제품을 제작하는데 있어서 소요되는 시간과 비용의 절감은 모든 생산자들에게 주어진 하나의 과제입니다.

많은 제조 방식이 이에 도전장을 내밀었지만 가장 마지막에 웃은 것은 역시 3D 프린팅 기술이었습니다. 무려 생산 소요 기간을 95%나 단축하는데 성공한 것인데요, 자세한 내용을 함께 확인해 보시겠습니다.

주조 방식이라는 단어를 들었을 때 가장 먼저 떠오르는 것은 아무래도 용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어 형상을 만드는 방식을 것입니다. 이 방식은 약 5,000년에 달하는 긴 역사를 가진 근본 중에 근본입니다. 지난 세기 동안에 인류가 발전했듯 왁스 패턴을 태워 제조한 후 세라믹 금형에서 금속 부품을 만드는 기존 정밀 주조 방식도 어느 정도 발전을 거듭하였습니다. 

하지만 아무리 발전을 했다고 해도 필요한 툴링 제작은 여전히 기대치 만큼 속도를 내지 못했고 천문학적인 비용도 요구되는 게 문제였습니다. 아래 사진을 참고하시면 이해가 빠를 것입니다. 본격적인 생산에 들어가는 과정만 약 8 주에서 12 주가 소요됐고 그것도 경제적인 여건도 뒷받침되어야만 가능한 이야기였죠.

하지만 3D 프린터가 세상에 등장한 후 여러 산업에서 활용되기 시작하면서 정밀 주조 분야에도 커다란 변화의 바람을 일으켰습니다. 3D 프린팅 기술이라는 나비의 작은 날개짓이 정밀 주조 산업에 큰 태풍을 야기한 건데요, 실제로 8 주에서 12 주 가량 소요되던 시간이 약 95% 단축되어 2-3일 만에 본격적인 생산에 들어갈 수 있게 되었습니다. 그 예시로 Vaupell이라는 회사 이야기를 공유해 드리겠습니다.

Vaupell은 약 70년 동안 항공 우주 구성품과 서브어셈블리를 납품해온 공급 업체이자 3D 프린팅 분야에서 20년 넘게 종사한 베테랑 기업입니다. 그들은 3D Systems의 정밀 주조용 SLA(광조형) 프린터를 이용하여 매우 복잡한 부품을 빠르게, 저렴하게 제작하여 공급할 수 있었습니다. 전통적인 방식과 비교했을 때 소요되는 비용과 시간을 대폭 단축했으며 품질 향상도 이루어냈습니다. 또한 항공 우주 시장은 복잡한 형상을 가진 부품을 소량만 요구하기 때문에 다품종 소량 생산이라는 강점을 지닌 3D 프린팅 기술은 너무나도 적합했죠.

위 부품 사진을 통해 조금 더 구체적으로 설명을 드리겠습니다. 위 부품은 26인치라는 직경을 가지고 있습니다. 해당 부품을 왁스 도구로 제작한다면 시간이 어느 정도 소요될까요? 적게는 수개월에서 많게는 1년 이상입니다. 그만큼 비용도 많이 발생되고 인력도 필요하겠죠.

하지만 3D Systems의 SLA 3D 프린터를 사용한다면 이야기가 달라집니다. SLA 3D 프린터는 대용량 출력이라는 강점을 바탕으로 대형 부품을 출력하거나 크기가 조금 작은 부품을 다수 출력할 수 있고 물론 이 과정에서 뛰어난 유연성과 속도가 뒷받침 됩니다. Vaupell은 이 장비를 활용하여 위 부품을 2-3일 만에 제작할 수 있었습니다.

실제 담당자의 이야기를 들어보겠습니다. Vaupell의 담당자는 "SLA 3D 프린터 장비는 대형 플랫폼 제작에 있어 여타 장비와 비교할 수 없는 강점을 가지고 있다" 라고 언급했습니다. 아울러 "빌드 사이즈가 작은 3D 프린터였다면 2회에 걸쳐 출력해야 했을 대형 부품이 단 한 번 만으로 제작이 됐고 그에 따라 소요 기간과 인건비 절약에 큰 도움을 주었다" 라며 덧붙였습니다.

3D 프린터를 생산 공정에 도입한 후 Vaupell에게는 어떤 변화가 생겼을까요?

3D Systems의 SLA 장비 도입 이후 Vaupell은 해당 장비의 정교성에 힘입어 복잡한 형상도 쉽게 제작할 수 있었고 덕분에 항공우주 산업 고객들의 디테일한 니즈를 만족시킬 수 있었다고 밝혔습니다. SLA는 높은 정밀도와 정확한 공차, 그리고 대형 프린트 베드를 가지고 있습니다. 또한 레진의 마감 처리 역시 굉장히 우수하기 때문에 출력 이후 후처리 시간 단축에도 효과적이며 큰 빌드 사이즈를 가지기 때문에 2개를 하나로 합치는 작업이 불필요합니다.

혹자는 정밀 주조 시장이 앞으로 두 가지 비즈니스 요건을 갖춰야 한다고 말합니다.

하나는 어떤 방법으로든 툴링이 불가능한 부품에 사용할 주조 개발이고, 나머지 하나는 너무 복잡해서 생산에 적합한 금형을 제작하는데 수년이 걸리는 부품에 사용될 수 있는 주조 개발입니다.

눈치 채셨겠지만 이 두 요건을 가장 잘 충족할 수 있는 것은 역시 3D 프린팅입니다. 항공우주 산업에 종사하는 회사들은 3D 프린팅 기술을 통해 복잡한 형상도 쉽게 설계할 수 있으며 어셈블리를 구성하는 부품 수를 줄여 중량을 낮추는 동시에 강도와 내구성은 그대로 유지하거나 심지어는 높일 수도 있다고 말합니다.

앞서 언급했듯 시간도 대폭 감소시킬 수 있죠. Vaupell의 관계자는 "SLA 3D 프린터의 속도에 힘입어 고객들에게 빠른 속도로 부품을 납품할 수 있게 되었다. 고객이 생산 또는 원형 제작 도구를 설계해 제작한 후 테스트하여 온라인으로 가져오기 한참 전에 요청한 부품을 공급하고 있다" 라고 설명했습니다.

해당 회사의 한 프로젝트를 예를 들면 SLA 3D 프린터를 활용하여 복잡한 정밀 주조 패턴을 개발한 후 부품을 생산했더니 불과 2.5일 만에 부품 20개를 생산할 수 있고 매월 120개까지 빠르게 확장할 수 있었다고 합니다. 이를 통해 고객과의 계약을 성공적으로 끝냈으며 고객사의 비용 절감에도 큰 도움을 주었습니다. Vaupell은 1년을 통틀어 보았을 때 2~3가지 패턴을 한 달에 150개까지 생산하고 있습니다.

SLA 3D 프린터가 왁스 툴링을 압도할 수 있었던 원동력은 어디에 있을까요? 다양한 요소가 작용했겠지만 아무래도 가장 큰 이유는 금속에 적층되는 왁스의 수축은 계산하지 않고 금속 수축만 계산해도 된다는 것입니다. 또한 패턴이 정확하여 왁스 툴링과 비교했을 때도 더욱 정밀한 공차를 유지할 수 있다는 장점도 있죠.

아울러 실수를 두려워 하지 않아도 된다는 점도 주목해야 할 부분입니다. 전통적인 생산 방식은 패턴에서 실수가 발생하거나 예상한 것보다 성능이 좋지 않다면 상사 혹은 고객사의 쓴 소리를 들었어야 하거니와 막대한 시간, 비용을 다시 쏟아야 하기에 담당자에게 부담이 많이 됐습니다. 하지만 3D 프린터를 사용한다면 그저 새로운 패턴을 디자인한 후 다시 출력해서 확인하는 과정을 반복하며 최고의 결과 값을 얻어내면 되기에 문제가 되지 않습니다.

기존 정밀 주조 회사들 대부분이 원형 제작 비즈니스를 중단했다는 사실만 봐도 알 수 있을 것입니다.

기존 왁스 금형을 사용한 반복적 설계 원형 제작은 경제적인 관점에서 보았을 때 바람직하지 않습니다. 하지만 SLA는 반복 설계에 매우 적합하여 부품 개발과 프로세스 개발을 모두 지원합니다.

3D프린팅 초기에는 정밀 주조에 대한 관심이 주로 사용 가능한 소재의 품질과 속성에 집중되어 있었습니다. 하지만 이러한 관심은 Accura CastPro Free 같은 소재가 출시되면서 사라졌습니다.

CastPro Free는 폴리카보네이트와 유사한 투명 소재로 중금속이 전혀 없습니다. 정확도도 매우 높아서 안정적이고 품질 높은 정밀 주조 패턴을 제작하는 데 적합합니다.

CastPro Free는 기존에 출시된 레진과 비교했을 때 연소 후 잔류 회분이 적어서 후처리 시간이 줄어드는 동시에 품질을 높일 수 있습니다.

관계자는 "레진이 완전 연소가 되지 않으면 고객에게 문제가 생깁니다. 완전 연소와 연소 청청도가 CastPro Free의 품질에 절대적인 역할을 하는 이유도 여기에 있습니다."라고 강조했습니다.