[포커스] 스트라타시스, 제조 현장에 쓰이는 탄소섬유 3D 프린팅 소개

3D 프린팅 기술이 프로토타입(시제품)뿐 아니라 생산 공정에서 도움을 주는 공구인 지그(jig)와 픽스처(fixture), 나아가 양산 부품까지 폭넓게 쓰이게 된 배경에는 적층 공법 및 소재의 발전이 있다.

스트라타시스 코리아는 3월 16일 진행한 웨비나를 통해 금속 부품을 대체할 수 있는 탄소섬유 3D 프린팅 기술과 실제 제조 현장의 사례를 소개했다. ■ 정수진 편집장

3D 프린팅 기술과 재료의 발전으로 제조 활용 확대

프로토타입이 아닌 공구나 양산 부품에 3D 프린팅을 활용하기 위해서 중요하게 살펴봐야 할 요소는 정밀도와 강성이다. 이전에 3D 프린팅이 제조 영역에서 많이 쓰이지 못한 이유 중 하나가 바로 이 부분이다.

스트라타시스 코리아의 조성근 상무는 스트라타시스가 주력으로 삼고 있는 FDM(Fused Deposition Modeling : 용융 압출 조형) 기술이 제조 분야에 쓰일 수 있는 이점을 소개했다. FDM은 필라멘트 형태의 플라스틱 재료를 녹여서 노즐로 압출하고, 이를 한 층씩 쌓아서 입체물을 만드는 방식이다.

조성근 상무는 “FDM 방식은 표면이 거칠지만 정밀도가 높고 변형이 적다는 이점이 있다. 특히 다른 3D 프린팅 방식과 비교할 때 수직(Z축) 방향의 변형이 상당히 적고, 반복 제조시 인장계수, 인장 강도, 파단 연신율 등의 편차가 적다”면서, “이는 특히 중대형 사이즈의 제작에서 FDM 방식이 선호되는 이유이기도 하다”고 전했다.

▲ 탄소섬유를 사용할 수 있는 스트라타시스의 F900 3D 프린터

FDM은 일반 플라스틱과 거의 동일한 재료를 사용할 수 있어 재료 강성 측면에서 유리한 것으로 여겨지고 있다. 스트라타시스는 이번 웨비나에서 특히 지그/픽스처에서 강성을 유지하기 위해 사용할 수 있는 탄소섬유(카본 파이버) 소재를 소개했다.

탄소섬유 소재는 플라스틱 재료에 탄소섬유를 섞은 것이다. 여러 업체에서 비슷한 소재를 선보이고 있는데, 스트라타시스는 작게 자른 탄소섬유(chopped fiber)가 포함된 소재를 내세우고 있다. 조성근 상무는 “탄소섬유가 많이 포함될 수록 강성을 높일 수 있는데, 제품의 형상에 따라서는 긴 섬유를 넣지 못할 수도 있다. 하지만 작게 자른 탄소섬유를 사용하면 섬유 함유량을 늘리면서 다양한 형상을 만들 수 있다”고 설명했다.

한편, 3D 프린팅으로 대량생산을 하려면, 반복되는 프로세스에서 반복 정밀도를 확보하는 것도 중요하다. 스트라타시스는 제품의 품질에 문제가 될 수 있는 노즐의 탄화 발생이나 재료 내 수분이 용융-기화되면서 제품에 균열이 생기는 현상을 해결하는데 주력하고 있다고 한다. 조성근 상무는 “예를 들어 대량생산에 초점을 맞춘 스트라타시스의 F900 3D 프린터는 적층 작업이 진행되는 챔버(chamber) 안에 카메라를 설치해 제조 과정을 모니터링할 수 있게 했고, 튜브 안으로 열풍을 불어주어 재료의 수분을 최소로 줄여준다. 또한, 3D 프린터의 구동을 위한 CMB(Coordinate Machine Binary) 파일에 락을 걸어 수정을 막는 보안 기능도 제공한다”고 소개했다.

스트라타시스는 메이커봇, F370, 포투스 450mc, F900 등 다양한 사이즈의 3D 프린팅 라인업에서 탄소섬유 소재를 지원하고 있다. 이를 통해 프로토타입부터 지그/픽스처, 양산 부품까지 다양한 수요에 대응할 수 있다는 점을 내세운다.

▲ 로봇 팔에 장착하는 공구인 EOAT

공구부터 부품까지 다양한 3D 프린팅 활용 사례

스트라타시스는 자사의 3D 프린팅 기술이 생산 현장에서 다양하게 쓰일 수 있다면서, 실제로 생산 현장에서 3D 프린팅을 활용하고 있는 사례를 소개했다.

GM의 경우 대형 부품을 들어서 이송하는 라이저(riser) 툴을 3D 프린팅으로 만들었는데, 툴의 무게를 32% 줄이고 제작 납기는 80% 정도로 줄였다. 또한, 로봇 팔의 끝 부분에 장착하는 공구인 EOAT(End-of-Arm Tooling)도 기존의 금속 제품을 3D 프린팅으로 대체하고 있다. 3D 프린팅을 활용하면 공구 가공 중 또는 가공 후에 인서트를 삽입하거나 지그 내부에 공기 유로를 만들 수 있어, 다양한 공구 설계가 가능하다는 이점이 있다. GM에서는 제품을 이송하는 EOAT를 탄소 강화 섬유로 3D 프린팅해서 무게를 줄였는데, 로봇 팔의 작동 속도를 높이면서 생산성 향상이 가능해졌다.

조성근 상무는 “GM은 지난 2015년부터 스트라타시스의 포투스(Fortus) 3D 프린터를 사용해 왔으며, 최근에는 F900 장비 20대를 도입하기로 했다. GM은 툴링, 지그/픽스처, 로봇 툴링 등에 3D 프린팅을 사용할 계획이며 이는 트럭과 전기차 생산에 쓰일 예정”이라고 소개했다.

▲ GM은 트럭과 전기차 생산에서 툴링, 지그/픽스처, 로봇 툴링 등에 3D 프린팅을 활용한다는 계획이다.

스트라타시스는 이외에도 3D 프린팅이 CNC 가공이나 3D 측정을 할 때 대상물을 고정하는 픽스처, 제품의 형상에 맞춰 제품을 고정하는 조/바이스, 금속 포밍 프레스 다이, 교체 파트, 드릴링 가이드 등 다양한 용도로 현장에서 금속 부품을 대체할 수 있다고 설명했다. 금속 부품보다 가볍고 금속을 대체할 수 있을 만큼 압축 강도도 높으면서, 몇 시간 안에 출력해 금속 부품을 대체할 수 있다는 것이다.

포드는 머스탱 오픈카를 조립할 때 창문 유리의 위치를 측정하고 조정하는 픽스처를 탄소섬유로 3D 프린팅했다. 기존 픽스처의 주요 부품을 그대로 활용하면서 형상은 단순화하고 무게를 줄였다. 또한, 인체공학적인 형상으로 만들 수 있었다.
앞뒤로 제품을 가공할 때 이미 가공이 끝난 면의 가공 형상에 맞춰 고정하는 지그를 만드는 과정은, 제품의 CAD 모델 데이터를 그대로 활용해 빠르게 3D 프린팅으로 만들 수 있다.
비행기의 판재를 조립할 때 리벳(rivet)으로 고정하는데, 이 작업에서 리벳의 위치를 정하기 위한 드릴링 가이드를 3D 프린팅으로 만들 수 있다. 비행기 1대를 생산할 때 700개 이상의 드릴링 가이드가 필요한데, 이 가이드를 3D 프린팅으로 만들면 비용을 크게 줄이는 것이 가능하다.
복잡한 모양의 연료 파이프의 경우 가공과 검사가 쉽지 않은데, 이를 위한 픽스처를 3D 프린팅으로 만들면 CNC 가공 대비 무게를 줄이고 강성을 높일 수 있다. 또한, CAD 파일에서 바로 픽스처를 제작해 정확도 역시 높일 수 있다.
프레스 다이는 높은 강성이 필요한데, 변형이 적은 탄소섬유 소재로 프레스 다이를 3D 프린팅해 무게와 비용, 납기를 줄일 수 있다.
파손으로 오작동이 자주 발생하는 부품을 예비로 확보해야 하는 경우가 있는데, 3D 프린팅을 활용하면 이 예비 부품을 필요할 때 빠르게 생산할 수 있다.

▲ 자동차의 유리 장착 위치를 조정하는 픽스처