적층제조(AM)는 일반적으로 산업용 3D 프린팅이라고도 불리며, 디지털 3D 모델을 기반으로 소재를 한 층씩 적층하여 3차원 물체를 제작하는 공정입니다. 이는 고체 블록에서 소재를 제거하는 절삭 방식과 달리, 3D 모델 데이터를 바탕으로 실제 부품을 층별로 제작하는 생산 공정의 집합을 의미합니다.

적층제조에는 ISO/ASTM 52900에서 정의한 7가지 공정 카테고리가 있으며, 본 콘텐츠에서는 이를 자세히 살펴봅니다. MX3D는 이 7가지 AM 카테고리 중 Arc DED를 활용하고 있으며, Metal AM M1 및 MX Systems에 적용된 로봇 WAAM 기술을 통해 2014년부터 에너지, 해양, 자동차, 방산, 아트 & 디자인, 건축 분야에 대형 금속 AM 부품을 공급해 왔습니다.

적층제조의 정의

적층제조(AM)는 3D 모델 데이터를 기반으로 실제 부품을 한 층씩 적층하여 제작하는 생산 공정의 집합을 의미합니다. 이는 고체 블록에서 소재를 깎아 형상을 만드는 절삭 방식과 대비되는 제조 방식입니다. AM은 ISO/ASTM 52900에 따라 표준화되어 있으며, 해당 표준에서는 7가지 공정 카테고리를 정의하고 있습니다. 이에 대해서는 이후 자세히 설명합니다.

“Additive(적층)”라는 용어는 소재를 제거하는 “Subtractive(절삭)” 방식과 달리, 소재를 추가해 나가는 제조 방식이라는 점을 강조하기 위해 사용됩니다. 일반적으로 3D 프린팅, 쾌속 시제품 제작, 디지털 제조라는 용어가 같은 의미로 사용되기도 합니다.

적층제조와 3D 프린팅의 차이는 무엇인가?

두 용어는 같은 의미로 사용되는 경우가 많지만, 역사적으로는 구분이 있었습니다. 업계 관례상 “3D 프린팅”은 데스크톱 수준의 시제품 제작을 의미했고, “적층제조”는 본격적인 생산 등급의 산업용 공정을 의미했습니다.

현재 ISO/ASTM에서는 두 용어를 동의어로 사용합니다. 다만 실제 산업 현장에서는 여전히 실무적인 구분이 남아 있습니다. 엔지니어들은 구조 부품이나 생산 부품을 지정할 때 포괄적인 용어인 AM을 주로 사용하며, 3D 프린팅은 보다 일상적이고 이해하기 쉬운 표현으로 사용됩니다. 이를 통해 3D 프린팅과 적층제조의 차이에 대한 일반적인 질문을 명확히 정리할 수 있습니다.

적층제조의 작동 방식

사용되는 소재나 장비에 관계없이, AM 공정은 일반적으로 다음과 같은 5단계의 표준 워크플로우를 따릅니다.

설계: CAD 모델 또는 스캔 데이터(STEP, STL, 3MF)를 생성합니다.

슬라이싱 / 경로 계획: MetalXL WAAM Software와 같은 소프트웨어를 사용하여 형상 데이터를 장비 명령어(G-code 또는 이에 준하는 형식)로 변환합니다.

제작: 장비가 소재를 한 층씩 적층, 소결 또는 경화하여 최종 프린팅 부품을 완성합니다.

후처리: 서포트 제거, 열처리, CNC 마감, 비파괴검사(NDT) 등의 작업을 수행합니다.

검증 및 인증: 부품 사양에 따라 치수, 기계적 특성, 화학적 특성 등을 검사합니다. 최상의 품질을 보장하기 위해 소재는 사전에 검증되며, 부품은 별도로 개별 검증 및 인증된다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

참고: 대형 금속 부품의 경우 3~5단계는 데스크톱 3D 프린팅과 크게 다릅니다. WAAM과 같은 산업용 AM 시스템은 용접 전원장치, 로봇 모션, 인라인 모니터링을 포함한 통합 생산 셀입니다.

적층제조의 7가지 카테고리

ISO/ASTM 52900 표준은 적층제조를 7가지 distinct한 공정 카테고리로 분류합니다. 이를 이해하면 특정 소재와 적용 분야에 어떤 기술이 적합한지 명확히 파악할 수 있습니다.

바인더 제팅(BJT): 분말 베드 위에 액상 바인더를 도포하여 제작하는 방식입니다. 빠른 제작 속도가 특징이며, 사형 주조용 몰드와 금속 시제품 제작에 자주 사용됩니다.

지향성 에너지 적층(DED): 금속 와이어 또는 분말과 같은 소재를 공급하면서 집중 에너지로 용융하여 적층하는 방식입니다. 이 카테고리에는 와이어 기반 DED 방식인 WAAM(와이어 아크 적층제조)이 포함됩니다. 대형 부품, 보수 및 클래딩에 적합합니다.

재료 압출(MEX): 가열된 노즐을 통해 열가소성 수지를 압출하는 방식입니다. 폴리머 및 복합재를 활용한 시제품 제작과 최종 사용 폴리머 부품 제작에 널리 사용됩니다.

재료 제팅(MJT): 광경화성 수지 액적을 분사하고 UV 광으로 즉시 경화하는 방식입니다. 광경화성 수지와 왁스를 활용한 고정밀 시제품 및 의료 모델 제작에 사용됩니다.

분말 베드 융합(PBF): 레이저 또는 전자빔을 사용하여 금속 또는 폴리머 분말을 융합하는 방식입니다. 대표적인 적용 분야로는 항공우주용 브래킷과 의료용 임플란트가 있습니다.

시트 적층(SHL): 종이, 금속 또는 복합재 시트를 접합한 후 절단하는 방식입니다. 일반적으로 특수 툴링이나 하이브리드 부품 제작에 사용됩니다.

수조 광중합(VPP): 수조 내 액상 광경화성 수지를 UV 광으로 선택적으로 경화하는 방식입니다. 주얼리, 치과 분야, 미니어처 제작에 특히 선호됩니다.

적층제조와 절삭가공 비교

적층제조와 절삭가공은 일반적으로 경쟁 관계라기보다 상호 보완적인 제조 방식입니다. 실제로 대부분의 산업용 AM 부품은 최종 정밀 공차를 확보하기 위해 CNC 절삭 마감 공정을 거칩니다. 전통 제조 방식과 적층제조 중 어떤 방식을 선택할지 판단할 때 일반적인 기준은 다음과 같습니다. 주조 또는 단조 부품도 이후 CNC 가공이 필요하다면, 적층제조가 더 나은 대안이 될 수 있습니다. 특히 리드타임을 줄일 수 있다는 점이 큰 장점입니다.

적층제조의 장점

적층제조는 큰 장점을 제공하지만, 어떤 영역에서 강점을 발휘하고 어떤 경우에는 전통 제조 방식이 더 적합한지 이해하는 것이 중요합니다.

주요 장점:

설계 자유도: AM은 위상 최적화, 내부 유로, 통합 어셈블리 제작을 가능하게 합니다.

재료 손실 절감: AM의 재료 손실은 일반적으로 5~10% 수준인 반면, CNC 가공은 70~90%에 이를 수 있습니다.

리드타임 단축: 주조나 단조용 툴링에는 수개월이 소요될 수 있는 반면, AM은 수일에서 수주 내 생산이 가능합니다.

온디맨드 / 지역 분산형 생산: 툴링 의존성을 제거합니다.

부품 통합: 하나의 프린팅 부품이 250개 부품으로 구성된 어셈블리를 대체할 수 있습니다.

경량화: 라티스 구조와 위상 최적화를 활용하여 구현할 수 있습니다.

레거시 장비용 예비 부품: 금형 없이 제작할 수 있습니다.

디지털 창고: 예비 부품 보관을 위한 물리적 창고 공간이 더 이상 필요하지 않습니다. 새로운 부품이 필요할 때마다 바로 프린팅을 시작할 수 있습니다.

AM의 한계와 AM이 정답이 아닌 경우

한계는 공정 방식에 따라 크게 달라집니다. 일반적인 한계는 다음과 같습니다.

산업용 부품의 경우 거의 항상 후처리가 필요합니다.

프린팅 직후의 표면 품질이 CNC 가공 수준의 정밀도와 바로 일치하는 경우는 드뭅니다. 다만 이는 전통 제조 방식에서도 마찬가지일 수 있습니다.

규제가 엄격한 산업 또는 아직 AM 기술을 도입 중인 산업에서는 인증 및 검증 절차가 느리게 진행될 수 있습니다.

공정 선택은 매우 중요합니다. 예를 들어 WAAM은 대형 금속 부품에 적합하고, PBF는 미세한 디테일 구현에 적합하며, MEX는 일반적으로 폴리머 시제품 제작에 사용됩니다.

산업 분야별 적용 사례

각 AM 카테고리는 소재 및 규모 요구사항에 따라 다양한 산업 분야에 적용됩니다.

에너지 분야(석유, 가스, 풍력, 원자력): AM은 대형 압력 부품, 임펠러, 기존 인프라용 예비 부품 제작에 사용됩니다.

해양 분야: 선박용 프로펠러, 러더 부품, 온디맨드 예비 부품 등이 주요 적용 분야입니다. 해양 분야에서의 WAAM 활용에 대해 자세히 확인해 보십시오.

방산 분야: 현지 생산, 브래킷, 고성능 합금 부품 제작에 유용합니다.

건축 및 건설 분야: 구조 노드, 파사드 부재, 맞춤형 금속 구조물 제작에 AM이 활용됩니다.

자동차 분야: 주로 시제품 제작, 툴링, 소량 생산용 고성능 부품 제작에 AM이 활용됩니다.

AM 분야에서 WAAM의 위치

와이어 아크 적층제조(WAAM)는 지향성 에너지 적층(DED) 중 와이어 기반 공정에 해당합니다.

WAAM과 같은 DED 공정을 분말 베드 융합(PBF)과 비교할 때, 가장 큰 차별점은 제작 규모와 경제성입니다. WAAM은 대형 부품 생산에 강점을 가지며, 100mm 크기의 부품부터 5×5×5m를 초과하는 대형 부품까지 프린팅할 수 있습니다. 또한 WAAM은 2~15 kg/h의 적층 속도를 제공하며, 일반적인 PBF 시스템의 0.1~0.5 kg/h와 비교해 훨씬 높은 생산성을 제공합니다.

또한 WAAM은 표준 용접 와이어(약 €5~€15/kg)를 사용하므로, 아토마이징 금속 분말(약 €50~€200/kg)에 비해 소재 비용 측면에서 큰 장점이 있습니다.

필요한 부품이 표준 PBF 장비의 제작 챔버를 초과하거나, 짧은 리드타임이 중요하거나, 원재료 비용이 전체 예산에서 큰 비중을 차지하는 경우, WAAM은 일반적으로 가장 경제적으로 유리한 AM 공정입니다. MX3D는 2014년부터 에너지, 해양, 방산, 건축 분야에서 이러한 대형 금속 AM 부품 공급에 특화해 왔습니다.

MX3D가 사용하는 WAAM 기술과 Metal AM M1 및 MX Systems를 통한 24/7 온디맨드 프린팅 등 제품 및 서비스에 어떻게 적용되는지 자세히 확인해 보십시오.

FAQ

적층제조를 쉽게 설명하면 무엇인가요?

적층제조는 3D 디지털 모델을 기반으로 분말 베드 융합, 재료 압출, 와이어 아크 적층과 같은 공정을 사용하여 실제 부품을 한 층씩 제작하는 생산 방식입니다. 일반적으로 금속 3D 프린팅이라고 불리는 기술의 산업용 명칭으로도 사용됩니다.

3D 프린팅과 적층제조의 차이는 무엇인가요?

두 용어는 동의어로 사용되는 경우가 많지만, 역사적으로 3D 프린팅은 데스크톱 또는 시제품 제작 용도를 의미했고, 적층제조는 일반적으로 생산 등급의 산업용 공정을 의미합니다.

적층제조의 7가지 카테고리는 무엇인가요?

ISO/ASTM 52900에서 정의한 7가지 카테고리는 바인더 제팅(BJT), 지향성 에너지 적층(DED), 재료 압출(MEX), 재료 제팅(MJT), 분말 베드 융합(PBF), 시트 적층(SHL), 수조 광중합(VPP)입니다.

적층제조의 주요 장점은 무엇인가요?

주요 장점으로는 높은 설계 자유도, 재료 손실 절감(5~10%), 리드타임 단축, 부품 통합, 경량화, 레거시 장비용 예비 부품의 온디맨드 생산 능력 등이 있습니다.

적층제조는 산업 분야에서 어디에 사용되나요?

에너지, 해양, 방산 및 항공우주, 건축 및 건설, 자동차, 의료 분야 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다.