[첨단 헬로티 = 서재창 기자]

이 백서는 3D시스템즈의 ‘Figure4’ 기술로 실현되는 공구 없는 직접 디지털 프로덕션의 진화에 대한 개요를 살펴보고, 디지털 프로덕션의 원리에 대해 설명하며, 제조업체가 얻을 수 있는 이점에 대해 설명한다.  

출처 : 3D시스템즈 백서

150년 만에 이뤄지는 혁신적인 변화

3D시스템즈의 ‘Figure4’ 기술은 플라스틱 파트 생산을 가속화 및 간소화 하며 확장성이 우수한 적층제조 공정이다. 이 디지털 접근 방식을 사용하면, 공구 세공 없이 설계를 CAD에서 제조 공정으로 바로 전달할 수 있으므로 필요할 때 바로 부품 설계를 반복할 수 있다는 장점이 있다. 

또한, 금형을 제작하지 않고도 새 설계를 신속하게 생산으로 전환할 수 있으며, 기존의 사출 성형에서 제작하기 힘들었던 복잡한 파트를 신속하게 제조할 수 있다. 

사출 성형은 약 150년 전 발명된 이후 제조업의 핵심 기술로 자리 잡았다. 사출 성형 제조는 단추나 빗 등 단순한 물체에서 자동차, 항공 우주, 헬스케어, 소비재, 건설, 포장 등 실제로 산업 분야에서 사용되는 복잡한 제품에 이르기까지 진화했다. 

그러나 사출 성형에서 변하지 않은 한 가지는 금형의 필요성이다. 사출 성형이 비록 CNC와 3D프린팅의 진보에 힘입어 간소화 하고 속도가 빨라지긴 했으나 복잡한 사출 성형의 툴링은 여전히 수 주, 경우에 따라서는 수 개월이 걸리기도 한다. 

Figure4 기술은 점유 공간, 용량, 다목적성이 서로 다른 세 가지 구성으로 제공된다. Figure4는 다음과 같은 솔루션이 포함된다. ‘Figure4 Standalone’은 원형과 소량 생산 부품을 합리적인 비용으로 신속하게 당일에 프린트 하는 원형 제작을 제공한다. ‘Figure4 Modular’는 확장 가능한 반자동 3D제조 솔루션으로 사용자는 규모를 늘릴 필요가 있을 때 더 많은 프린트 모듈을 추가해 용량을 늘린다. 

▲Figure4는 플라스틱 파트 생산을 가속화 및 간소화 하며 확장성이 우수한 적층제조 공정이다.

‘Figure4 Production’은 인라인 생산 셀을 완전히 통합한 공장 솔루션을 제공한다. 사용자는 이 세 가지 구성 중 하나를 사용해 완성된 기하형상을 놀라운 속도로 출력한다. 처리량은 다운스트림 워크플로를 통해 최적화 하지만, 사이클 시간 및 비용은 프린트하는 파트나 기하형상에 달라질 수 있다. 

한편, Figure4에 표현된 기술의 진보는 배트에서의 수명이 짧은 반응성 소재를 사용할 수 있게 됐고, 열가소성 응용 분야 등에서 사용되는 다양한 기계적 특성의 기능적 부품을 생산할 수 있게 됐다. 감광성 레진을 사용하는 다른 광 폴리머 3D프린팅과 달리 Figure4는 견고성, 내구성, 생체적합성, 고온에서의 변형 및 탄성 특성을 지닌 하이브리드 소재(다중합 반응 고분자)로 부품을 제조한다. 

그 결과 내구재, 자동차, 항공우주, 등 수많은 산업에서의 새로운 최종 사용 응용 분야가 활짝 열리게 됐다. Figure4 기술의 소재 포트폴리오는 개발된 다양한 특성을 제공해 광범위한 원형 제작과 생산 및 응용 분야별 사용 사례를 처리하고, 사용 가능한 소재 제품도 빠르게 확장되고 있다. 

적집 디지털 프로덕션을 위한 핵심소재로는 ‘Figure4 PRO-BLK 10’, ‘Figure4 HI TEMP 300-AMB’, ‘Figure4 MED-WHT’ 10 등이 있다. 

도구 없는 디지털 프로덕션 작동 방식

3D시스템즈의 Figure4 기술에 의해 도입된 디지털 프로덕션 과정은 직접 프로덕션의 각 단계마다 별도의 모듈로 구축된다. Figure4 프린팅은 자동화가 가능하며, 사람이 개입할 필요를 줄여준다. 

한 예로, 디지털 벤치마킹 벤트 파일이 입력되면, 95초마다 새로운 유닛 1개의 속도로 추가 벤트가 생산된다. Figure4 기술의 빠른 속도로 인해 3D시스템즈는 모션이나 속도 면에서 디지털 프로덕션 공정으로 특화돼 있다. 기하형상 및 소재에 따라 분당 수 mm의 속도로 3D 개체를 2D 평면에서 추출할 수 있다. 

사용하는 Figure4 구성에 따라 로봇 팔은 1차 및 2차 공정의 각 단계에서 파트를 담당해 파트의 흐름 생산이 가능하다. Figure4 프로덕션 플랫폼에서 로봇 암은 레진이 담긴 배트에서 즉시 파트를 꺼내고 세척, 건조 및 경화 작업으로 옮긴다. 

디지털 검사 역시 Figure4 모듈에 통합할 수 있으며, 4차 산업 사례 및 전략을 활용하기 위해 필요한 센서 및 데이터 캡쳐가 가능하다. Figure4 솔루션은 3D시스템즈의 소프트웨어와 결합해 MTConnect 및 OPC Unified Architecture(OPC UA) 등의 산업 표준 프로토콜을 사용해 실시간으로 통신할 수 있다. 

3D시스템즈의 소프트웨어는 국지적으로는 공장 현장, 원격으로는 웹 및 클라우드 연결을 통해 운영 및 지원 인텔리전스를 제공하며, 스마트 제조를 위해 효율적인 데이트 교환을 지원한다. 

3D시스템즈에서 구축한 직접 프로덕션은 매우 뛰어난 확장성을 자랑하며, 자동화 한 생산 라인에서 운영할 수 있다. 이뿐 아니라 장기 생산 및 단기 생산 배치를 처리하고, 다른 파트로 신속하게 생산을 전환할 수 있다. 따라서 제조업체는 설계를 빠르게 반복할 수 있으며, 최종 사용 제품을 즉시 제조할 수 있다. 

▲디지털 텍스쳐

한편, 생산 공정에서 툴링의 필요성이 사라진다는 것은 생성 시간 단축, 탁월한 유연성 및 여러 제품을 동시에 제작하는 능력을 의미한다. 주목할 만한 이점은 다음과 같다. 기존 사출 성형에서는 설계와 제조가 수 주 걸리는 반면, Figure4는 3D파트가 완성된 후 즉시 생산을 시작할 수 있다. 

이 기술은 디지털 워크플로를 통한 설계 유연성이 극대화 해 금형 없이 파트를 생산할 수 있으므로 경제적 제약 및 수량에 제약 없이 제작한다. 직접 디지털 프로덕션은 인건비, 기계 가공, 반복 및 테스트 비용을 절감해준다. 

소재는 특성 응용 분야의 품질 요구사항을 만족한다. 하이브리드 소재 배합은 사출 성형에서 사용되는 다양한 열가소성 레진에서 구현하는 물성과 유사한 광범위한 물성을 제공한다. 이외에도 대량 파트 배치 불필요, 생산 요구에 따른 뛰어난 시스템 확장성, 공구 변경을 위한 대기시간 불필요, 다양한 파트 기하형상의 고속 생산 등의 장점이 있다.