적층 제조에 기계적 시험에 대한 다른 접근이 필요한 이유
시제품에서 양산으로: 적층 제조가 확장될 때 달라지는 점
적층 제조(일반적으로 3D 프린팅으로 알려짐)는 초기의 신속 시제품 제작 도구라는 역할을 훨씬 넘어 발전해 왔습니다. 오늘날에는 다양한 산업 분야에서 기능성 하중 지지 부품을 연속 생산(양산)하는 데 점점 더 많이 활용되고 있습니다. 도입이 가속화될수록 성능, 신뢰성, 규제 준수에 대한 확신을 확보하기 위해 반복 가능하고 정확한 기계적 시험의 필요성도 함께 커지고 있습니다.
본 블로그 시리즈에서는 적층 제조의 기초, 적층 제조 부품과 관련된 고유한 시험 과제, 그리고 적절한 시험 접근과 적절한 시험 파트너가 엔지니어가 적층 제조를 개발 단계에서 생산 단계로 자신 있게 전환하는 데 어떻게 기여하는지 살펴봅니다.
적층 제조란?
적층 제조는 디지털 모델을 기반으로 재료를 층층이 추가하여 물체를 만드는 공정입니다. 이는 절삭 가공을 통해 고체 블록에서 재료를 제거하는 전통적인 절삭(감산) 제조 방식과 대조됩니다.
이러한 적층 방식은 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다. 적층 제조는 탁월한 설계 자유도를 제공하여, 가공으로는 비현실적이거나 불가능한 복잡한 내부 형상, 격자 구조, 기하 형상을 구현할 수 있습니다. 또한 빠른 반복을 지원하여 개념에서 실물 부품까지의 개발 주기를 크게 단축합니다. 더불어 금형/치공구 요구가 최소화되므로 소·중량 생산에서 비용 효율성이 높을 수 있으며, 재료 낭비도 줄일 수 있습니다. 이러한 장점은 맞춤형 주문형 생산에 특히 매력적입니다.
그러나 이러한 장점은 동시에 고품질 시험을 통해 이해하고 측정하며 관리해야 하는 새로운 변수를 만들어냅니다.
주요 적층 제조 기술
현재 산업 전반에서 다양한 적층 기술이 사용되고 있으며, 각 기술은 고유한 재료 거동과 시험 요구사항을 갖습니다.
지향성 에너지 증착(DED)은 집속된 에너지가 증착되는 재료를 용융시키는 공정이며, 와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 높은 증착률을 갖는 DED 변형으로 사실상 제어된 용접 공정입니다. WAAM은 대형 금속 부품 제작에 특히 적합하며, 대형 금속 빌드에서 더 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.
파우더 베드 융합 기술은 열원을 사용해 분말 재료를 층층이 융합하며, 다음을 포함합니다.
- 고밀도 금속 부품을 위한 선택적 레이저 용융(SLM)
- 폴리머 부품을 위한 선택적 레이저 소결(SLS)
- 티타늄과 같은 반응성 금속을 위한 전자빔 용융(EBM)
- 정밀 금속 응용을 위한 직접 금속 레이저 소결(DMLS)
바인더 제팅, 광조형(SLA) 등 기타 공정도 적층 제조 분야를 계속 확장하고 있으며, 엔지니어가 관리해야 하는 재료와 시험 요구사항의 다양성을 더욱 높이고 있습니다.
시장 동향 및 성장
적층 제조는 현재 금속, 폴리머, 세라믹, 복합재 전반에 걸쳐 사용되며, 항공우주, 자동차, 바이오메디컬, 전자, 건설, 치공구, 소비재 등으로 도입이 확산되고 있습니다. 글로벌 시장 규모는 현재 수백억 달러 수준이며, 향후 10년 동안 빠르게 성장할 것으로 전망됩니다.
주요 성장 분야로는 신규 및 최적화된 재료(신규 금속 합금 및 지속가능 소재 등), 공간적으로 물성이 달라지는 부품을 위한 다중 재료 프린팅, AI 기반 설계·공정·품질 최적화 등이 있습니다.
적층 제조가 구조 및 안전 필수 부품의 핵심 제조 방식으로 자리 잡으면서, 적층 제조 부품의 기계적 시험은 연구 및 적합성 평가뿐 아니라 검증과 인증을 위해서도 점점 더 자주 수행되고 있습니다.
적층 제조의 과제
적층 제조 부품의 기계적 특성을 고려할 때, 여러 기술적 과제가 기계적 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
적층 제조 부품에는 기공, 융합 불량, 표면 거칠기와 같은 결함이 빈번히 나타나며, 이는 기계적 약화를 초래할 수 있습니다. 이는 부품이 사실상 수천 개의 작은 ‘주조물’을 점진적으로 쌓아 올린 형태이기 때문에, 각 단계에서 잠재적 결함이 유입될 수 있기 때문입니다. 가공 및 열처리와 같은 후처리 기술로 이러한 문제를 줄일 수는 있지만, 완전히 제거할 수는 없습니다.
또 다른 주요 과제는 재료 물성의 변동성이 증가한다는 점입니다. 단일 부품 내 변동(불균질성)은 프린트 경로를 따라 열이 방출되는 정도가 달라지면서 발생할 수 있습니다. 또한 부품 간, 작업자 간, 장비 간, 그리고 공정 및 생산 파라미터에 따라 변동이 발생할 수 있습니다. 이러한 변동성은 신뢰할 수 있는 데이터를 확보하기 위해 필요한 시편 수에 영향을 줄 수 있습니다.
마지막으로, 적층 제조 부품은 이방성으로 알려진 강한 방향성을 보이는 경우가 많습니다. 부품이 층층이 제작되기 때문에, 빌드(Z) 방향의 기계적 특성은 일반적으로 XY 평면보다 약합니다. 이러한 방향성 거동은 시험 중 정확한 정렬, 제어, 반복성에 중요한 영향을 미칩니다.
Instron의 접근 방식: 정확하고 신뢰할 수 있는 시험
적층 제조는 더 높은 변동성, 더 큰 데이터 산포, 강한 방향성 거동을 수반하므로, 시험 시스템의 품질은 재료 자체만큼이나 중요합니다. 엄격한 기계적 시험은 실제 재료 거동을 시험으로 인한 영향과 구분하는 데 필수적입니다.
Instron® 시험 시스템은 초기 재료 스크리닝부터 완전한 적합성 평가 시험에 이르기까지, 적층 제조 재료에 필요한 정밀도, 안정성, 반복성을 제공하도록 설계되었습니다. 정확한 하중 및 변형률 측정에 응용 분야별 치구와 전문 지원을 결합함으로써, Instron은 엔지니어가 신뢰할 수 있는 데이터를 생성할 수 있도록 지원합니다.
성능이 결함, 변동성, 이방성에 의해 좌우되는 제조 환경에서, Instron과 같은 시험 분야 리더와의 협업은 혁신적인 설계를 신뢰할 수 있는 양산 준비 부품으로 전환하는 데 필수적입니다.
저자 소개
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove는 Instron의 ElectroPuls® 사업 개발 매니저입니다. 그녀는 케임브리지 대학교에서 적층 제조 부품의 표면 특성에 초점을 맞춘 MSci 학위를 취득했으며, 적층 제조 산업의 재료 시험 분야에서 이전 경력을 보유하고 있습니다. Instron에서는 다양한 기술 및 상업적 역할을 수행해 왔으며, 이를 통해 기술과 고객 과제 모두에 대한 탄탄한 이해를 갖추고 있습니다.