.
2021년 가장 최근의 인수 중 하나는 ASTM International이 Wohlers Associates를 인수한 것입니다. 두 회사는 Wohlers 브랜드를 활용하여 전 세계적으로 AM(적층형)의 광범위한 도입을 지원하기 위해 협력하고 있습니다. Wohlers Associates는 ASTM AM Center of Excellence를 통해 Wohlers 보고서 및 기타 간행물을 계속 제작하고 자문 서비스, 시장 분석 및 교육을 제공할 것입니다.
적층 제조 산업은 성숙기에 접어들었으며, 많은 산업에서 다양한 분야에 이 기술을 활용하고 있습니다. 하지만 3D 프린팅이 다른 대부분의 제조 방식을 대체하지는 않을 것입니다. 오히려 새로운 유형의 제품과 비즈니스 모델을 창출하는 데 활용될 것입니다. 기업들은 AM을 활용하여 부품 무게를 줄이고, 리드 타임과 금형 비용을 절감하며, 제품의 개인 맞춤화와 성능을 향상시킵니다. 적층 제조 산업은 새로운 기업, 제품, 서비스, 애플리케이션 및 사용 사례가 급속도로 등장하면서 앞으로도 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상됩니다.