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백소령 3D시스템즈 프린터 사업부 본부장[창간 8주년 특집]

3D프린팅, 어플리케이션 발굴·공정개발 통한 진화 중




4년 전부터 전 세계를 강타한 3D프린터의 ‘붐’을 시발점으로 많은 미디어와 정부 정책들이 ‘4차산업혁명’ 이라는 테마에 대한 도전의 구호를 외쳐왔다. 알파고와 이세돌의 글로벌 대국전을 통해 프린터를 향한 열정의 무게 중심이 BIG DATA, AI, 로봇으로 확장 이동을 하고 있고 중심 키워드 확장을 통해 여전히 4차 산업혁명의 담론들이 재생산 되고 있다,

선 캄브리아 시기 수많은 세포 종의 활성화로 5억4,200만년전 캄프리아 대폭발기에 엄청난 생명체들이 쏟아 졌던 것처럼 우리는 현재 새로운 산업혁명이라는 빅뱅을 위한 다양한 세포 기술들의 종 진화를 마주하고 있다. 3D프린터, 빅데이터, AI, 로봇 등은 단일 기술로 오랫동안 세포 종 수준의 형상 시제품 제작,정보화, 머신 러닝,부품과 공정 핸들링이라는 단일 작업을 진행해 왔지만, 오늘날 빠르게 진화하는 자연 생명체의 합리적 구조에 대한 이해, 소재 연구, 컴퓨터 연산 능력, 글로벌네트워크/SNS을 통한 최적의 생태 환경을 만나면서 융합의 과정을 통해 빅뱅을 위한 진화가 진행 중이다.

SLS 3D프린터와 TPU소재 기술을 이용한 뉴밸런스 주문자 맞춤형 미드솔 적층 제조
■적층가공을 통한 제조혁신-애플리케이션의 발굴과 공정개발로부터
분명한 건 산업 혁명이 하루 아침에 구호로 이루어 지지 않는다는 것이다. 융합과 진화 과정은 우리가 가진 기술을 ‘제조현장에서 어떻게 적용 및 활성화하는 지’에 대한 창의적이고도 면밀한 계획과 반복 검증을 통해 이루어 진다는 것이다.

3D 프린터의 특징을 이야기하는 △복잡한 형상 구현에 대한 자유도 △생산 및 소비 비용의 혁신성 △생산 모듈에 대한 유연성 △물류관리 및 이동의 혁신성 등을 어떻게 창의적으로 유용할 것인가에 따라 제조 혁신을 만나는 속도와 진폭은 상이 할 것이다. 이러한 기조 하에 3D시스템즈(3D SYSTEMS)는 ‘적층 제조 기술을 이용한 애플리케이션발굴 및 공정개발’의 중요성을 강조해 왔다.
유럽우주국의 인젝터를 3D시스템즈 DMP 자이로 5개 부품의 조립 및 용접 공정을 단일 적층했다. 이를 통해 최고의 밀도, 최적의 냉각/열관리/유압분사 설계를 통한 추진력 향상 효과가 나타났다.
■복잡한 형상 구현에 대한 자유도→제품의 심미성 및 기능성 향상
다양한 수학 연산 알고리즘을 통한 새로운 디자인 도전은 패션, 가구, 악세서리 디자이너에게는 경험하지 못한 새로운 디자인의 심미성과 더불어 효율적인 제품의 대한 도전의 기회를 제공한다.

나이키가 도전한 3D 프린팅 신발은 스포츠 과학분석에 기반한 운동선수들의 스포츠 역량 강화를, 뉴밸런스가 도전한 3D 프린팅 미드솔은 개인의 발 형상 및 압력 분포(Snow Flake) 분석에 따른 충격 흡수 및 보완의 기능을 강화하는 혁신을 구현했다.


디자인 자유성, 제품 기능 및 효율성 극대화

부품 단일화 및 생산공정 일원화 내구성↑·비용↓




3D시스템즈의 금속 프린터를 이용한 사이프, 에어벤트, 쿨링채널 일체형 타이어 금형
■생산 공정과 기능의 효율성 향상
누구나 잘 아는 GE 립엔진(LEAP ENGINE)의 연료노즐의 경우 기존제조 공법을 적층제조공법으로 전환하여 20개 부품을 단일 부품으로 설계하여 조립 공정을 제거하고, 중량을 25% 감소,내구성을 5배 강화하였다.

유럽 우주국(European Space Agency) 또한 금속 3D 프린팅 제조공정을 적용하여 5개 부품으로 조립 및 용접된 노즐을 설계 변형을 통해 한 개의 단일 부품, 단일 공정으로 생산 공정을 효율성을 추구하였다. 또한, 기존 공정대비 부품의 밀도 또한 99.98% 향상 했으며 특히,열 채널 및 냉각 채널 설계를 최적화하여 추진력을 대폭 향상했다.

적층가공 기술을 이용한 생산공정과 기능성 향상은 최종 부품 뿐만아니라 금형, 지그, 픽스쳐, 다양한 생산 툴 등 애플리케이션 분야에서도 다양하게 적용되고 있다.

금형 타이어의 경우, 자동차 쓰레드 패턴 제작을 위한 3차원 쓰레드를금형 베이스와 일체형으로 제작하여 추가 공정을 단축하였으며, 주형 과정 중에 발생하는 가스분출을 최적화하여 불량율을 최소화할 수 있도록 에어벤트 또한 일체형으로 가공하였다.
GE 브라켓 최적화 설계
■생산 및 소비 비용의 혁신성
3D 프린터의 경우 설계 변경을 통한 혁신적인 제품의 고부가 가치화가 가능할 뿐만 아니라 공정 연구에 따라 놀라운 생산 비용의 혁신을 구현 할 수 있다.

항공기 자동차의 브라켓과 같은 다양한 주물 제품의 경우,최적화 설계를 통해 제품 생산중 원소재의 소모 및 조립 용접 등의 추가적인 가공 공정 단축을 통한 생산 비용을 절감 할 수 있으며, 다양한 방식으로 경량화 및 구조 최적화 설계가 적용된 부품은 곧 소비 단계에서 연료 효율성향상을 통한 소비 비용의 혁신성을 구현하는 데 크게 기여하고 있다.


적층제조공정 구축, 全공정 기술적 이해 기반 必

99% 검증 노력과 도전 없이 제조혁신·4차 산업혁명 불가




위성 챔버 경량화 설계, 3D시스템즈 금속 프린터로 제작했다.
■생산 모듈에 대한 유연성
3D 프린터를 이용한 적층제조 공정은단일 생산 배치 내에서 즉,단일 빌드 플랫폼에 소프트웨어 의 제어를 통해 다양한 형상의 동시 생산을 지원하여 생산 모듈 변경에 유연하게 대처 할 수 있다. 이러한 특징으로 덴탈 및 정형 임플란트 등의 다양한 의료 보철물 양산을 위한 디지털 제조센터에 적층가공 스마트팩토리 구축을 통한 자동화 공정 구축이 진행되고 있다.

이러한 스마트 팩토리의 경험적 성공을 기반으로 연속 적층 프린팅 기술이라는 기술 혁신을 통해 프린팅 속도를 30- 50배 수준으로 향상하고, 로봇 융합 기술을 통해 부품/제품 양산과 후처리공정을 자동화하는 다이렉트 몰딩 시스템으로 진화하고 있다.

또한, 소재 교체를 위해 MJP(Multi Jet Printing)는 카트리지 교체를, SLA(Stereo Lithoggraphy Aperture Printing), SLS(Selective Laser Sinter Printing), DMP( Direct Metal Printing) 등의 생산급 프린터는 소재 교환 모듈을 지원한다. 또한, 고무, 투명,강성 플라스틱 소재를 소프트웨어 제어를 통해 적정 비율로 혼합 출력하는 멀티 머티리얼 MJP 프린터는 오버 몰드 부품의 단일 생산 또는 복합소재 부품의 단일 생산을 지원하기도 한다.
Figure4-3D 시스템즈의 모듈 확장형 연속적층 3D프린팅
■제조혁신, 4차 산업혁명 위한 노력과 도전 必
상기 적층 제조 사례에서 보듯이 3D프린터 기술을 이용한 애플리케이션의 발굴과 적층제조공정 수립을 위해서는 다양한 3D프린터와 소재 특성에 대한 이해와 함께 최적설계, 어셈블리, 가공방법, 표면처리 등을 아우르는 전 공정 대한 이해가 필수적이다.이 같은 이해를 기반으로 가공 공정을 재해석해 부품.제품의 고부가가치화와 생산효율성, 비용효율성 개선한 사례들이 항공, 의료, 생산툴, 기계부품 분야에서 제조 혁신이 진행되고 있다.

3D프린팅이 궁극적으로 적층제조공정으로 활성화되기 위해서는 기존 제조공정에 대한 이해를 기반으로 애플리케이션과 공정 개발을 최우선으로 면밀한 계획과 반복의 검증을 위해 부단히 도전해야 한다.이러한 부단한 현장 접목의 경험이 없이 우리에게는 제조의 혁신도,4차 산업 혁명이라는 구호도 공허한 메아리가 될 것이다.

또한 이를 위해서는 소재 기술, 적층가공 설계 소프트웨어, 정보통신기술(ICT)들이 축적된 다양한 제조 혁신들과 융합 할 때 세포종이 생명체로 진화하는 4차 산업혁명이라는 빅뱅과 조우가 가능 할 것이다.

우리에게 2차 산업혁명을 가져다 준 에디슨의 말처럼 ‘1% 의 영감과 99%의 노력’이 필요하다.즉,혁신이라는 것은 기술을 실제 제조 현장에서 어떻게 잘 적용할 것인가를 위한 경험적 계획에 기반한 99% 의 부단한 검증의 노력으로 이루어 진다는 점을 강조하고 우리 제조업의 많은 분들이 함께 공감과 도전을 해주기를 기대하면서 이글을 마무리한다.
Figure4-3D 시스템즈의 로봇 융합형 연속적층 3D프린팅 자동화 설비
단일 프린터에서 일괄 생산된 다중 소재 프린팅 사례들

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