[인더스트리뉴스 김관모 기자] 3D시스템즈는 세계 3D 프린터 역사의 시작을 알린 글로벌 업체다. 1984년 미국 발명가 찰스 헐(Charles Hull)은 광경화 수지 조형 방식이라고 불리는 SLA(Stereolithography Apparatus) 타입의 3D 프린터를 고안한 뒤, 1986년 세계 최초의 3D 프린터 회사 3D시스템즈를 설립했다. 글자나 그림만이 아닌 물체를 출력할 수 있다는 신개념을 처음 세상에 알리면서 3D시스템즈는 센세이션을 일으켰고, 이제는 세계 3D 프린터 산업의 선도자 역할을 맡고 있다. 이에 3D시스템즈의 한국지사인 3D시스템즈코리아도 2012년 출범했다.

3D시스템즈코리아는 1998년 설립된 국내 3D 스캐닝 소프트웨어 전문기업 아이너스의 기술 인수를 통해 한국지사화를 시작했으며, 100명이 넘는 엔지니어들을 갖춰 한국 제조 산업에서 3D 프린터/적층제조 정착을 리딩하고 있다.

미래산업으로 넘어가는 시기… 3D 프린팅으로 지원하다

3D시스템즈는 태생적으로 외국기업이지만, 20년 넘게 한국 제조산업계에 뿌리내리면서 국내 3D 프린터 산업의 발전에 기여해왔다. 하지만 기술의 한계와 제조업체의 적층제조에 대한 인식 부족 등을 이유로 한국 3D 프린팅 산업의 성장은 쉽지 않았다. 또한, 국내 프린터 제조사 육성 정책이 강화되면서 3D시스템즈코리아는 제조 현장 개척에도 다양한 어려움을 겪었다.

하지만, 4차 산업혁명과 디지털 트랜스포메이션 이슈가 전세계를 강타하면서 한국 제조산업도 점차 성숙단계에 들어서고 있다. 근자에는 대한민국의 우주항공의 발전, 미래형 자동차의 개발, 코로나 바이러스 팬데믹으로 인한 글로벌 밸류 체인의 변화와 더불어 언택트(Untact)라고 불리는 디지털 제조 생산의 필요성이 재조명되면서 다시금 3D 프린팅 기술에 대한 관심도 높아지고 있다. 신제품 개발과 더불어 실제 양산 부품 생산에 적층제조를 접목하려는 프로젝트가 늘어나면서 3D시스템즈코리아는 다양한 적층제조 컨설팅 프로젝트 요청을 받고 있다.

3D시스템즈코리아 백소령 본부장은 “국내외 자동차 관련 협회 등의 전망에 따르면 현 3만5,000여개의 자동차 부품 가운데 1/3이 사라질 것이라고 보고 있으며, 경우에 따라서는 2/3까지 사라질 것이라는 예측도 있다”며, “내연 기관에서 전기 에너지 시대로 바뀌면서 전반적인 설계변경이 일어나게 될 것이며 거기에 3D 프린터가 자리를 잡아가고 있다”고 설명했다.

따라서 변화하는 산업계 속에서 3D시스템즈는 세 가지 이슈를 해결해 새로운 스마트 제조산업 육성에 동참하고 있다.

소재‧속도‧품질 제어로 스마트 제조분야의 변혁 돕는다

첫 번째로 3D시스템즈가 가장 심혈을 기울이고 있는 것은 제조산업에서 양산 부품을 생산 할 수 있는 수준의 물성을 가진 소재의 론칭과 기계적, 화학적, 전기적 물성 정보의 지원이다. 특히 3D시스템즈는 기존 프린터 소재들과는 달리 강도와 경도, 유연성은 물론 특수 강성, 내열성, 난연성, 장기적 실내외 환경 안정성, 생체 친화성, 화학적 친화성, 전기적 물성 등을 국제 표준 규격에 따른 시험과정을 통해 고객에게 제공하고 있다. 이러한 소재의 물성정보는 3D 프린터를 활용한 양산 라인 구축을 독려하는 효과도 거두고 있다.

백 본부장은 “기존 프린터들의 물성 데이터 정보가 단순 기계정보만을 제시하는 반면 3D시스템즈에서는 제조현장에서 사용할 수 있는 국제규격 기준의 테스트 결과와 검증 및 인증 관련 등급까지 모두 제공하고 있어서 고객들이 현장에 최적화된 소재를 찾기 쉽게 돕고 있다”고 설명했다.

둘째는 현장에서의 실증과 인증 체계 구축을 통해 품질을 실제로 검증하는 품질 제어 분야다. 이는 3D 프린터 업체가 현장의 피드백을 적극적으로 수용하고 지속적으로 업그레이드하는 과정에서 이뤄진다. 3D시스템즈는 내부 프로세스 엔지니어링팀의 반복 검증 과정을 통해 검증된 물성 DB와 제조 공정 노하우를 구축했다. 아울러 플라스틱 적층 제조 전문 소프트웨어인 ‘3D SPRINT’와 금속 적층제조 전문 소프트웨어인 ‘3DXpert’를 통해 설계데이터의 검증, 프린팅 성형 타당성 검증, 프린팅 과정시 성형 중인 파츠에 대한 실시 모니터링, 완성품에 대한 내부 기공, 소결 및 결정화 여부 검증을 거쳐 실증 및 품질 제어를 지원하고 있다.

3D시스템즈는 이러한 프린팅 전문 소프트웨어를 통해 쾌적한 워크플로어와 검증된 공정 파라미터 및 품질 검증 기능 제공을 통해 설계, 양산, 품질 관리에 이르는 전 주기에 걸쳐 디지털 적층제조 솔루션을 업그레이드 공급해 나가고 있다. 3D시스템즈코리아에도 약 100명의 엔지니어가 포진하고 있어서 국내 현장의 니즈를 즉각적이고 능동적으로 해결해나가고 있다.

세 번째는 속도다. 백 본부장은 “근 3여년 간 제조산업에서도 3D프린터를 단순 형상 검토 시제품 생산뿐만 아니라 기능성 시제품에 활용하고, 생산 현장에 빠르게 대응하는 치공구 제작에 폭넓게 활용하고 있다”며, “기능성 시제품와 생산 툴 제작이 활성화되면서 기존 3D 프린터고객들이 프린터를 이용한 양산에 대한 도전을 시도하게 됐다”고 말했다. 하지만 그런데 여전히 3D 프린터를 이용한 성형속도로는 양산 체제를 갖추기 어렵다는 지적이 많았다.

이에 3D시스템즈는 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 프로젝트를 통한 공정 단축과 3D 프린팅 장비의 속도향상을 위한 기술 업그레이드를 통해 생산속도를 높이고 있다. 백 본부장은 “Figure 4 같은 NCM(Non Contact Membrane) 방식을 통해 한 층 한 층 레이어링 하는 물리적 시간을 없애고, 레이저 성형 기술에서는 다중 레이저를 사용한 생산성 향상을 높는 방식으로 해결책을 찾아가고 있다”고 전했다. 또한, 3D시스템즈는 서포트 제거에 드는 수작업을 금속 적층 제조의 경우 절삭가공기술과 연계를 통해 하이브리드 디지털 공정으로 자동화 공정을 지원하고 있다. 또한, 플라스틱 적층제조의 경우 화학적 처리 기법 및 로봇 핸들링을 기술을 접목하여 서포트 제거 및 표면 처리의 자동화 공정을 찾아 나가고 있다.

레이어링 작업 없는 연속출력으로 기존 DLP의 한계 넘는다

특히 3D시스템즈의 SLA와 SLS(Selective Laser Sintering) 프린터는 3D시스템즈가 세계 최초 3D프린터 기술로 개발해 40여 년 동안 전 세계적으로 그 성능을 인정받아 효자 노릇을 해왔다. 하지만 이밖에도 3D시스템즈는 다양한 기술을 개발하면서 기존 프린터들이 가진 한계를 뛰어넘는 솔루션을 갖춰나가고 있다.

먼저 NCM 방식을 갖춘 ‘Figure 4’는 광조형 방식으로 기존 DLP(Digital Light Processing) 프린터가 가진 한계를 극복한 제품이다. 기존 DLP 프린터는 UV(자외선) 광이 층층이 레진을 경화시켜나가는 과정에서 투과 필름막에 레진이 접촉된 상태에서 조사가 일어난다. 이렇게 되면 충간 경화 작업 이후 투과 필름막 접촉 및 성형의 반복되는 물리적 작업으로 불안전 현상이 나타나서 부품 성형의 정밀성이 떨어진다. 반면, NCM 방식은 UV 광 투과막이 성형 부품과 접촉하지 않기 때문에 성형 부품의 정밀성이 향상된다. 또한 레진 충진을 위한 별도의 레이어링 작업이 없이 연속 출력이 가능해 생산성도 크게 향상시킨다. Figure 4는 소재마다 차이는 있지만 시간당 최고 110mm 높이의 적층 성형이 가능하다.

특히 Figure 4는 다양한 산업군의 다양한 수요를 충족하기 위해 △Figure4 SA(Stand Alone) △Figure 4 모듈러 △Figure 4 프로덕션 등 3가지 제품군으로 제공한다. Figure 4 SA의 경우, 경제적인 가격으로 부담도 적은 편이며, 16종의 소재를 간편하게 교체하여 기능성를 구비한 양산급 수준의 소재로 제품을 출력할 수 있다. 먼저, Figure 4 모듈러 제품의 경우, 기준 베이스 컨트롤러에 이종 소재를 장착한 여러 대의 프린터를 연동해 다품종 소량 생산이 가능한 ‘디지털 적층 제조 시스템’으로 확장 구축이 가능한 시스템 솔루션이다. Figure 4 프로덕션은 양산 부품의 단위 부품의 생산 분(minutes)을 기준으로 프린팅 셀, 세척, 경화 등의 워크 벤치를 커스텀으로 구성하고 컨베이어 벨트 및 로봇, CNC 컨트롤러 등과 연동해 스마트팩토리 구축을 지원하고 있다. 미국 항공 업체 및 성인용 토이 생산 업체에서 해당 Figure 4 프로덕션을 이용한 생산 체계를 구축 운영하고 있다.

멀티젯 통해 친오피스 및 친안전·환경 3D 프린팅 보급

또한 3D시스템즈는 산업계의 전문 시제품 제작 프린터인 멀티젯 3D 프린터(MultiJet 3D Printer)도 다양한 신규 소재의 개발을 통해 라인업을 확장해 나가고 있다. 이 프린터는 잉크젯 프린터와 같은 원리로 프린터 헤드의 수백 개의 노즐을 통해 재료를 분사함과 동시에 UV 광으로 경화해 적층가공하는 방식으로, 광경화 수지 및 연성 고무 소재 그리고 서포트(support) 역할을 하는 왁스가 동시에 분사된다. 가공이 완료된 이후 오븐에 넣어 열을 가하면 서포트인 왁스만 녹여 버리기 때문에 수작업으로 서포트를 제거하는 후작업을 하지 않아도 된다. 따라서 이 프린터는 초보자에게도 접근이 용이하고 오피스 환경에서도 활용할 수 있는 장점을 가지고 있는 프린터다.

또한, 왁스소재로 캐스팅 패턴 성형을 통한 금속 부품 제작도 가능하다. 이뿐만 아니라 이 프린터는 설계 디자이너들 또한 오피스 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있도록 전 세계 3D 프린터 가운데에서는 유일하게 KC(안전·보건·환경·품질 등의 법정 강제인증제도를 단일화한 국가인증통합마크) 인증을 받아 사무실 환경에서도 안전하게 다양한 형상 및 기능성 검증을 위한 시제품을 신속하게 제작할 수 있다.

이렇듯 3D시스템즈코리아는 다양한 기술 개발과 솔루션 컨설팅을 통해 대한민국 제조기업, 연구기관 및, 학계와 연계해 대한민국 제조 산업의 혁신과 4차산업으로의 진화를 위한 도전을 전개해 나가고 있다. 백 본부장은 “변화의 속도가 가장 느리고 무거웠던 자동차 시장에서 변화가 일어나고 있으며, 미래형 모빌리티, 국방업체와 KFX, 항공추진체 계열에서도 활발한 움직임이 나타나고 있다”며, “이런 산업의 니즈를 수용할 수 있는 물성을 갖춘 소재의 지속적인 확장과 솔루션 개발을 위해 더욱 노력할 것”이라고 강조했다.

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