시제품뿐만 아니라 실제 부품이나 완제품을 제조하는 생산기술로서 3D 프린팅에 대한 관심이 높아지고 있다. 한국HP와 에이엠코리아가 지난 7월 9일 진행한 ‘전자 및 제조사를 위한 고품질 3D 프린팅 기술 웨비나’는 제조 분야에서 3D 프린팅의 활용도를 높일 수 있는 HP의 기술과 활용사례를 소개했는데, 제조 분야에서 3D 프린팅의 향후 방향과 가능성을 가늠하는 기회가 되었다. ■ 정수진 편집장

▲ HP의 젯 퓨전 3D 프린터

대량생산을 위한 산업용 3D 프린팅 기술 제공

HP는 잉크젯과 레이저 프린터 분야의 대표 업체이면서, 지난 2016년 첫 번째 3D 프린터 출시와 함께 3D 프린팅 시장에 뛰어들었다. HP의 3D 프린팅 기술인 멀티젯 퓨전(Multi Jet Fusion: MJF)은 분말 소재에 접착제를 분사해 결합시키는 바인더젯(Binder Jetting)에 기반을 두고 있다. 지난 30여년 간 HP가 다져 온 잉크젯 프린터의 헤드 기술을 활용한 것이 특징이다. MJF 기술은 분말 재료를 0.08mm 두께로 뿌리고, 그 위에 올라가는 퓨징 에이전트(fusing agent)가 열을 흡수한 뒤 녹으면서 결합시키는 과정을 반복하게 된다.

HP는 처음부터 부품이나 제품을 만들 수 있는 산업용 3D 프린터에 집중했다. 현재는 젯 퓨전(Jet Fusion) 5210/5200/4200/500 시리즈의 3D 프린터 라인업을 선보이고 있다. 500 시리즈는 프로토타입 제작을 타깃으로 하고, 나머지 세 모델은 양산용으로 사용이 가능한 제품이다.

▲ 재료를 깔고 접착제를 덮은 뒤 열로 결합하는 HP의 멀티젯 퓨전 기술

대량생산을 위한 3D 프린팅에서 살펴볼 점은?

한국HP의 이주헌 과장은 “MJF의 기본 콘셉트는 대량생산용 장비인데 양산을 위해서는 재료의 강성, 생산성, 경제성이 중요하다”고 소개했다. 3D 프린팅은 한 층씩 쌓는 적층가공(additive manufacturing)이라고도 불리는데, 적층하는 방향에 따라 최종 결과물의 강성이 달라진다. 실제 제품을 만들 때 이런 특성을 고려해야 하기 때문에 3D 프린팅을 위한 설계나 모델의 배치에는 어느 정도의 제약이 따른다.

HP의 MJF는 재료가 비교적 긴 시간 동안 열에 노출되면서 재료가 녹는 방식이다. 이주헌 과장은 “MJF는 조형이 끝날 때까지 경화가 진행되기 때문에 레이어 사이의 결합력이 높다. 그래서 Z축의 강도가 높아져서 적층방향에 따른 강도의 차이가 적다. 또한 적층 내부 밀도도 높아서 기밀성을 얻을 수 있고, 출력 후에 후처리를 하지 않아도 방수 성능을 확보할 수 있다”고 설명했다.

대량생산을 위해서는 빠른 속도도 중요한데, HP는 MJF의 경우 프린팅 헤드가 한 번 이동할 때 레이어 전체를 커버하기 때문에 만드는 파트의 수에 관계 없이 일정한 속도를 유지할 수 있다는 점을 내세운다. 또한, 프린터의 빌드 유닛이 분리되는 설계를 채택해서 빌드 유닛만 교체하면서 연속 출력이 가능하다. 이런 설계는 장비의 생산 효율 측면에서 유리한 점이다.

HP 3D 프린터는 범용의 나일론 소재인 PA12, 탄성을 높여서 의료용으로도 사용 가능한 PA11, 유리가루를 포함해 열변형이 적은 PA12 글래스 비드, 고무 소재인 TPU 등의 3D 프린팅 재료를 사용한다. 이주헌 과장은 “3D 프린팅 재료는 가격이 높기 때문에, 재료의 재사용도 중요하다. MJF는 80%까지 재료를 재사용할 수 있어서 3D 프린팅의 단가를 낮추고 조형 품질을 높이는데 도움을 준다”고 전했다.

▲ 분리/교체할 수 있는 젯 퓨전 3D 프린터의 빌드 유닛

목적에 맞춰 3D 프린팅 적용 방법 고민해야

에이엠코리아의 최원철 팀장은 다양한 분야의 HP 3D 프린터 활용 사례를 소개하면서, 산업별로 또 목적에 따라 다양한 점을 고려하게 된다고 짚었다. “개발 기간에 비해 기대 수명이 짧고 생산량이 적은 분야에서는 시제품 제작에 3D 프린팅을 많이 활용하고, 반대의 경우에는 스페어 파트를 3D 프린팅으로 만드는데 관심이 높다”는 것이다.

매뉴팩처링 분야에서는 생산량이 적은 경우부터 많은 경우까지 다양한 영역에서 3D 프린팅을 도입하는 사례가 늘고 있는 것으로 보인다. 3D 프린팅은 똑같은 제품을 대량으로 만들 수 없는 맞춤형 제품이나 기존 공법으로 만들기 어려운 디자인을 제조하는 데에 유용하게 쓰일 수 있다. 또한, 부품의 수를 줄여서 더 가볍게 만들고 시간 및 비용을 절감할 수 있는 영역에서 활용 가치가 높으면서, 필요할 때 생산하면 되기 때문에 재고 부담을 줄일 수 있다는 것이 최원철 팀장의 설명이다.

HP의 3D 프린팅 기술, HP에서도 쓴다

최원철 팀장은 HP 내부에서도 3D 프린팅을 적극 활용하고 있다고 소개했다. HP의 대형 인쇄장비인 라텍스(Latex)는 스틸 및 알루미늄 파트를 MJF로 대체했는데, 3D 프린팅을 위해 위상최적화(topology optimization) 설계를 해서 부품의 무게를 1/10 수준으로 줄였다. HP 프린터의 헤드 노즐 제작에 쓰이는 부품은 원래 7개로 이뤄진 것을 하나로 줄여서, 조립 공차 때문에 생기는 부품 사이의 틈새에 재료나 용제가 엉키는 문제를 해결했다.

▲ 3D 프린팅으로 프린터 헤드 노즐의 부품 수를 줄여 고장을 막을 수 있었다.

모니터 위에 간편하게 설치할 수 있는 3D 스캐너인 HP Z 3D 카메라(HP Z 3D Camera)는 기존에 없던 새로운 형태의 제품이다. 출시 전에 어느 정도의 수요가 있고 얼마나 생산해야 할 지 예측하기 어려운 반면 빠르게 시장에 진입하는 것이 필요했는데, HP는 3D 프린팅으로 소량의 제품을 생산해 출하한 뒤 시장의 반응을 확인하는 접근법을 선택했다. 이를 통해 첫 출시 기간을 6주 정도 앞당길 수 있었다.

▲ HP의 Z 3D 카메라는 3D 프린팅으로 소량 생산해서 빠르게 출시하고 시장 수요를 파악할 수 있었다.

멀티젯 3D 프린터에도 MJF로 제작한 부품이 65개 들어 있다. 제품의 기대 수명이 길다면 단종된 후에도 현장에서 쓰이는 경우가 많다. 이렇게 되면 A/S를 위한 예비 부품을 생산하고 수급하는게 어려운데, 3D 프린팅으로 부품을 만들면 창고에 재고를 쌓아놓을 필요 없이 필요할 때 빠르게 부품을 공급할 수 있다.

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