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 공법과 소재의 발전이 있습니다. 프로토타입이 아닌 공구나 양산 부품에 3D 프린팅을 활용하기 위해서 중요하게 살펴봐야 할 요소는 정밀도와 강성인데요. 이전에 3D 프린팅이 제조 영역에서 많이 쓰이지 못한 이유 중 하나가 바로 이 부분입니다.

스트라타시스 코리아는 웨비나를 통해 FDM(Fused Deposition Modeling : 용융 압출 조형) 기술이 제조 분야에 쓰일 수 있는 이점을 소개했습니다. 다양한 3D 프린팅 기술이 시장에 선보이고 있는데, 이 가운데 스트라타시스가 주력으로 삼고 있는 FDM은 필라멘트 형태의 플라스틱 재료를 녹여서 노즐로 뽑아내고, 이를 한 층씩 쌓아서 입체물을 만드는 방식입니다.

“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. 이는 특히 중대형 사이즈의 제작에서 FDM 방식이 선호되는 이유이기도 하다.”

조성근 상무, 스트라타시스 코리아

FDM은 일반 플라스틱과 거의 동일한 재료를 사용할 수 있어 재료 강성 측면에서 유리한 것으로 여겨지고 있는데요. 스트라타시스는 특히 지그/픽스처에서 강성을 유지하기 위해 사용할 수 있는 탄소섬유(카본 파이버) 소재를 소개했습니다. 탄소섬유 소재는 플라스틱 재료에 탄소섬유를 섞은 소재입니다.

여러 업체에서 비슷한 소재를 선보이고 있는데, 스트라타시스는 작게 자른 탄소섬유(chopped fiber)가 포함된 소재를 내세우고 있습니다. 탄소섬유가 많이 포함될 수록 강성을 높일 수 있는데, 제품의 형상에 따라서는 긴 섬유를 넣지 못할 수도 있습니다. 하지만 작게 자른 탄소섬유를 사용하면 섬유 함유량을 늘리면서 다양한 형상을 만들 수 있다는 것이 스트라타시스의 설명입니다.

한편, 3D 프린팅으로 대량생산을 하려면 반복되는 프로세스에서 반복 정밀도를 확보하는 것도 중요한데요. 스트라타시스는 제품의 품질에 문제가 될 수 있는 노즐의 탄화 발생이나 재료 내 수분이 용융-기화되면서 제품에 균열이 생기는 현상을 해결하는데 주력하고 있다고 설명했습니다.

스트라타시스는 탄소섬유 3D 프린팅의 활용 사례도 소개했습니다. GM의 경우 대형 부품을 들어서 이송하는 라이저(riser) 툴을 3D 프린팅으로 만들었는데, 툴의 무게를 32% 줄이고 제작 납기는 80% 정도로 줄였다고 합니다. 또한, 로봇 팔의 끝 부분에 장착하는 공구인 EOAT(End-of-Arm Tooling)도 기존의 금속 제품을 3D 프린팅으로 대체하고 있습니다.

3D 프린팅을 활용하면 공구 가공 중 또는 가공 후에 인서트를 삽입하거나 지그 내부에 공기 유로를 만들 수 있어서, 다양한 공구 설계가 가능하다는 이점이 있습니다. GM에서는 제품을 이송하는 EOAT를 탄소 강화 섬유로 3D 프린팅해서 무게를 줄였는데, 로봇 팔의 작동 속도를 높이면서 생산성 향상이 가능했다고 합니다.

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 설명합니다. 금속 부품보다 가볍고 금속을 대체할 수 있을 만큼 압축 강도도 높으면서, 몇 시간 안에 출력해 금속 부품을 대체할 수 있다는 것입니다.

• 자세한 내용은 캐드앤그래픽스 2022년 4월호에서 볼 수 있습니다.