[제조 뉴스] 3D프린팅 양산을 위한 전제조건은?

3D 프린팅은 '시제품 생산에 적합하다'는 이미지는 쉽사리 바뀌지 않는 듯합니다. 일반적으로 제조업계에서 3D 프린팅은 프로토타입(시제품)을 신속하게 제작, 변형, 시험해보거나 일회성 부품을 제작할 때 주로 사용되어 왔습니다.

언제부턴가 이러한 고정관념이 서서히 깨지고 있습니다. 사람들이 3D 프린팅을 통한 양산 가능성에 주목하기 시작한 것입니다. 실제로 3D 프린팅은 사출성형과 달리 주형을 만드는 과정을 생략할 수 있어 경제적일뿐더러 디자인을 쉽게 바꿀 수 있어 주문형 제작이 가능하다는 점에서 양산을 위한 제조 기술로 서서히 각광받고 있습니다. 

물론 3D 프린팅을 이용한 양산이 가능하려면 전제조건이 있습니다. 무엇보다 프로토타이핑(Prototyping, 시제품 제작)이 아닌, 최종 단계의 제품을 생산(Production)하기 위해서는 3D 프린팅 공정이 자동화되어야만 합니다. 아래 사진에 등장하는 포드(Ford)사의 로봇을 이용한 3D 프린팅 과정 자동화 사례처럼 말이죠.

하지만 기술적 한계가 하나둘씩 극복되고, 특히 최근 공장 자동화(FA, Factory Automation) 열풍이 더해지면서 3D 프린팅을 자동화하여 양산에 적합한 기술로 전환하려는 시도가 본격적으로 일어나고 있습니다.

초기부터 시제품 제작에 집중한 3D프린팅

그동안 3D 프린팅이 시제품 제작에 주로 사용되었던 것은 3D 프린팅 기술이 도입 초기에 프로토타입 시장(시제품 제작 시장)에 집중하면서 독립형 기술로 성장했기 때문입니다. 이 경우 작업자는 기계 근처에서 작업하면서 인쇄기를 수동으로 작동시킵니다.

이러한 방식은 시제품 제작에는 적합하지만 똑같은 제품을 양산하는 데에는 적합하지 않습니다. 즉, 시제품 제작은 그 목적에 부합하기 위해 동일한 부품의 서로 다른 버전을 반복적으로 생산해냅니다. 각각의 부품은 조금씩 형태가 다를 수밖에 없습니다. 시제품 제작은 부품 설계를 최종 확정하기 위해 거치는 일종의 시험 생산 과정이기 때문입니다.

이에 반해 제품 생산은 부품을 빠르고 효율적으로 생산해야 할 뿐만 아니라 최소한의 균일한 퀄리티를 보장해야 한다는 점에서 시제품 생산과 아주 다릅니다.

하지만 최근까지도 대부분의 3D 프린터는 시제품 생산을 위한 운영 패러다임을 바탕으로 설계되었습니다. 제품 양산은 물론, 최고의 효율성을 목표로 하는 오늘날의 자동화 공장에는 더더욱 어울리지 않는 방식입니다.

양산에 적합한 새로운 시스템 구축해야

이와 같은 딜레마를 풀기 위해 다양한 해결법이 제시되어 왔지만, 3D 프린터 제조업체가 양산에 적합하도록 3D프린팅 기기를 완전히 새롭게 설계하는 극단적인 조치를 취한 경우는 거의 없었습니다. 대부분은 다양한 방식으로 기존 기기를 수정하거나 보완해왔습니다.

가장 일반적인 접근 방식은 제조 센터의 '백본 네트워크'(backbone or backbone network, 컴퓨터 네트워크의 일부로 정보를 교환하기 위한 경로를 제공)를 '플러그인(plug-in, 기존 중앙 컴퓨터에 부가 기능을 추가하는 행위)'함으로써 모든 시스템을 연결해 분석하고 실시간으로 제어할 수 있도록 해주는 것입니다.

또 다른 접근 방식은 대다수의 3D 프린팅에 필요한 수동 절차(완성된 인쇄물을 기기로부터 수집 혹은 채집하는 절차)를 제거하는 것입니다. 아이러니하게도 이를 위해서는 수작업, 즉 노동력이 필요합니다. 작업 과정의 효율성을 최대로 끌어올리기 위해선 이러한 공정이 사라져야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 시스템은 3D 프린팅에서 완료된 인쇄물을 자동으로 제거해주는 역할을 하는 것입니다.

인쇄물 제거, 후가공 등 자동화 시도

인쇄물 자동 제거(automatic removing process)는 분명 노동력을 절약하는 데 큰 역할을 합니다. 하지만 이 외에도 여전히 자동화가 필요한 공정들이 많습니다.

대표적으로, 거의 모든 부품은 프린팅 프로세스의 종류(3D 프린팅의 종류)와 요구되는 품질에 따라 다양한 유형의 후처리를 거쳐야 합니다. 부품은 페인팅, 코팅, 드릴링, 접착, 장착 및 기타 수많은 후가공을 필요로 합니다. 양산을 위해선 이러한 여러가지 공정들을 하나로 묶어서 전체 프로세스를 자동화하는 방법입니다.

실제로 미국 포드(Ford)는 제조 센터에 3D 프린터 작업을 도와주는 KUKA 로봇을 투입[사진 참고]해 인간의 역할을 성공적으로 대체했다는 평가를 받습니다. 이 로봇 시스템은 바퀴가 달려있어서, 동시에 여러 장치를 작동시킬 수 있으며, 추가적인 공정을 위해 부품들을 다른 워크스테이션으로 옮길 수도 있습니다.

물론, 양산에 필요한 모든 요구 사항을 해결할 수 있는 자동화된 3D 프린터를 구축하는 것은 현재로선 불가능합니다. 장기적인 접근이 필요한 문제입니다. 하지만 인간만큼이나 유연한 로봇 시스템을 개발하게 된다면, 거의 모든 제조 공정을 대체하여 현재의 자동화 이슈를 해결할 수 있게 될 것으로 전망됩니다.

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