적층 제조와 기존 제조

소개

적층 제조(AM) 또는 3D 프린팅은 산업 전반에 걸쳐 전통적인 생산 방식을 혁신하는 획기적인 기술로 부상하고 있습니다. 재료를 층층이 쌓아 올려 복잡한 맞춤형 물체를 만드는 이 기술은 항공우주, 자동차, 의료, 소비재 등의 분야에서 제품을 설계, 프로토타입 제작, 제조하는 방식을 재편하고 있습니다.

이 글에서는 전통적인 제조 방식과 비교하여 이 혁신적인 기술의 공통적인 특징과 장점을 살펴보겠습니다. 이를 통해 3D 프린팅에 대해 더 잘 이해하고 비즈니스 또는 연구에 필요한 완벽한 재료를 얻을 수 있기를 바랍니다.

적층 제조란 무엇인가요?

적층 제조는 레이어별 구축 프로세스를 통해 3차원 물체를 제작하는 기술의 집합체입니다. 절단, 드릴링, 기계 가공과 같은 감산 공정을 포함하는 기존 제조 방식과 달리 적층 제조는 한 번에 한 층씩 물체를 추가하는 첨가제 공정입니다.

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그림 1. 3D 프린팅

적층 제조 공정의 일반적인 단계는 다음과 같습니다:

1. 설계: 적층 가공의 첫 번째 단계는 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 사용하여 물체의 디지털 3D 모델을 만드는 것입니다. 이 디지털 모델은 실제 물체의 청사진 역할을 합니다.

2. 준비: 디지털 모델을 얇은 단면 레이어로 슬라이스하여 프린팅할 수 있도록 준비합니다. 이 단계에서는 레이어 두께를 결정하고 AM 장비에 레이어별로 물체를 제작하는 방법에 대한 지침을 제공합니다.

3. 프린팅 프로세스: 3D 프린터가 레이어별로 물체를 제작하기 시작하면 프린팅 프로세스가 시작됩니다. 특정 적층 제조 기술에 따라 정확한 공정이 결정됩니다. 예를 들어, FDM(용융 증착 모델링)에서는 열가소성 소재의 필라멘트를 가열하여 빌드 플랫폼에 압출합니다.

4. 후처리: 프린팅이 완료된 후에는 원하는 최종 특성을 얻기 위해 지지 구조물 제거, 청소, 연마, 표면 처리 등의 후처리 단계를 거쳐 물체를 다듬어야 할 수 있습니다.

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그림 2. 적층 제조 프로세스

적층 제조와 기존 제조

기술이 발전함에 따라 적층 제조는 지속적으로 성장하고 있으며 기존 제조 방식에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다.

• 복잡한 형상: 적층 가공을 사용하면 기존 방식으로는 생산하기 어렵거나 불가능한 복잡한 내부 구조와 유기적 형상을 포함한 복잡한 패턴을 만들 수 있습니다.
• 커스터마이징: 기존 방식은 대량 생산에 적합한 반면, 3D 프린팅은 제품을 쉽게 맞춤화하고 개인화할 수 있습니다. 적층 가공을 사용하면 추가 툴링 비용이나 생산 지연 없이 각 품목을 특정 요구 사항에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다.
• 폐기물 감소: 적층 가공은 물체를 제작하는 데 필요한 만큼만 재료를 선택적으로 추가하기 때문에 폐기물을 최소화합니다. 따라서 재료 비용과 환경에 미치는 영향도 줄어듭니다.
• 간소화된 장비: 기존 제조 공정은 여러 단계를 거쳐 각각 다른 기계를 사용하는 경우가 많습니다. 하지만 적층 제조에서는 하나의 장비가 제작의 모든 과정을 처리합니다. 예를 들어 금속 가공에서는 완성된 금속 부품을 생산하기 위해 선삭, 밀링, 드릴링을 조합하여 사용하는 경우가 많습니다.
• 온디맨드 생산: 적층 가공은 분산형 주문형 생산을 가능하게 하여 대규모 재고의 필요성을 줄이고 현지화된 제조를 가능하게 합니다. 기업가 정신과 제품 개발의 장벽을 낮춰줍니다. 3D 프린터의 도움으로 기업은 전체 공장에 투자하는 대신 단일 장치에서 제품을 프로토타입으로 제작하고 생산할 수 있습니다.

적층 제조의 응용 분야

이러한 이점을 바탕으로 적층 제조는 항공우주, 자동차, 의료, 소비재, 건축 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 적층 제조는 다음과 같은 특징으로 제조업을 혁신하고 있습니다.

표 1. 적층 제조와 기존 제조 비교

결론

한 마디로 적층 제조와 기존 제조를 비교하면 각 접근 방식이 고유한 장점과 고려 사항을 제공하는 역동적인 환경을 알 수 있습니다. 3D 프린팅은 복잡한 형상, 맞춤형 기능, 신속한 프로토타이핑 및 재료 효율성을 통해 파괴적인 접근 방식을 도입했습니다. 전통적인 제조 방식은 오랫동안 대량 생산의 기반이 되어 왔습니다.

궁극적으로 적층 제조와 기존 제조 중 어떤 방식을 선택할지는 생산량, 설계의 복잡성, 재료 요구 사항, 시간 제약 등의 요인에 따라 달라집니다. 핵심은 각 접근 방식의 미묘한 차이를 이해하고 적층 제조의 혁신적 힘을 수용하는 데 있습니다. 적층 가공 재료 와 관련된 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials(SAM)를 참조하세요.

참고자료

[1] Thakur, Vishal & Singh, Roopkaran & Kumar, Ranvijay & Gehlot, Anita. (2022). 열 반응성 재료의 4D 프린팅: 최첨단 검토 및 향후 응용 분야. 인터랙티브 디자인 및 제조에 관한 국제 저널 (IJIDeM). 1-20. 10.1007/s12008-022-01018-5.