[메이커봇 제공] 실수로 레고를 밟아본 사람이라면, 딱딱한 내구성으로 인해 엄청난 고통을 온몸으로 느껴본 적이 있을 것이다. 이는 레고의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 관련이 있다. ABS는 사출 성형 소비재에 널리 사용되는 열가소성 중합체로 광택 마감 처리는 물론 높은 내구성과 인상적인 인장 강도가 특징이다.

ABS는 인장 강도 외에도 고온 저항성, 재활용성, 우수한 내화학성, 낮은 전도성 등 다양한 특성도 있다. 이를 바탕으로 ABS는 자동차 대시보드와 전자제품 하우징부터 컴퓨터 키보드와 장난감 등 우리가 일상적으로 접하는 많은 제품을 제조하는 데 널리 사용한다.

ABS 부품 제조에는 사출 성형처럼 전통적인 제조 방식을 가장 많이 활용한다. 그러나 적층 제조는 산업용 품질 등급의 ABS 프로토타입과 적은 양의 엔드 유즈(End-use) 부품을 경제적인 비용으로 빠르게 생산할 수 있다.

고급 3D 프린터에서는 일반적으로 엔지니어링 등급의 ABS 소재 부품을 생산할 수 있는 기능이 보편화됐다. 하지만 데스크탑 3D 프린터의 적층 제조 기술은 여전히 산업 설계자나 엔지니어가 기대하는 수준의 신뢰성과 일관성을 유지하지 못한다. 이로 인해 데스크탑 3D 프린터는 ABS 소재 부품을 생산하는 데 적합하지 않다는 비판이 제기된다.

ABS의 한계

문제의 근본적인 원인은 ABS의 고온 저항성과 융해점이다. ABS 부품을 식히면 박리 현상이 발생한다. 결국 부품 구조가 심각하게 약화되며, 변형과 균열이 발생한다. ABS의 가장 큰 장점인 ‘내구성’이 완전히 사라지는 셈이다. 담금질로 부품을 빠르게 식혀도 마찬가지다. 공기 노출로 인해 부품에 수축력이 가해질 수 있다. 또한 부품이 클수록 수축력으로 인해 납작한 형태로 변형될 가능성이 크다. 따라서 데스크탑 3D 프린터를 사용해 ABS 재질의 부품을 생산할 때는 세심한 냉각 공정과 밀폐형 챔버가 필요하다.

이러한 문제로 일부 엔지니어는 ABS 소재를 완전히 포기하고 PLA 등 대체 소재로 변경하곤 한다. PLA는 일반적으로 190~230도의 낮은 출력 온도(ABS의 권장 온도는 210~250도)가 필요해 변형 위험이 적다. 하지만 PLA는 융해점이 낮아 50도 이상으로 가열했을 때 인장 강도가 크게 약화되면서 부품에 균열이 발생하기 쉽다.

이처럼 엔지니어는 결코 화학적인 문제를 무시할 수 없다. 결국 ABS를 활용하고자 하는 사람들에게 여러 가지 ‘건조’ 혹은 대체 공법으로 부품 품질을 개선하는 방안을 추천할 수 있다. 대부분의 해결책은 소재를 개량하거나 3D 프린터를 개조하는 두 가지 선택지로 귀결된다.

소재 개량과 관련해 열 변색성 소재, 반투명 소재, 난연성 소재와 야광 소재에 이르기까지 다양한 개량형 ABS 소재를 찾을 수 있다. 엔지니어는 본인의 용도에 가장 적합한 화학 구성을 자유롭게 선택할 수 있다.

하지만 이러한 변형된 화학 구성에는 일반적으로 ‘비용’이라는 장애물이 발목을 잡는다. 이는 ‘3D 출력에 최적화’됐다고 평가하는 ABS도 예외가 아니다. 화학적으로 개량된 ABS는 첨가제를 넣거나 폴리부타디엔(Polybutadiene)의 비율(ABS에서 B를 말함)을 늘려 내열성을 강화할 수 있다. 반면 열변형 온도, 인장 탄성률 및 인장 강도 하락 등 여러 가지 역효과도 무시할 수 없다. 결국 자동차나 항공 우주 부품 등 고성능 응용 분야에서는 허용되지 않는 수준 이하로 제품 품질이 저하될 수 있다.

ABS 제조를 실현하는 적층 제조 기술의 진화

소재를 개량했음에도 원하는 효과를 얻지 못했다면, 3D 프린터 자체를 개조하는 쪽으로 관심을 돌리는 것이 자연스럽다. 오늘날 시판 중인 많은 데스크탑 3D 프린터는 빌드 플레이트(Build Plate)의 온도를 조절할 수 있는 기능을 지원한다. 온도 조절식 가열 베드가 설치된 경우 일부 열이 3D 출력 부품의 바닥으로 분산된다. 이는 층간 박리 위험을 줄여준다. 메이커봇의 이전 3D 프린터에도 이와 같은 방식이 사용됐지만, 그 효과가 크지는 않았다. 모든 부품 층의 온도를 균일하게 유지할 수 없기 때문이다. 변형과 균열 현상이 발생하기 쉽다는 단점이 있었다.

메이커봇의 최신 ‘METHOD’ 플랫폼은 빌드 플레이트와 빌드 플레인(Build Plane)의 온도를 제어할 수 있도록 설계했다. 밀폐형 챔버는 단순히 바닥을 가열하기보다 챔버 안에서 열을 재순환 시켜 양쪽에서 흡기 현상이 발생하도록 유도할 수 있다. 따라서 프린터 설정을 수정하지 않아도 모든 층을 동일한 열 조건에서 출력한다. 이를 통해 더 뛰어난 품질을 유지할 수 있다. 더불어 전통적인 제조 방식보다 훨씬 저렴한 비용으로 정확한 규격의 생산 등급 ABS 부품을 확보할 수 있다.

물론 빌드 플레인 온도를 제어하는 새로운 방식을 사용하더라도 해결해야 할 문제는 여전히 남아 있다. 압출기의 온도가 더 높은 환경에서는 팽창 현상이 발생할 수 있기 때문이다. 이렇게 데스크탑 3D 프린터로 ABS를 생산하는 작업은 근본적으로 열 문제가 여전히 남아있다.

해답은 미래의 제조 산업에 대한 메이커봇의 비전, 즉 적층 제조를 중심으로 한 분산형 주문 생산 모델에 있다. 사출 성형 ABS는 속도와 저렴한 비용 덕분에 앞으로도 수년 동안 대량 생산에 가장 적합한 선택지로 여전히 남아 있을 것이다. 그러나 필요한 수량이 상대적으로 소량이거나 맞춤형 생산이 필요한 경우라면 오히려 적층 제조가 매우 유리하다. 도구나 프로토타입, 최종 부품을 생산할 때 일반적으로 사용하던 기존의 비용 대비 편익 분석은 이제 의미가 없다. 적층 제조는 기존의 방법보다 훨씬 저렴한 비용으로 제품을 혁신할 수 있다. 설계를 빠르게 테스트할 수 있으며, 이를 수정해 출시 기간도 단축 가능하다.

ABS 제조 요건을 충족하는 고가의 대형 산업용 3D 프린터가 아니라 기존의 3D 프린터로도 엔지니어링 등급 ABS를 생산할 수 있게 된다면, 훨씬 더 많은 엔지니어가 적층 제조만의 특별한 이점을 누릴 수 있다. 최근 출시된 메이커봇 ‘METHOD X 3D 프린터’는 산업용 품질 등급 적층 제조의 비약적인 변화를 가져올 것으로 보인다. 일반 설계자나 엔지니어가 엔지니어링 등급 엔지니어링 등급 ABS를 사용해 더욱 정확하고 기능적인 프로토타입과 더 견고하고 안정적인 제조용 부품을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

로봇 솔루션 기업인 ‘All Axis Robotics’의 사례로도 METHOD X로 달성 가능한 품질 수준을 파악할 수 있다. All Axis Robotics는 로봇 엔드디펙터(end-defector)의 설계를 생산 현장에 맞게 개조하기 위해 맞춤형 ABS 부품 연삭기를 제작해야 했다. All Axis Robotics 팀은 METHOD X 덕분에 몇 시간 만에 매우 견고하고 내구성이 뛰어난 ABS 소재로 연삭기를 제작할 수 있었다. 아울러 일반적으로 외부 업체에 의뢰할 때 발생하는 높은 비용과 긴 리드 타임 문제도 동시에 해결했다.

생산에서 ABS의 비중은 유례없이 커졌다. 결국 진일보한 적층 제조 기술이 전통적인 방법의 대안으로 떠오르면서 더욱더 많은 산업에 영향을 미칠 것으로 예측된다. 고가의 대형 산업용 3D 프린터는 여전히 ABS에 대한 특정 산업 요건을 충족하는 중요한 수단으로 군림하고 있다. 하지만 엔지니어링 등급 ABS를 지원하는 3D 프린터가 훨씬 더 많은 엔지니어에게 다채로운 기회의 문을 열어줄 수 있다는 사실은 의심할 여지가 없다.

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