제품을 제작하는데 있어서 소요되는 시간과 비용의 절감은 모든 생산자들에게 주어진 하나의 과제입니다.

 

많은 제조 방식이 이에 도전장을 내밀었지만 가장 마지막에 웃은 것은 역시 3D 프린팅 기술이었습니다. 무려 생산 소요 기간을 95%나 단축하는데 성공한 것인데요, 자세한 내용을 함께 확인해 보시겠습니다.

 

 

 

 

 

주조 방식이라는 단어를 들었을 때 가장 먼저 떠오르는 것은 아무래도 용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어 형상을 만드는 방식을 것입니다. 이 방식은 약 5,000년에 달하는 긴 역사를 가진 근본 중에 근본입니다. 지난 세기 동안에 인류가 발전했듯 왁스 패턴을 태워 제조한 후 세라믹 금형에서 금속 부품을 만드는 기존 정밀 주조 방식도 어느 정도 발전을 거듭하였습니다. 

 

하지만 아무리 발전을 했다고 해도 필요한 툴링 제작은 여전히 기대치 만큼 속도를 내지 못했고 천문학적인 비용도 요구되는 게 문제였습니다. 아래 사진을 참고하시면 이해가 빠를 것입니다. 본격적인 생산에 들어가는 과정만 약 8 주에서 12 주가 소요됐고 그것도 경제적인 여건도 뒷받침되어야만 가능한 이야기였죠.

 

 

 

 

 

 

 

하지만 3D 프린터가 세상에 등장한 후 여러 산업에서 활용되기 시작하면서 정밀 주조 분야에도 커다란 변화의 바람을 일으켰습니다. 3D 프린팅 기술이라는 나비의 작은 날개짓이 정밀 주조 산업에 큰 태풍을 야기한 건데요, 실제로 8 주에서 12 주 가량 소요되던 시간이 약 95% 단축되어 2-3일 만에 본격적인 생산에 들어갈 수 있게 되었습니다. 그 예시로 Vaupell이라는 회사 이야기를 공유해 드리겠습니다.

 

Vaupell은 약 70년 동안 항공 우주 구성품과 서브어셈블리를 납품해온 공급 업체이자 3D 프린팅 분야에서 20년 넘게 종사한 베테랑 기업입니다. 그들은 3D Systems의 정밀 주조용 SLA(광조형) 프린터를 이용하여 매우 복잡한 부품을 빠르게, 저렴하게 제작하여 공급할 수 있었습니다. 전통적인 방식과 비교했을 때 소요되는 비용과 시간을 대폭 단축했으며 품질 향상도 이루어냈습니다. 또한 항공 우주 시장은 복잡한 형상을 가진 부품을 소량만 요구하기 때문에 다품종 소량 생산이라는 강점을 지닌 3D 프린팅 기술은 너무나도 적합했죠.

 

 

 

 

 

 

위 부품 사진을 통해 조금 더 구체적으로 설명을 드리겠습니다. 위 부품은 26인치라는 직경을 가지고 있습니다. 해당 부품을 왁스 도구로 제작한다면 시간이 어느 정도 소요될까요? 적게는 수개월에서 많게는 1년 이상입니다. 그만큼 비용도 많이 발생되고 인력도 필요하겠죠.

 

하지만 3D Systems의 SLA 3D 프린터를 사용한다면 이야기가 달라집니다. SLA 3D 프린터는 대용량 출력이라는 강점을 바탕으로 대형 부품을 출력하거나 크기가 조금 작은 부품을 다수 출력할 수 있고 물론 이 과정에서 뛰어난 유연성과 속도가 뒷받침 됩니다. Vaupell은 이 장비를 활용하여 위 부품을 2-3일 만에 제작할 수 있었습니다.

 

실제 담당자의 이야기를 들어보겠습니다. Vaupell의 담당자는 "SLA 3D 프린터 장비는 대형 플랫폼 제작에 있어 여타 장비와 비교할 수 없는 강점을 가지고 있다" 라고 언급했습니다. 아울러 "빌드 사이즈가 작은 3D 프린터였다면 2회에 걸쳐 출력해야 했을 대형 부품이 단 한 번 만으로 제작이 됐고 그에 따라 소요 기간과 인건비 절약에 큰 도움을 주었다" 라며 덧붙였습니다.

 

 

 

 

 

 

3D 프린터를 생산 공정에 도입한 후 Vaupell에게는 어떤 변화가 생겼을까요?

 

3D Systems의 SLA 장비 도입 이후 Vaupell은 해당 장비의 정교성에 힘입어 복잡한 형상도 쉽게 제작할 수 있었고 덕분에 항공우주 산업 고객들의 디테일한 니즈를 만족시킬 수 있었다고 밝혔습니다. SLA는 높은 정밀도와 정확한 공차, 그리고 대형 프린트 베드를 가지고 있습니다. 또한 레진의 마감 처리 역시 굉장히 우수하기 때문에 출력 이후 후처리 시간 단축에도 효과적이며 큰 빌드 사이즈를 가지기 때문에 2개를 하나로 합치는 작업이 불필요합니다.

 

 

 

 

 

 

혹자는 정밀 주조 시장이 앞으로 두 가지 비즈니스 요건을 갖춰야 한다고 말합니다.

 

하나는 어떤 방법으로든 툴링이 불가능한 부품에 사용할 주조 개발이고, 나머지 하나는 너무 복잡해서 생산에 적합한 금형을 제작하는데 수년이 걸리는 부품에 사용될 수 있는 주조 개발입니다.

 

 

 

 

 

 

눈치 채셨겠지만 이 두 요건을 가장 잘 충족할 수 있는 것은 역시 3D 프린팅입니다. 항공우주 산업에 종사하는 회사들은 3D 프린팅 기술을 통해 복잡한 형상도 쉽게 설계할 수 있으며 어셈블리를 구성하는 부품 수를 줄여 중량을 낮추는 동시에 강도와 내구성은 그대로 유지하거나 심지어는 높일 수도 있다고 말합니다.

 

앞서 언급했듯 시간도 대폭 감소시킬 수 있죠. Vaupell의 관계자는 "SLA 3D 프린터의 속도에 힘입어 고객들에게 빠른 속도로 부품을 납품할 수 있게 되었다. 고객이 생산 또는 원형 제작 도구를 설계해 제작한 후 테스트하여 온라인으로 가져오기 한참 전에 요청한 부품을 공급하고 있다" 라고 설명했습니다.

 

 

 

 

 

 

해당 회사의 한 프로젝트를 예를 들면 SLA 3D 프린터를 활용하여 복잡한 정밀 주조 패턴을 개발한 후 부품을 생산했더니 불과 2.5일 만에 부품 20개를 생산할 수 있고 매월 120개까지 빠르게 확장할 수 있었다고 합니다. 이를 통해 고객과의 계약을 성공적으로 끝냈으며 고객사의 비용 절감에도 큰 도움을 주었습니다. Vaupell은 1년을 통틀어 보았을 때 2~3가지 패턴을 한 달에 150개까지 생산하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

SLA 3D 프린터가 왁스 툴링을 압도할 수 있었던 원동력은 어디에 있을까요? 다양한 요소가 작용했겠지만 아무래도 가장 큰 이유는 금속에 적층되는 왁스의 수축은 계산하지 않고 금속 수축만 계산해도 된다는 것입니다. 또한 패턴이 정확하여 왁스 툴링과 비교했을 때도 더욱 정밀한 공차를 유지할 수 있다는 장점도 있죠.

 

아울러 실수를 두려워 하지 않아도 된다는 점도 주목해야 할 부분입니다. 전통적인 생산 방식은 패턴에서 실수가 발생하거나 예상한 것보다 성능이 좋지 않다면 상사 혹은 고객사의 쓴 소리를 들었어야 하거니와 막대한 시간, 비용을 다시 쏟아야 하기에 담당자에게 부담이 많이 됐습니다. 하지만 3D 프린터를 사용한다면 그저 새로운 패턴을 디자인한 후 다시 출력해서 확인하는 과정을 반복하며 최고의 결과 값을 얻어내면 되기에 문제가 되지 않습니다.

 

기존 정밀 주조 회사들 대부분이 원형 제작 비즈니스를 중단했다는 사실만 봐도 알 수 있을 것입니다.

 

 

 

 

 

 

기존 왁스 금형을 사용한 반복적 설계 원형 제작은 경제적인 관점에서 보았을 때 바람직하지 않습니다. 하지만 SLA는 반복 설계에 매우 적합하여 부품 개발과 프로세스 개발을 모두 지원합니다.

3D프린팅 초기에는 정밀 주조에 대한 관심이 주로 사용 가능한 소재의 품질과 속성에 집중되어 있었습니다. 하지만 이러한 관심은 Accura CastPro Free 같은 소재가 출시되면서 사라졌습니다.

CastPro Free는 폴리카보네이트와 유사한 투명 소재로 중금속이 전혀 없습니다. 정확도도 매우 높아서 안정적이고 품질 높은 정밀 주조 패턴을 제작하는 데 적합합니다.

CastPro Free는 기존에 출시된 레진과 비교했을 때 연소 후 잔류 회분이 적어서 후처리 시간이 줄어드는 동시에 품질을 높일 수 있습니다.

관계자는 "레진이 완전 연소가 되지 않으면 고객에게 문제가 생깁니다. 완전 연소와 연소 청청도가 CastPro Free의 품질에 절대적인 역할을 하는 이유도 여기에 있습니다."라고 강조했습니다.

가구 제작 산업에서 적층 제조 방식은 무한에 가까운 맞춤화 설계를 가능하게 했고 디자인의 유연성 및 지속성을 향상시켰기에 가구 제작 산업의 전반적인 패러다임에 혁신적인 변화를 가져다주었습니다. 다양한 3D 프린팅 기술 중 펠렛 압출 방식은 상대적으로 큰 빌드 사이즈, 빠른 속도, 적절한 비용이라는 특장점을 가지고 있었습니다. 이러한 특징은 3D 프린팅 기술을 통해 실제로 사용되는 가구를 제작할 수 있게 하였고 여러 기업의 선택을 받게 되었습니다.

 

 

 

최근 디자인 스튜디오 Slicelab은 3D Systems의 Applications Innovation Group (AIG) 팀과 협업하여 프로젝트를 수행했습니다. 해당 프로젝트는 증기와 연기에서 영감을 얻은 디자인을 라운지 의자와 램프에 적용하여 생산해 내는 것이었습니다. 이번 활용 사례에서는 펠렛 압출 3D 프린터였기에 가능했던 독창적인 두 가구의 설계부터 제작까지, 그 전반적인 과정을 살펴봅니다.

 

 

 

"우리는 독창적인 디자인이 가능하다는 장점과 친환경적인 요소에 이끌려 3D 프린터를 선택하게 되었습니다. 이를 통해 기하학적 설계의 한계를 뛰어넘을 수 있었고 더 많은 사람들에게 적층 제조의 장점을 전파할 수 있었습니다."-Arthur Azoulai, Slicelab 공동 창립자

 

 

 

Slicelab에서 디자인한 램프. EXT 1270 Titan 펠렛 프린터를 활용하여 PETG 펠렛 소재로 제작

 

 

배경

 

3D 프린팅 기술이 등장하기 이전에는 가구 디자이너와 제조사들이 독창적이고 맞춤화된 가구를 제작하는데 종종 어려움을 겪었습니다. 전통적인 가구 제작 방식은 광범위한 도구 활용을 요구했고 시제품을 만드는데 많은 시간을 필요로 했습니다. 물론 복잡한 형상의 가구를 제작하는 것은 매우 비싼 비용이 발생했고 아예 제작이 불가능한 경우도 빈번했습니다. 펠렛 압출 3D 프린터는 Slicelab과 같은 창의적인 기업들에게 이런 고전적인 문제들을 해결할 수 있는 실마리를 제공해 주었습니다.

 

Slicelab의 공동 설립자인 Arthur Azoulai와 Diego Taccioli는 3D 프린팅이라는 선진적인 제조 방식을 활용하여 독창적인 가구와 제품 설계를 진행합니다. 그들은 의자와 램프 등 가구를 하나의 완전체로 출력할 수 있다는 점과 빠른 제작 속도, 광범위한 재료 범위라는 특징에 매료되어 대형 펠렛 압출 3D 프린터를 선택했다고 설명했습니다.

 

 

 

Slicelab에서 디자인한 라운지 의자. EXT 1270 Titan 펠렛 프린터를 활용하여 PETG 펠렛 소재로 제작

 

 

 

3D 프린터를 활용한 가구 제작: 고정 관념을 뛰어넘는 설계

 

미적인 요소와 기능적인 측면을 동시에 만족하는 것은 결코 쉽지 않았습니다. Slicelab은 그들이 제작하는 의자가 친환경적이길 바랐고 시중에서 판매되는 전형적인 의자, 더 나아가 3D 프린터로 출력된 의자들과도 차별화되길 원했습니다.

 

"시중에 있는 대부분의 3D 프린터로 제작된 의자는 적층 제조 기술의 장점을 충분히 활용하지 못했습니다. 다른 제조사들은 의자를 Y 축에 기반하여 출력을 했습니다. 즉, 의자를 옆으로 뒤집어서 프로필 압출을 한 것이죠" -Azoulai

 

Slidelab은 달랐습니다. 그들은 의자의 앞면을 밑으로 향하게 하여 빌드 플랫폼과 접촉시켰습니다. 이는 전반적인 형태 구상에 있어 더 큰 자유도를 선사해 주었습니다. 또한 출력이 제한될 수 있는 과도한 돌출부는 피해야 했기 때문에 창의적인 사고를 강제했습니다. 물론 적층 제조 방식으로 제작된 다른 실사용 용도 부품들과 마찬가지로 의자의 내구성 및 기능성을 모두 갖추어야 했고, 의자에 가해지는 무게를 효과적으로 지탱할 수 있어야 했습니다.

 

"우리는 설계를 반복하며 3D Systems의 AIG 팀과 긴밀히 협업을 이어갔습니다. 만족스러운 제품을 제작하기 위해 전체적인 구조를 고려하며 출력할 수 있는 한계치까지 디자인을 거듭 수정했습니다. 3D Systems AIG 팀이 있었기에 우리는 디자인적 아름다움과 무거운 무게를 지탱할 수 있는 내구성을 갖춘 제품을 성공적으로 설계할 수 있었습니다." -Taccioli

 

 

 

 

 

 

결과

 

• 반복 설계를 통해 두 번째 스팀 라운지 의자가 출력되었습니다. 그것은 편안했고 튼튼했으며 독특했습니다. Slicelab의 이 의자는 유명 고객사의 관심을 끌기에 충분했고 갤러리에서도 좋은 호응을 얻어낼 수 있었습니다.
• 3D Systems의 AIG 팀은 Slicelab이 설계 과정에서 맞닥뜨릴 수 있는 위험 요소들을 사전에 차단했고 적층 제조 기술을 100% 활용할 수 있도록 최선을 다해 도왔습니다. 스팀 의자의 혁신적인 디자인은 디자이너와 AIG 팀의 협업이 있었기에 가능했습니다. 그들의 협업을 통해 Slicelab은 출력 가능한 한계치 내에서 완벽한 기능성과 아름다움을 갖춘 제품을 설계할 수 있었습니다.
• Titan 3D 프린터는 큰 빌드 사이즈를 가지고 있기 때문에 맞춤형 가구 제작 산업과 환상의 궁합을 보여줍니다. 조명과 인력의 수요를 줄이는 믿음직한 Lights-out 제조 공정과 빠른 속도, 뛰어난 내구성을 제공하는 펠렛 압출 기술을 지금 바로 만나보세요.

Duo Form은 열성형 시장의 선두 기업으로서 다양한 산업에 서비스를 제공하고 있습니다. 최근 Duo Form은 3D Systems의 폴리머 펠렛 압출 적층 제조 기술을 활용하여 생산성을 크게 끌어올렸습니다. 구체적으로 적층 제조 기술을 생산 공정에 적용하여 열성형 및 진공 성형 용도의 금형, 공구, 샘플 파트를 신속히 제작할 수 있었다고 설명했습니다. Duo Form은 이 시점에도 3D Systems의 Titan 3D프린터를 통해 비용 절감과 소요 시간 단축이라는 두 마리 토끼를 전부 잡고 있습니다.

 

 

 

"Titan 3D프린터는 우리의 사업 확장에 큰 도움을 주었습니다. 부품, 금형, 성형 부품 제작에 소요되는 시간을 대폭 단축시켰기 때문에 우리는 경쟁사보다 앞서 나갈 수 있었습니다." -David Rheinheimer, Duo Form 제품 개발 매니저

 

 

 

고충: 생산 공정에 소요되는 시간, 투자되는 비용, 지연되는 기한.

 

경쟁이 치열한 플라스틱 열성형 시장에서 Duo Form은 고객의 만족과 사업 확장을 위해 제조 공정 혁신, 소요 시간 단축, 비용 절감을 추구하고 있습니다. 이 과정에서 가장 중요한 부분은 금형의 퀄리티와 내구성을 확보하는 것입니다. Duo Form과 같은 열성형 기업들이 마주한 과제는 시간과 비용의 절감만이 아닙니다. 그들은 반복 설계를 통해 신속한 혁신을 이루어내야 하고 고객의 일정에 맞추어 실물 크기의 시제품을 만들어야 합니다.

 

 

 

 

 

 

솔루션: 적층 제조 기술을 활용하여 금형을 제작한다.

Duo Form은 현재 세라믹 혹은 금속 금형을 생산하던 기존 CNC 방식에서 벗어나 폴리머 펠렛 압출 Titan 3D프린터를 열성형 금형 제작에 활용하고 있습니다. 본 장비는 사출 성형 등 방식에 공통적으로 사용되는 열가소성 펠렛을 사용하는 것이 특징으로 기존 FDM 필라멘트보다 비용이 최대 10배 가량 저렴합니다. 또한 필라멘트를 활용하는 3D프린터보다 최대 10배 빠른 출력 속도를 지원하여 시간 대비 높은 처리량을 보입니다.

3D Systems와 Duo Form은 열성형 금형 제작에 이상적인 유리 충전(glass-filled) 폴리카보네이트 펠렛 등급을 찾아냈습니다. 이는 합리적인 가격에 쉽게 구입할 수 있으며 열성형 공정을 견딜 수 있는 뛰어난 내구성과 정확성이 큰 특징입니다. Duo Form은 3D Systems의 경험, 지식을 바탕으로 최적의 결과물을 출력하고 있습니다.

 

 

 

 

 

적층 제조 기술을 통한 혁신과 반복 설계

 

적층 제조 기술을 생산 공정에 통합한 후 Duo Form은 금형 제작 과정을 한 단계 더 발전시킬 수 있었습니다. 해당 산업의 선두 주자로서 Duo Form은 Titan 3D프린터를 활용하여 신속히 최종 부품의 샘플 파트를 출력하고 본격 생산 전에 고객에게 보여줍니다. Duo Form은 금형 설계 적합도를 확인하기 위해 직접적으로 부품 샘플을 출력하는 것이 실제 제작 전에 반복 설계를 보다 빠르게 할 수 있도록 도왔고 최종적으로 소요되는 시간을 크게 단축했다고 설명했습니다.

 

 

 

 

 

 

결과: 명확한 비용 절약과 소요 시간 단축

 

Duo Form은 적층 제조 기술을 제조 공정에 도입한 이후 펠렛 압출 3D프린팅 기술의 속도에 힘입어 더 많은 계약을 체결할 수 있었고 이전보다 훨씬 빠르게 작업을 완료하게 되었다고 밝혔습니다. 그 예시로 Rheinheimer 매니저는 Duo Form이 고객에게 샘플 파트 견적을 내는 것부터 최종 납품까지의 전반적인 과정을 공유했습니다. 해당 고객은 Duo Form의 빠른 공정 속도와 생산 능력에 감탄했고 그 즉시 입찰을 승인해 주었습니다. 현재 3D Systems의 3D프린터는 Duo Form의 공정에 확실히 자리를 잡았고 고객에게 더 큰 부가 가치를 선사하고 있습니다.

Rheinheimer 매니저는 적층 제조가 주는 또 다른 이점에 대해 설명했습니다. 그는 적층 제조 기술을 통해 생산이 중단된 제품 데이터를 보관함으로써 향후 수요가 발생했을 시 특정 스페어 부품만 제조가 가능했고 이는 회사의 금형 보관에 큰 도움을 주었다고 덧붙였습니다. 즉, 이전 모델을 따로 저장하지 않고 데이터만 유지하여 필요한 시점에 3D프린터로 소량 출력할 수 있게 된 것입니다.

 

적층 제조는 전통적인 제조 공정을 보완할 수 있습니다. Duo Form이 대형 펠렛 압출 3D프린팅 기술을 생산 공정에 적용한 사례는 어떻게 적층 제조 기술과 전통적인 생산 방식이 함께 응용될 수 있을지 설명합니다. 서로 다른 두 방식이 만나 발생하는 빠른 제조 속도, 절감된 비용, 향상된 퀄리티라는 시너지 효과를 서둘러 누려보세요.

금속 3D 프린터 DMP를 재밌는 카드뉴스 형식으로 소개드립니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

의료기기 산업에서 3D 프린터가 어떻게 활용되고 있는지, 재밌게 카드뉴스로 알려드릴게요~