기획특집: 3D 프린팅 기술 3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개 백 상 흠 (주)티모스 대표이사 Introduction of 3D Printing Technology & Applications Sangheum, Paek Thymos Inc., Gyeonggi-do 423-701, Korea Abstract: 3D 프린팅이 기존 제조업 형태를 변화시킬 차세대의 핵심적인 제조 기술로 부상하고 있는 가운데, 수많은 국내외 3D프린팅 제조업체들이 기술 개발에 총력을 기울이고 있다. 3D 프린터의 종류는 적층하는 방식 및 사용하는 소재에 따라 다르게 분류를 하고 있으며, 각각의 특징에 맞는 분야에서 적용되고 있다. 본 글에서는 다양한 활용 사례 를 통하여 3D 프린터가 향후 지향할 수 있는 분야는 어디인지 고려해 볼 수 있는 기회가 마련되기를 바란다. Keywords: 3D Printer, Rapid Prototype, FFF (FreeForm Fabrication), AM (Additive Manufacturing) 1. 서 론 기술 용어는 적층 가공(Additive Manufacturing)이다. 1) 최근 제조 분야의 미래 유망기술이자, 막대한 파급효과를 유발할 것으로 예상되는 3D 프린터에 대한 관심이 급증하고 있다. 이 글에서는 적층 방 식과 재료에 따른 다양한 3D 프린터 기술을 비교 분석하고, 3D 프린터 기술의 활용사례를 설명하 고자 한다. 1.1. 3D 프린팅이란 3D 프린터는 설계 데이터에 따라 액체, 파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공 적층 방식(Layer-by-layer)으로 쌓아 올려 제품을 제조하는 장비로서 3차원 CAD에 따라 생산코자 하는 형상을 레이저와 파우더 재료를 활용하 여 신속 조형하는 기술을 의미하는 RP (Rapid Prototyping)에서 유래하였다. 입체의 재료를 기 계가공 레이저를 이용하여 자르거나 깎는 방식 으로 제품을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로서 공식적인 Figure 1. Additive Manufacturing vs. Subtractive Manufacturing. 저자 (E-mail: tpaek@thymos.co.kr) 2 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개 Table 1. 3D 프린팅 기술 분류, ASTM 2012 기술 분류 기술 개요 소재 Process명 Material extrusion 필라멘트 소재를 노즐을 통하여 가소화시킨 후 압 출(Extrusion)시켜 형상 제조 Polymer (Thermoplastic) FDM, Personal 3D printer Material jetting 액상의 소재를 다수개의 미세노즐을 통해 분사한 후 경화시켜 형상 제조 Photopolymer Polyjet, MJM Binder jetting 액상 결합제를 다수개의 미세노즐을 통해 분사하 여 분말소재를 선택적으로 결합시켜 형상 제조 Plaster, Polymer, Metal, Ceramic 3DP, CJP Sheet lamination 판재형태의 소재를 원하는 단면으로 가공하고 접 착하여 형상 제조 Paper, Metal, Foam LOM, VLM Photo-polymerization 액상의 폴리머를 광에너지를 이용하여 선택적으 로 경화시켜 형상 제조 Photopolymer SLA, DLP Powder bed fusion 파우더 챔버 내에서 높은 열에너지원(레이저)을 이용하여 선택적으로 소결/용해시켜 형상 제조 Metal, Polymer, Ceramic powder SLS, DMLS Directed energy deposition 금속표면에 레이저를 조사하여 국부적으로 용해 된 Pool을 구성하고, 여기에 분말을 공급하여 형 상 제조 Metal powder LENS, DMT * 출처: 3D 프린팅 세미나 박 근 교수 (산업교육연구소, 2014년 8월) Figure 2. FDM Process. 3D 프린터는 적층 방식과 제품 제조에 활용 가 능한 재료에 따라 다양한 기술로 구분할 수 있다. 1.2. 3D 프린팅 방식에 따른 대표적인 기술 FDM (Fused Deposition Modeling) 필라멘트 타입의 재료를 용융헤드를 통하여 분 출시켜서 적층시키는 방식이다. 이 방식은 매우 간단한 구조를 가지고 있다. 헤드는 X, Y축으로 이동하고, 플레이트는 Z축으로 내려가면서 제품 이 적층된다. 미국 Stratasys사에서 최초로 개발되었고, 현재 개인용 3D 프린터에 가장 많이 사용되고 있는 방 식이다. 사용 재료는 주로 ABS를 사용하며, PC, PC-ABS, PPSF, ULTEM 등 고강도 엔지니어링을 사용할 수 있는 제품과 PLA와 같은 용융점이 낮 KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 3
기획특집: 3D 프린팅 기술 Figure 3. FDM Samples. Figure 4. 개인용 3D Printer. 은 재료는 인용 3D 프린터에 많이 사용이 되고 있 다. 가장 많은 제조사들이 적용하고 있는 기술이 기에 가장 보편적인 기술이라고 볼 수 있다. 높은 강도와 내열성을 가지고 있으나, 조형물의 표면이 비교적 거칠다. PolyJet 광경화성 액상 재료를 헤드를 통하여 분출하고, UV램프로 분사된 재료를 경화시켜서 제작하는 방식이다. 기본으로 사용하는 액상 재료는 아크릴 계열의 4 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015 재료이며, 가장 다양한 소재를 만들어 낼 수 있는 장점이 있다. 단일 재료로 경질의 재료와 연질의 재료가 있으며, 소재를 혼합하여 경도값이 다른 재료를 만들어 낸다. 일반적으로 낮은 레이어로 적층을 하기에 표면 조도가 매우 좋은 장점이 있다. 또한 연질의 재질 을 이용할 경우 다른 프로세스에서는 충분한 구현 이 불가능하기에 특별한 분야에 적용되어 사용하 기도 한다. 최근에는 컬러가 지원되는 재질이 출시되어 다양 한 색상 구현으로 다양한 분야에 적용이 되고 있다.
3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개 PolyJet Process PolyJet 방식 장비 Figure 5. PolyJet 방식 및 장비. Figure 6. PolyJet Samples. SLA (StereoLithography Apparatus) 액상 수지의 재료를 레이저를 사용하여 경화시 키는 방식이다. 최초의 3D 프린팅 기술이며, 전세 계적으로 가장 많이 사용되었던 방식이기도 하다. 별도의 서포트 재료를 사용하지 않고 미세형상 의 기둥이 써포트 역할을 한다. 또한 미세한 형상 의 구현이 매우 좋으며, Sharp Edge의 형상 구현 이 매우 좋다. 그러나, 고가의 장비와 레이저 유지 보수비의 이유로 최근에는 많이 보급이 되지 않고 있으며, 대형 장비 또는 특정 분야에서만 사용되고 있다. 다양한 아크릴 또는 아크릴 계열의 재료가 사용 되고 있으며, 이외에도 매우 다양한 소재가 출시 되고 있다. 그러나, 광경화성 재료의 한계로 인하 여 폭넓게 적용되지 않고 있다. SLS (Selective Laser Sintering) 분말 재료를 사용하고, CO2 Laser를 주사하여 제품을 제작하는 방식이다. 녹지 않는 분말재료가 써포트의 역할을 해준다. 나일론을 주 소재로 사용하기에 강성이 강하거 나 온도가 높은 특성이 있다. KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 5
기획특집: 3D 프린팅 기술 Figure 7. SLA Process. Figure 8. SLA Samples. Figure 9. SLS Process. 특히, 금속분말을 이용하여 사용하는 사례가 최 근에 늘어나고 있는 추세이다. 소결(Sintering) 방 식이 아닌 Direct Melting방식으로 금속 분말을 이 용하여 제작하기도 한다. 제작 속도가 빠르고, 대량 생산이 가능하기에 다품종 소량 생산에 직접 적용이 가능하다. 그러 나, 예열 작업과 냉각 과정을 반드시 거쳐야 하는 단점이 있으며, 표면이 다소 거칠고 치수의 안정 성면에서 일관성이 없다. 재료의 혼합율이 제품 품질에 많은 영향을 주기 도 한다. 미국의 3D Systems사와 독일의 EOS사가 이 방 식을 이용하여 장비를 제조하고 있다. InkJet 미국 MIT에서 최초로 개발되어 상용화 된 방식 Figure 10. SLS Samples. 이다. 잉크젯 프린터 헤드를 이용하여 제작된 방 식이다. 녹말, 석고, 모래 등의 분말 재료를 사용하 고, 프린터 헤드를 통하여 바인더를 분사시켜서 적층하는 방식이다. 최초의 컬러 지원이 가능했던 방식이며, 제작 속도가 매우 빠르다는 장점이 있다. 그러나, 제품 의 강도가 약해서 기능성 테스트를 하기에는 부적 합하며, 표면도 많이 거칠다. 디자인 컨셉으로 많 이 사용이 된다. 현재는 미국의 3D Systems사에서 판매하고 있다. DLP (Digital Lighting Process) 광경화성 액상 수지를 사용하며, 백만개 이상의 6 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개 Figure 11. InkJet Process.. Figure 13. DLP Process. Figure 12. InkJet Samples. 작은 거울이 반사하는 빛으로 광경화성 수지를 고 형화하는 방식이다. 뛰어난 미세형상 능력을 자랑 하나, 파트가 커질수록 해상도가 떨어지면서 치수 정밀도는 떨어진다. Casting 재료를 주로 사용하기에 보석, 치과용 보조재에 많이 사용한다. 독일의 Envisiontec에서 최초 개발하였으며, 현 재는 보급형 장비로도 많이 사용되고 있는 방식이 기도 하다. 1.3. 3D 프린팅 활용 사례 3D프린팅의 기술은 크게 4가지로 분류할 수 있다. 기존의 시제품 제작에 주력하던 사례에서 벗어나 최근에는 생산용 지그 또는 다품종 소량생산에 필요한 제품을 제작하는 사례까지 매우 다양해지고 있다. Figure 14. DLP Samples. 현재 현업에서는 어떻게 사용하고 있는지 다양 한 사례를 소개한다. Concept Modeling (개념 모델링) 현대 모비스는 자동차 IP (Instrument Panel)의 제작시 시제품을 제작한다. 제품의 조립시 발생할 수 있는 오류를 찾아내기 위해 제작하는 것이고, 기존의 방식으로는 파트가 복잡해 오류를 찾아내 는데 어려움이 있다. ABS재료를 사용하였으며, 1.4 m 범위에서 최대 오차가 0.75 mm로 매우 정 확한 제품을 제작하였다. 본 프로젝트를 통하여 KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 7
기획특집: 3D 프린팅 기술 Figure 15. 현대모비스 제작 사례. Figure 18. 한일이화 활용 사례. Figure 16. Polaris 활용 사례. Figure 19. 파커 하니핀 활용 사례. Figure 17. 디자인 모형 제작 사례(두산인프라코어). 총 27개의 디자인 오류를 발견하였으며, 검토 기 간도 단축하는 성과를 얻게 되었다. 레저용 자동차를 제작하는 Polaris는 기존에는 시제품 제작 없이 금형을 바로 제작하였다. 이 과 정은 빈번한 금형 수정이 필요했고, 이에 따르는 비용도 $60,000 정도로 많이 드는 편이었다. 금형 제작을 하기 전에 3번 이상의 디자인 수정 후 FDM방식으로 PC-ABS 제품을 제작하여 설계 검 증을 하고 난 후에 실제 금형 제작을 하게 되었다. 실제 파트 제작 비용은 $1,200에 지나지 않았으며, 개발 기간도 70일에서 2일로 대폭 줄어든 효과를 얻게 되었다. 전시용 모델을 제작한 사례이다. 1/10로 출소하 여 제작하였으며, 표면을 사상 처리하고 도장 처 리하여 모델을 제작한 사례이다. 디자인 컨셉의 과정에서 많이 사용하고 있는 사례이다. Figure 20. HJC 활용 사례. Functional Testing (기능성 테스트) 한일이화는 자동차 도어 부품을 제작하는 업체 이다. 현대자동차에서 짧은 개발 사이클을 원하고, 디자인 오류 수정 기간의 단축을 요함에 따라 다 양한 기능성 검토를 해야만 했다. 그래서 강성이 있는 ABS재료를 사용하여 본 테스트를 수행하게 되었다. 실제 사이즈로 파트를 제작하고 어셈블리 테스 8 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015
3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개 Figure 22. BMW사의 활용 사례. Figure 21. Robot Arm 적용 사례. 트, 기능성 테스트를 통해서 치수 조립성, 실용성 등을 바로 확인하고 수정하는 작업을 하였다. 5년 동안 3D 프린터의 사용으로 9억여 원의 절 감효과를 얻게 되었다. 테스트용 엔진에 직접 사용된 사례이다. 미국의 파커 하니핀에서는 테스트용 엔진 부품으로 시제 품 제작에 많은 어려움이 있었다. 시간은 많이 소 요가 되었고, 비용도 많이 들었다. FDM 방식의 PPSF재료를 사용하여 실제 연료 필터 하우징을 제작하여 시험하였다. 높은 온도와 디젤 연료에 잘 견디었을 뿐만 아니라. 비용적인 측면에서도 매우 만족한 결과를 얻었다. 홍진HJC에서 오토바이용 헬멧의 윈드 터널 테 스트를 한 사례이다. 기존에 CNC방식으로 하면, 비용과 시간이 많이 소모되었지만, ABS재료를 사 용하여 제작한 결과 비용 절감 및 개발 기간이 단 축되는 효과를 얻게 되었다. Manufacturing Tools (생산에 필요한 도구 제작) 생산 공장에서 양산시 로봇을 이용한 그립퍼의 사례이다. 기존의 제품은 진공 호스를 맨끝에 연 결하였으나, 내부 진공 채널 디자인으로 바꾸어서 효율을 높이게 되었다. 이런 디자인 고안으로 생 산 제품 형상에 따라서 로봇 팔의 형상과 크기를 다양하게 설계 및 제작할 수 있게 되었다. 독일의 BMW사에서는 다양한 형태의 Fixture 를 제작하여 실제 사용하고 있다. 인체 공학적 디 자인을 적용하여 업무에 편리성을 높이고 있다. 엠블럼을 부착하는 기구를 직접 제작하였다. 내부 를 벌집구조로 제작하여 무게를 금속 대비 72% 줄여 작업자의 부담을 줄여주기도 했다. 최근에 많이 사용되는 사례는 금형을 대신하여 Figure 23. Blow 금형 및 Pulp 금형 활용 사례. 제작하는 사례이다. 생산 금형에 바로 적용되는 것이 아니라, 시제 품 또는 금형의 성능을 체크하기 위한 방식으로 사용되는 사례이다. 펄프 금형은 물에 젖어 있는 종이를 재료로 다 시 재활용하는 방식이다. 포장재에 많이 적용되는 금형인데, 상부의 금형에 물이 빠져나가는 통로를 인위적으로 제작하여야 한다. 하지만 FDM방식으 로 제작할 경우, Sparce 기능을 활용하면 다공성 의 형상을 얻게 되어 물을 배출할 수 있는 기능이 바로 적용될 수가 있다. 또한, 블로우 금형 제작에도 적용이 가능하다. 열에 강한 PC재질을 사용하여 약 1,000개의 샘플 을 생산할 수 있다. 바이어에게 제출하거나, 내부 생산 조건을 잡기 위한 용도로 많이 사용된다. End-Use Products (다품종 소량생산) 제품의 종류가 다양해지면서 다품종 소량 생산 에 대한 요구가 급증하였다. 노르웨이 고급 요트 제작 업체인 NorSap은 연 간 요트를 100여 대 정도 생산하고 있다. 다양한 부품이 사용되고 있지만, 금형 제작으로 부품을 모두 보유하고 있는 것은 비효율적이라고 판단하 였다. 또한 설계의 변경으로 금형을 다시 수정해 야 하는 일도 증가하였다. 기존에 사용하던 부품의 일부를 3D 프린팅 파 트로 교체를 하였다. 내부에 들어가는 부품에 직 KIC News, Volume 18, No. 1, 2015 9
기획특집: 3D 프린팅 기술 Figure 24. NorSap의 활용 사례. 하지만, 3D 프린팅 산업이 주목받으며 성장가 도를 달리고 있는 만큼 역기능에 대한 우려의 목 소리도 크다. 가장 큰 이슈로 지적되고 있는 부분 이 지적재산권 침해와 안전성에 대한 문제다. 완 제품뿐만 아니라 세부 디자인까지 복제가 가능하 기에 지적재산권 침해 논란과 분쟁이 증가할 것으 로 우려된다. 앞으로 3D 프린팅 산업이 우리나라의 고부가가 치 신산업으로 성장 발전해 나가기 위해서는 이 같은 분쟁의 소지가 없도록 철저한 대비책 마련 및 관련 법, 제도를 개선이 필요하다. 누구나 손쉽게 사용할 수 있는 3D 프린터가 사 회에 이익이 되는 분야로 널리 이용될 수 있도록 활용되기를 필자는 간절히 바라는 바이다. 참 고 문 헌 Figure 25. DST Control 활용 사례. 접 사용하는 사례이다. DST Control에서는 헬기에 들어가는 부품의 하 우징을 직접 제작하여 장착하였다. 20여 개의 다 른 부품을 제작하였는데, 정밀도와 품질 기준에 적합하였고, 생산 기간이 단축 되었으며, 무게가 가벼워서 항공 연비에도 좋은 영향을 미쳤다. 본 프로젝트의 진행으로 66%의 비용 절약과 63%의 시간 절감 효과를 얻게 되었다. 1. Stratasys Case Study 자료. 2. 산업교육연구소 3D 프린팅 세미나 발표 자료 (2014. 8). 1.4. 3D 프린팅의 미래 시장조사업체 트랜스페어런시는 글로벌 3D 프 린팅 보고서에서 3D 프린팅 시장이 2013년 22억 달러에 불과했지만 2017년부터 2019년까지 연평 균 17%의 두 자릿수 성장률을 보일 것으로 예상 하고 있다. 3D 프린터는 지난해에 비해 2배 이상의 출하량 을 기록할 것으로 예상하고 있다. 기존 산업공정의 패러다임을 변화시켜 제조업 의 혁신을 가져올 수 있는 기술로서 세계적으로 빠른 성장세추세를 보이고 있다(Gartner, 2013). 백 상 흠 한국3D프린팅협회 회원 (주)티모스 대표이사 10 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015