새로운 혁명의 주인공, 금속 3D 프린터
[DK PLAY/트렌드] 2019.03.14 15:31


'4차 산업혁명...?!'


산업구조는 다양한 문화와 기술 발전으로 급격하게 변화하며 우리 삶에 많은 편리함을 가져다 주고 있는데요. 1차 산업혁명에서는 증기기관 발명, 2차는 전기 동력의 대량 생산, 3차는 컴퓨터 제어 자동화로 인해 산업혁명이 일어났죠. 그리고 현재는 4차 산업혁명으로 첨단 정보통신기술이라는 독자적 영역들이 서로 융합하여 새로운 기술을 탄생시키고 있습니다. 오늘은 그 핵심 기술 중 하나인 금속 3D 프린팅 기술에 대해 알아보려고 하는데요. 금속 3D 프린팅 솔루션은 다양한 형태로 개발 및 출시되어 기존 생산 환경의 한계를 벗어난 새로운 길을 제시하고 있습니다. 아직은 금속 3D 프린터가 조금은 생소하기도 한데요, 지금부터 금속에 따른 기술 방식과 활용 가능성에 대해 알아보도록 할게요!



3D 프린터란, 3차원 도면을 입력하여 3차원의 결과물을 '프린팅' 해내는 기계를 말합니다. 기존 프린터에서는 X·Y축의 도면, 즉 2차원의 평면에만 인쇄할 수 있었지만 3D 프린터에는 'Z축'이 존재하기 때문에 3차원의 입체적인 결과물을 프린팅 할 수 있는 것인데요. 이 Z축의 존재는 프린트기가 상하 운동을 하며 층을 겹겹이 쌓아 올릴 수 있게 만드는 3D 프린터의 핵심이라고 할 수 있습니다! 이때, Z축의 운동에 의해 쌓이는 얇은 층을 '레이어(Layer)'라고 부르고, 레이어가 얇을수록 더 정밀한 결과물을 얻을 수 있게 됩니다.



2차원 프린터에서는 '잉크'를 충전하거나 '빛'을 쬐어 인쇄했다면 금속 3D 프린터는 이름에서도 알 수 있듯이 '금속'이 바로 그 주인공인데요. 하지만 금속의 종류가 다양하고 재질도 모두 다르기 때문에 크게 두 가지의 기술 방식으로 금속 3D 프린팅이 진행된다고 합니다.



그 첫 번째는, PBF(Powder Bed Fusion) 방식입니다. PBF는 금속 '분말'을 인쇄 재료로 하여 인쇄하는 기술인데요. 분말로 된 재료를 '파우더 베드'라는 3D 프린터의 표면에 롤러를 이용하여 평평하게 깔고 그 위에 높은 에너지의 레이저를 쐬어주는 것입니다. 이 레이저는 '스캐너 시스템'이라는 장치에 의해 통제되면서 파우더 베드에 있는 재료를 선택적으로 쐬어주면서 굳히거나 녹여서 층을 쌓아 입체적인 모양의 인쇄 결과물을 만들어내죠. 이 방식은 복잡한 도면도 정밀하게 인쇄할 수 있다는 장점이 있고 동시에 생산성이 낮고 분말들이 일정하게 다듬어지지 않을 경우 제품의 강도가 낮아져 충격에 약하다는 단점도 가지고 있답니다.


두 번째는 DED(Directed Energy Deposition) 방식입니다. DED 방식의 재료는 우리가 흔히 알고 있는 딱딱한 고체의 금속 덩어리에요. 이 방식은 고출력의 레이저 빔을 금속 덩어리에 쬐어주어 순간적으로 녹는 부분을 만들어주고 동시에 새로운 금속 분말을 공급해 PBF 방식에서와 같이 새롭게 레이어를 쌓기도 하죠! DED 방식은 이렇게 기존 제품에 덧붙여 새롭게 레이어를 쌓을 수 있기 때문에 완성 후에도 보수가 가능하다는 장점이 있고, 분말을 추가할 때 여러 종류의 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제조하거나 기존의 성분과 다른 재질을 사용할 수 있다는 점에서 높은 생산성을 자랑한답니다.


이렇게 두 가지 방식의 장단점이 존재하기 때문에 상황에 맞게 사용되고 있지만, 최근에는 생산성이 높고, 주재료가 비교적 저렴한 DED 방식을 선호한다고 해요.



3D 프린터는 복잡한 구조도 섬세하게 제작할 수 있고 재료를 쌓아 올리는 작업을 하는 것이기 때문에 비싼 재료를 아낄 수도 있어요. 이러한 3D 프린터의 특징 덕분에 여러 산업에서 금속 3D 프린터에 대한 관심이 뜨거운데요. 특히, 로켓 발사체의 부품, 자동차 부품, 항공기 제작 산업에서 이미 3D 프린터를 활용하고 있거나 투자를 확대하고 있다고 합니다.



로켓 발사체 산업에서는 3D 프린터의 '쌓아 올리는' 기능을 통해 조립과정을 생략하는 것만으로도 산업 발전에 획기적인 영향을 끼칠 수 있는데요. 그 이유는 조립 과정에서 발생하는 '비용 증가와 조립 결과에 따라 품질이 결정되는 위험성'을 줄여줄 수 있기 때문이라고 합니다.


또한 같은 이유로 금속 3D 프린터의 이용이 시제품의 제작 과정부터 대량 부품을 생산하는 모든 과정인 '제품 개발 라이프 사이클' 비용을 효과적으로 줄여줄 수 있기 때문에 최근 자동차 회사들의 뜨거운 관심과 투자를 받고 있기도 하죠.



항공기 제작 산업에서는 현재 실제로 활용되어 3D 프린터의 능력을 확인받기도 했는데요! 글로벌 인프라 기업인 GE(제너럴 일렉트로닉)는 실제로 항공기 엔진의 35% 정도를 금속 3D 프린팅 기술로 제작하고 있습니다. 프로펠러를 통해 엔진 추진력을 얻는 터보트롭 항공기의 특정 엔진을 3D 프린팅을 활용하는 새로운 엔진 설계를 세운 후, 제작되었는데요. 기존에는 855개의 개별 부품이 필요했던 것을 12개의 부품으로 줄이고, 연료 소모를 20% 줄여 같은 등급의 다른 엔진들에 비해 10% 많은 출력을 제공합니다. 심지어 이 기술을 이용해 기존에 5년이 걸렸던 신제품 개발 기간을 2년으로, 3년이나 단축했다고 해요. 정말 대단하지 않나요?



이렇게 금속 3D 프린터는 새로운 아이디어에 대한 신속한 제품화와 각 소비자에게 맞춤형 생산을 제공할 수 있다는 점에서 전 세계적인 주목을 받고 있는데요. 작은 금속으로 시작해 위대한 영향력을 펼치고 있는 3D 금속 프린터! 앞으로도 금속에 변화무쌍한 모습 기대해 보겠습니다 :D


main