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[미래소재] 재료의 중요성: 3D의 혁신
, 2016.12.12eunbook 조회(1976) 추천(추천) 스크랩(스크랩)
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재료의 중요성: 3D의 혁신
적충가공 부문에 진보를 가져오는 이스트먼, 카본, HP 등의 기업들


3D 프린팅 산업에서 혁신은 다양한 형태로 이루어지고 있다. 업체들은 이 기술의 놀라운 능력들을 활용할 수 있는 새로운 재료와 공정들을 개발하기 위해 맹렬히 일하고 있다.
몇 년 전 3D 프린팅이 새로운 산업혁명을 촉발시키고 사출성형 등 기존의 제조방식들을 구닥다리로 만들 것이라는 전망과 함께 3D 프린팅에 대한 기대가 절정에 달했다. 그러나 이런 헤드라인들은 현실을 너무 앞서간 것이었고, 기존의 3D 프린팅은 여전히 이용 가능한 재료 선택권의 제한, 느린 생산 속도, 기능성과 미학 사이의 불가피한 절충의 문제 등 주요 결점들로부터 해방되지 못하고 있다.
지속적인 기술적 진보의 도움으로 오랫동안 신속한 프로토타입 제작과 결부되어온 3D 프린팅은 이제 특히 항공, 의학, 치의학, 자동차 부문에서 직접 부품가공의 영역에 들어섰다. 일부업무의 경우에는 실무자들이 값비싼 공구세공 절차를 건너뛰고 곧바로 소량의 상업적 부품생산에 들어갈 수 있게 되었다.
이로 인해 “적충가공 (additive manufacturing: AM)”이라는 용어가 생겨났는데, 이 용어는 “가공”적 측면을 강조하면서 동시에 프로토타입 만이 아닌 상업적 부품의 생산을 암시하고 있다. 한편 새로 부상하는 더 빠른 고속 공정들은 적충가공이 대량 생산에도 적용될 수 있으리라는 전망을 밝혀준다.


“그렇다고 해서 사출성형이 완전히 대체될 것이라는 말을 하려는 건 아니다.” 테네시주 킹스포트에 있는 이스트먼 케미컬 사 (Eastman Chemical Co.)의 공학 기술자 조시 데이비스(Josh Davis)의 말이다. “하지만 대량생산에 새로운 전기가 마련될 것은 분명하다.” 그는 개별 소비자들을 위한 맞춤화가 확대되고 미래의 상품 제조는 “개별적 특성 (individuality)”에 더 집중하게 될 것이라고 예상한다.
업체들은 적충가공 업계가 겪고 있는 여러 도전과제들을 해결하기 위해 각자 다른 방식들을 택하고 있다. 실리콘 밸리의 신생기업인 카본 (Carbon)과 오랜 명성을 지닌 기술업체 HP는 여러 성능 중에서도 제작 속도를 앞당기는데 노력을 기울이고 있다.
“HP와 카본은 속도 측면에서 3D 프린팅의 진정한 발전을 가져온 최초의 두 기업이다.” 데이비스의 말이다.
2013년 설립된 카본은 1억 4천만 달러 이상의 돈을 모았고 올해 초에는 CLIP (Continuous Liquid Interface Production)이라는 자사의 3D 프린팅 특허 기술을 이용하는 적충가공기계인 M1을 내놓았다.

 

The new M1 printer from Carbon

  

CLIP은 빛과 산소를 이용하는 광화학 과정에 의해 기계적 절차들과 단계들을 줄여 액체 상태의 레진으로부터 신속하게 물건들을 만들어내는 방식이다. 이 과정에서는 산소 투과용 창을 통해 UV 경화형 레진이 담긴 통에 빛을 투사하게 된다. 창을 통해 산소의 흐름을 조절함으로써 CLIP은 창과 물건 사이의 얇은 비경화 레진층을 의미하는 “사각지대 (dead zone)”를 형성한다. 그 결과 조성된 플랫폼은 점점 높아지고 물체는 레진 통으로부터 “자라나게 (grown)”된다.


일부에서는 카본 3D의 광중합체가 이렇게 만들어진 부품들의 내구성이 유지될 만큼 UV 안정성이 있는 것으로 확인될지에 대해 의구심을 나타내고 있지만, 말 그대로 이 답은 시간만이 알려줄 수 있을 것이다.
현재의 발전 상황들을 가까이에서 경험하고 있는 데이나 맥컬럼 (Dana McCallum)은 6년 반 전에 오하이오주 에이번 레이크의 가족운영 사출성형 플라스틱 업체인 쏘거스 프로덕츠(Thogus Products)의 마케팅 담당자로 플라스틱업계에 입문했다. 쏘거스는 그 후 곧바로 3D프린팅 업무를 포트폴리오에 추가했다. 이 회사에서 맥캘럼은 3D 프린팅 기술을 적극적으로받아들였고 2014년 4월에는 적충가공이용자그룹 (Additive Manufacturing Users Group)의 운영진에 선출되었다. 그녀는 2015년 5월 쏘거스를 떠나 카본 3D (지금은 줄여서 카본으로 불린다)에 합류했고 현재 캘리포니아 레드우드 시티에 위치한 카본의 생산 파트너십 팀장으로 일하고 있다.


최근의 인터뷰에서 맥컬럼은 이렇게 말했다. “나는 (적충가공이) 어떻게든 앞으로 5년에서 10년 사이에 사출성형을 대체할 것이라고 생각하지는 않는다. 하지만 점점 더 많은 공정들이 사출성형이나 우레탄 성형에서 CLIP으로 바뀌고 있는 것은 확실하다... 우리의 목표는 더 이상프로토타입 제작이 아니고 (대량) 생산이다.” 카본은 CLIP을 이용하여 기존의 3D 프린팅 방식에 비해 25배에서 100배까지 빠르게 부품들을 생산할 수 있다고 주장하고 있다.
컴퓨터와 프린터 대기업인 휼렛 패커드에서 2015년 11월에 분리된 HP (HP Inc.)는 또 다른 길을 선택, 올해 초 새로운 변화를 가져올 잠재력을 지닌 멀티 젯 퓨전 (Multi Jet Fusion)기술을 선보였다. HP는 우선 열가소성 물질을 이용해서 부품을 만들고 그 후 세라믹과 금속을 이용한 생산을 고려할 계획을 갖고 있다. 인치당 노즐분사 수치가 높은 열전사 잉크젯 제품들을 보유한 이 회사의 전매특허 동기화 구조는 작업 부위에서 각 인치마다 초당 3천만 방울의 잉크를 분사하는 능력을 지니고 있다.


생산 속도와 적충가공으로 제작 가능한 부품의 크기의 제한 뿐 아니라, 이 과정에 적합한 재료의 종류가 적은 것도 큰 장애요인으로 남아있다. 이스트먼과 기타 업체들은 이 부문에 뛰어들어 스트라타시스 (Stratasys Inc.)의 압출적층조형 (fused deposition modeling: FDM)과 3D 시스템즈 (3D Systems Inc.)의 광경화성물질적층조형 (stereolithography: SLA), 선택적 레이저소결조형 (selective laser sintering: SLS) 등 기존에 확립된 공정에서 3D 프린팅 필라멘트로 이용하기 위한 레진을 개발하면서 새롭게 한계를 넘어서고 있다.

 

3D printed part made with Amphora AM1800

  

데이비스는 이스트먼 사가 이 분야의 시장 수요를 확인하고 적충가공을 위한 합성폴리에스터 중합체를 개발하기로 결정한 과정을 설명했다. 그 결과 이스트먼은 2014년에 매우 강력한 부품들의 생산에 사용 가능한 저취성 무 스타이렌 재료인 암포라 (Amphora™) 3D 중합체 제품 AM 1800을 내놓았다. 이 재료의 개발은 맞춤 개발된 암포라 포트폴리오를 구성하는일련의 레진 제품들의 개발로 이어지고 있다고 데이비스는 말했다.

 

3D printed part made with Amphora AM1800

 


이스트먼이 내놓은 두 번째 제품은 2015년 11월 발매된 암포라 AM3300으로, 이 재료는 일부 3D 프린팅에서 재료로 쓰이는 폴리유산수지 (PLA) 바이오레진에 비해 내열성이 강하고 AM1800보다 더 폭넓은 온도에서 가공이 가능하다.

 

3D printed parts made with Amphora AM3300 (left) and Amphora HT5300 (right)


그 후 이스트먼은 여러 제작공정에서 ABS 기반 필라멘트를 대체할 수 있고 고급 3D 프린팅 이용자들, 특히 견고하고 형태가 안정적이며 단단하고 높은 내열성을 가진 제작물을 필요로 하는 이용자들에게 이상적인 암포라 HT5300을 출시했다.

 

3D printed part made with Amphora FL6000


불과 몇 주 전에 이스트먼은 새롭게 암포라 FL6000을 내놓았는데, 이 제품은 프로슈머(pro-sumers)를 타겟으로 하는 3D 프린팅 공정을 위한 최초의 고온고압을 견디는 유연한 공중합체 재료라고 데이비스는 밝혔다. 암포라 포트폴리오에 포함된 모든 레진 제품들은 저취성이고 이는 ABS 기반 레진에 비해 탁월한 이점을 지닌다. ABS 기반 레진은 가스배출 때문에
실내 이용에 부적합할 수도 있기 때문이다. 또한 암포라는 식품접촉에 대한 미국 식품의약국의 일부 규정들을 충족시키고 있다.


“우리는 거의 매일 새로운 재료들을 시험하고 있다.” 데이비스는 이스트먼이 점차 늘어나는 3D 중합체 포트폴리오를 위해 계속 새로운 물질들을 개발할 계획이라고 밝혔다. 재료 개발자들은 끊임없이 개선된 기능을 가진 적충가공용 레진을 개발하기 위한 실험을 지속하고 있다.


“우리는 적충(가공)의 활용을 이제 막 시작했을 뿐이다.” 맥컬럼의 말이다. “나는 우리가 (앞으로 몇 년 간) 항공, 자동차, 그리고 특히 의료 분야에서 더 많은 제작공정들을 찾아낼 것이라고 믿는다.”

 

 

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