적층 제조 공정과 설계 적용 기준

적층 제조 공정과 설계 적용 기준

1. 개요

Additive Manufacturing은 재료를 한 층씩 쌓아 올려 원하는 형상을 만드는 제조 공정군이다. Material Removal이 불필요한 재료를 제거하여 형상을 만드는 방식이고, Forming이 재료를 변형시켜 형상을 만드는 방식이라면, Additive Manufacturing은 필요한 위치에 필요한 만큼의 재료를 추가하여 형상을 만든다.

Additive Manufacturing은 일반적으로 3D Printing이라는 용어로도 불리지만, 산업 설계 관점에서는 단순한 출력 기술이 아니라 설계 자유도, 시제품 검증, 복잡 형상 제작, 경량화 구조, 맞춤형 생산, 소량 생산, 공정 통합을 가능하게 하는 제조 방식으로 이해해야 한다.

대표적인 Additive Manufacturing 공정은 다음과 같다.

  • FDM / FFF

  • SLA

  • DLP

  • MSLA

  • SLS

  • MJF

  • SLM

  • DMLS

  • EBM

  • Binder Jetting

  • Material Jetting

  • Directed Energy Deposition

  • Sheet Lamination

Additive Manufacturing의 핵심은 단순히 “3D 프린터로 출력하는 것”이 아니다. 설계자는 적층 방향, 서포트 구조, 층 두께, 재료 수축, 열변형, 표면 거칠기, 내부 충진 구조, 후처리, 치수 정밀도, 기계적 이방성, 생산 시간, 장비 한계를 함께 고려해야 한다.

2. Additive Manufacturing의 역할

Additive Manufacturing의 핵심 역할은 기존 제조 방식으로 만들기 어렵거나 비경제적인 형상을 유연하게 제작하는 것이다.

절삭, 주조, 사출, 프레스, 용접과 같은 전통 제조 공정은 각각 강력한 장점을 가지고 있지만, 금형, 공구 접근성, 절삭 깊이, 조립 구조, 생산 수량에 따른 제약이 존재한다. Additive Manufacturing은 이러한 제약 일부를 완화하고, 설계자가 형상과 기능을 더 빠르게 검증할 수 있게 한다.

Additive Manufacturing의 역할은 다음과 같이 정리할 수 있다.

  • 시제품을 빠르게 제작한다.

  • 복잡한 내부 형상을 만들 수 있다.

  • 금형 없이 소량 생산이 가능하다.

  • 경량화 구조를 구현할 수 있다.

  • 여러 부품을 하나의 부품으로 통합할 수 있다.

  • 맞춤형 부품 제작에 적합하다.

  • 설계 변경에 빠르게 대응할 수 있다.

  • 기존 공정의 전단계 검증 수단으로 사용할 수 있다.

  • 금형, 지그, 고정구, 검사구 제작에 활용할 수 있다.

  • 일부 고기능 부품의 직접 생산에도 적용할 수 있다.

예를 들어 기계 설계 초기에는 3D 프린팅으로 커버, 브래킷, 핸들, 센서 마운트, 배선 가이드, 공압 피팅 배치용 지그를 빠르게 제작하여 조립성과 간섭을 검토할 수 있다. 금속 적층 제조는 냉각 채널이 포함된 금형, 경량 브래킷, 복잡한 유체 매니폴드, 항공우주 부품 등에 활용될 수 있다.

3. Additive Manufacturing의 기본 원리

Additive Manufacturing은 3D CAD 데이터를 층 단위로 분할하고, 각 층의 단면 형상을 순차적으로 형성하여 전체 3D 형상을 만드는 방식이다.

기본적인 공정 흐름은 다음과 같다.

3D CAD 모델 작성
→ STL, 3MF, STEP 등 출력 데이터 준비
→ 슬라이싱
→ 적층 방향 설정
→ 서포트 생성
→ 장비 조건 설정
→ 적층 제조
→ 서포트 제거
→ 후처리
→ 검사
3D CAD 모델 작성
→ STL, 3MF, STEP 등 출력 데이터 준비
→ 슬라이싱
→ 적층 방향 설정
→ 서포트 생성
→ 장비 조건 설정
→ 적층 제조
→ 서포트 제거
→ 후처리
→ 검사

Additive Manufacturing에서 중요한 요소는 다음과 같다.

요소

설명

설계 영향

적층 방향

부품이 쌓이는 방향

강도, 표면 품질, 서포트, 출력 시간에 영향

층 두께

한 층의 높이

표면 품질, 정밀도, 출력 시간에 영향

서포트

돌출부와 오버행을 지지하는 구조

후처리, 표면 손상, 비용에 영향

재료

필라멘트, 수지, 분말, 금속 분말 등

강도, 내열성, 표면, 후처리 결정

내부 충진

내부 밀도와 패턴

중량, 강성, 출력 시간, 강도에 영향

열관리

가열, 냉각, 수축, 잔류응력

변형과 치수 안정성에 영향

후처리

세척, 경화, 열처리, 가공, 연마

최종 품질과 기능성 결정

장비 한계

빌드 사이즈, 해상도, 재료 호환성

제작 가능 크기와 정밀도 결정

Additive Manufacturing의 공통 원칙은 다음과 같다.

  • 모든 형상이 자유롭게 만들어지는 것은 아니다.

  • 적층 방향에 따라 강도와 표면 품질이 달라진다.

  • 오버행과 브리지에는 서포트가 필요할 수 있다.

  • 층간 결합은 재료 내부 강도보다 약할 수 있다.

  • 출력물은 수축, 뒤틀림, 잔류응력을 가질 수 있다.

  • 정밀 기능면은 후가공이 필요할 수 있다.

  • 출력 시간은 부품 높이와 적층 조건에 크게 영향을 받는다.

4. 대표 공정 분류

Additive Manufacturing은 재료 상태와 적층 방식에 따라 여러 공정으로 나눌 수 있다.

공정

재료

적층 방식

주요 특징

FDM / FFF

열가소성 필라멘트

녹인 재료를 노즐로 압출

저비용, 시제품에 적합

SLA

광경화 수지

레이저로 수지를 경화

높은 표면 품질과 정밀도

DLP

광경화 수지

프로젝터로 면 단위 경화

빠른 수지 출력

MSLA

광경화 수지

LCD 마스크로 면 단위 경화

보급형 고해상도 수지 출력

SLS

폴리머 분말

레이저로 분말 소결

서포트 없이 복잡 형상 가능

MJF

폴리머 분말

바인더와 열로 융착

생산성 우수

SLM / DMLS

금속 분말

레이저로 금속 분말 용융

고강도 금속 부품 제작

EBM

금속 분말

전자빔으로 용융

고온 금속 재료에 적합

Binder Jetting

분말

바인더로 분말 결합 후 후소결

대량 생산 가능성

Material Jetting

수지, 왁스

액상 재료를 분사 후 경화

고해상도, 다재료 가능

DED

금속 분말 또는 와이어

에너지로 재료를 직접 적층

보수, 대형 금속 적층에 적합

이 공정들은 모두 층을 쌓아 형상을 만들지만, 설계 기준은 서로 다르다. FDM은 적층 방향과 층간 강도가 중요하고, SLA와 MSLA는 서포트와 후경화가 중요하다. SLS는 분말 제거가 중요하며, 금속 적층은 열변형, 잔류응력, 후가공, 열처리가 매우 중요하다.

5. FDM / FFF

FDM / FFF는 열가소성 필라멘트를 가열하여 녹인 뒤, 노즐을 통해 압출하면서 층별로 형상을 만드는 공정이다. 가장 널리 사용되는 Additive Manufacturing 방식 중 하나이며, 시제품, 지그, 간단한 기능 부품 제작에 많이 사용된다.

대표적인 재료는 다음과 같다.

  • PLA

  • ABS

  • PETG

  • ASA

  • Nylon

  • PC

  • TPU

  • PEI

  • PEEK

  • 탄소섬유 충전 필라멘트

  • 유리섬유 충전 필라멘트

FDM / FFF의 장점은 다음과 같다.

  • 장비와 재료 비용이 비교적 낮다.

  • 시제품 제작이 빠르다.

  • 다양한 열가소성 재료를 사용할 수 있다.

  • 대형 출력이 비교적 쉽다.

  • 내부 충진 구조를 조절할 수 있다.

  • 지그, 고정구, 커버, 브래킷 제작에 적합하다.

FDM / FFF의 한계는 다음과 같다.

  • 표면에 적층 결이 나타난다.

  • 층간 강도가 약할 수 있다.

  • 치수 정밀도는 절삭 가공보다 낮다.

  • 오버행에는 서포트가 필요하다.

  • 수축과 뒤틀림이 발생할 수 있다.

  • 고온 재료는 챔버 온도와 베드 온도 관리가 필요하다.

설계자가 고려해야 할 항목은 다음과 같다.

  • 적층 방향

  • 노즐 직경

  • 층 두께

  • 벽 두께

  • 내부 충진율

  • 서포트 필요성

  • 브리지 길이

  • 오버행 각도

  • 수축률

  • 뒤틀림

  • 후가공 가능성

  • 체결부 보강

FDM 부품 설계에서는 하중 방향과 적층 방향의 관계가 매우 중요하다. 층과 층 사이의 접합면은 취약할 수 있으므로, 인장 하중이 층을 분리하는 방향으로 작용하지 않도록 배치해야 한다.

하중 방향이 층을 분리함
→ 층간 박리 가능성 증가
→ 강도 저하
→ 적층 방향 재검토 필요
하중 방향이 층을 분리함
→ 층간 박리 가능성 증가
→ 강도 저하
→ 적층 방향 재검토 필요

6. SLA, DLP, MSLA

SLA, DLP, MSLA는 광경화 수지를 빛으로 경화시켜 형상을 만드는 수지 기반 Additive Manufacturing 공정이다. 일반적으로 FDM보다 표면 품질과 세부 표현력이 우수하다.

6.1 SLA

SLA는 레이저를 이용해 수지 표면을 선택적으로 경화하는 방식이다.

SLA의 특징은 다음과 같다.

  • 표면 품질이 우수하다.

  • 세밀한 형상 표현에 적합하다.

  • 정밀 시제품 제작에 유리하다.

  • 출력 후 세척과 후경화가 필요하다.

  • 수지 물성은 열가소성 플라스틱과 다를 수 있다.

6.2 DLP

DLP는 프로젝터를 이용해 한 층 전체를 한 번에 경화하는 방식이다.

DLP의 특징은 다음과 같다.

  • 면 단위 경화로 출력 속도가 빠를 수 있다.

  • 해상도는 프로젝터와 광학계에 영향을 받는다.

  • 소형 정밀 부품에 적합하다.

  • 수지 세척과 후경화가 필요하다.

6.3 MSLA

MSLA는 LCD 마스크를 이용해 UV 빛을 선택적으로 통과시켜 수지를 경화하는 방식이다.

MSLA의 특징은 다음과 같다.

  • 보급형 장비가 많다.

  • 높은 XY 해상도를 구현할 수 있다.

  • 여러 개의 부품을 동시에 출력해도 층당 시간이 크게 증가하지 않는다.

  • LCD 수명과 광량 균일성이 품질에 영향을 준다.

  • 출력 후 세척, 후경화, 서포트 제거가 필요하다.

수지 출력 설계에서 고려해야 할 항목은 다음과 같다.

  • 배치 방향

  • 서포트 위치

  • 중공 구조의 배수 구멍

  • 수지 갇힘 방지

  • 후경화 수축

  • 취성

  • 표면 품질

  • 세척 가능성

  • 세부 형상 두께

  • 장기 내구성

수지 출력물은 외관과 세부 표현력은 우수하지만, 취성, 열변형, 장기 내구성 문제가 있을 수 있다. 따라서 기능 부품으로 사용할 경우 실제 하중, 온도, 화학물질 접촉 조건을 검토해야 한다.

7. SLS와 MJF

SLS와 MJF는 폴리머 분말을 이용해 부품을 만드는 분말 기반 Additive Manufacturing 공정이다. 분말 자체가 출력 중 부품을 지지하기 때문에 별도 서포트 없이 복잡한 형상을 만들 수 있다.

7.1 SLS

SLS는 레이저를 이용해 폴리머 분말을 선택적으로 소결하여 형상을 만든다.

대표 재료는 다음과 같다.

  • PA12

  • PA11

  • TPU

  • 유리섬유 충전 나일론

  • 탄소섬유 충전 나일론

SLS의 장점은 다음과 같다.

  • 별도 서포트가 필요 없다.

  • 복잡한 내부 형상을 만들 수 있다.

  • 기능성 플라스틱 부품 제작에 적합하다.

  • 여러 부품을 한 번에 배치할 수 있다.

  • FDM보다 등방성에 가까운 물성을 얻을 수 있다.

SLS의 한계는 다음과 같다.

  • 표면이 다소 거칠다.

  • 분말 제거가 필요하다.

  • 내부 폐쇄 공간에 분말이 갇힐 수 있다.

  • 장비와 재료 비용이 FDM보다 높다.

  • 치수 수축 보정이 필요하다.

7.2 MJF

MJF는 분말층에 융착제와 디테일링제를 분사하고 열을 가해 부품을 형성하는 방식이다.

MJF의 장점은 다음과 같다.

  • 생산성이 높다.

  • 치수 일관성이 좋다.

  • 기능성 플라스틱 부품 제작에 적합하다.

  • 소량 양산에 유리하다.

SLS와 MJF 설계에서 중요한 점은 분말 제거이다. 내부 채널이나 폐쇄된 공간이 있으면 분말이 남을 수 있으므로, 배출 구멍과 세척 가능성을 설계해야 한다.

복잡한 내부 공간
→ 분말 잔류 가능성
→ 배출 구멍 필요
→ 세척 및 검사 가능성 검토
복잡한 내부 공간
→ 분말 잔류 가능성
→ 배출 구멍 필요
→ 세척 및 검사 가능성 검토

8. 금속 적층 제조, Metal Additive Manufacturing

금속 적층 제조는 금속 분말 또는 금속 와이어를 이용해 금속 부품을 직접 제작하는 Additive Manufacturing 공정이다. 일반적인 절삭이나 주조로 만들기 어려운 복잡한 금속 형상에 적용할 수 있다.

대표적인 금속 적층 공정은 다음과 같다.

  • SLM

  • DMLS

  • EBM

  • Binder Jetting

  • Directed Energy Deposition

  • Wire Arc Additive Manufacturing

대표적인 금속 재료는 다음과 같다.

  • 스테인리스강

  • 알루미늄 합금

  • 티타늄 합금

  • 니켈 합금

  • 공구강

  • 코발트 크롬 합금

  • 구리 합금

금속 적층 제조의 장점은 다음과 같다.

  • 복잡한 내부 유로를 만들 수 있다.

  • 경량화 격자 구조를 구현할 수 있다.

  • 금형 냉각 채널을 최적화할 수 있다.

  • 항공우주, 의료, 금형 분야에 유리하다.

  • 부품 통합을 통해 조립 부품 수를 줄일 수 있다.

  • 고부가가치 소량 생산에 적합하다.

금속 적층 제조의 한계는 다음과 같다.

  • 장비와 재료 비용이 높다.

  • 열변형과 잔류응력이 크다.

  • 서포트 제거가 어렵다.

  • 표면 거칠기가 높을 수 있다.

  • 후가공과 열처리가 거의 필수적이다.

  • 품질 검증이 어렵고 비용이 높다.

  • 대형 부품은 장비 크기와 변형 문제가 크다.

설계자가 고려해야 할 항목은 다음과 같다.

  • 적층 방향

  • 열변형

  • 서포트 제거 가능성

  • 잔류응력

  • 후열처리

  • HIP 처리 필요성

  • 정밀 기능면 후가공

  • 내부 결함 검사

  • 표면 거칠기

  • 분말 제거

  • 빌드 플랫폼 분리

  • 생산 비용

금속 적층 제조에서는 “출력 가능하다”와 “기능 부품으로 사용할 수 있다”가 다르다. 금속 출력물은 열처리, 응력 제거, 서포트 제거, CNC 후가공, 표면처리, 비파괴 검사까지 포함해야 최종 부품으로 평가할 수 있다.

9. Binder Jetting과 Material Jetting

9.1 Binder Jetting

Binder Jetting은 분말층 위에 바인더를 선택적으로 분사하여 형상을 만들고, 이후 경화, 탈바인딩, 소결, 침투 등의 후처리를 거쳐 최종 부품을 만드는 공정이다.

Binder Jetting의 장점은 다음과 같다.

  • 비교적 빠른 생산이 가능하다.

  • 서포트가 거의 필요 없다.

  • 금속, 세라믹, 모래 등 다양한 분말에 적용 가능하다.

  • 대량 생산 가능성이 있다.

  • 주조용 사형 제작에도 활용된다.

Binder Jetting의 한계는 다음과 같다.

  • 소결 수축이 크다.

  • 치수 예측이 어렵다.

  • 밀도와 강도 확보가 중요하다.

  • 후처리 공정이 복잡하다.

  • 정밀 기능면은 후가공이 필요하다.

9.2 Material Jetting

Material Jetting은 액상 수지 또는 왁스 재료를 잉크젯 방식으로 분사하고, 빛이나 열로 경화하여 형상을 만드는 공정이다.

Material Jetting의 장점은 다음과 같다.

  • 매우 높은 해상도를 얻을 수 있다.

  • 다재료 출력이 가능하다.

  • 색상과 투명 재료 표현이 가능하다.

  • 시각적 시제품 제작에 적합하다.

  • 미세 형상 표현력이 우수하다.

Material Jetting의 한계는 다음과 같다.

  • 재료 물성에 제한이 있다.

  • 장비와 재료 비용이 높다.

  • 기능 부품보다는 시각적 검증에 적합한 경우가 많다.

  • 서포트 제거가 필요하다.

10. DED와 대형 금속 적층

Directed Energy Deposition, DED는 금속 분말 또는 와이어를 공급하면서 레이저, 전자빔, 아크 등의 에너지로 재료를 녹여 적층하는 방식이다.

DED의 대표 적용은 다음과 같다.

  • 금속 부품 보수

  • 대형 금속 부품 적층

  • 마모 부위 재생

  • 고가 부품 수리

  • 다재료 적층

  • 금형 보수

  • 항공 부품 보수

DED의 장점은 다음과 같다.

  • 대형 금속 구조 제작에 적합하다.

  • 기존 부품 위에 재료를 추가할 수 있다.

  • 보수와 재생에 유리하다.

  • 적층 속도가 비교적 빠를 수 있다.

  • 로봇 시스템과 결합 가능하다.

DED의 한계는 다음과 같다.

  • 표면 품질이 낮다.

  • 정밀도가 낮아 후가공이 필요하다.

  • 열변형과 잔류응력이 크다.

  • 공정 제어가 어렵다.

  • 고정밀 복잡 형상에는 부적합할 수 있다.

DED는 완성 치수까지 직접 만드는 공정보다는, 금속을 대략적인 형상으로 적층한 후 절삭 가공으로 마무리하는 하이브리드 제조 방식으로 이해하는 것이 적절하다.

11. 설계 기준, Design for Additive Manufacturing

Additive Manufacturing에는 기존 제조 방식과 다른 설계 기준이 필요하다. 이를 Design for Additive Manufacturing, DfAM이라고 한다.

DfAM의 핵심 기준은 다음과 같다.

11.1 적층 방향

적층 방향은 강도, 표면 품질, 서포트 필요성, 출력 시간, 변형에 영향을 준다.

적층 방향 결정
→ 강도 방향 결정
→ 서포트량 결정
→ 표면 품질 결정
→ 출력 시간 결정
적층 방향 결정
→ 강도 방향 결정
→ 서포트량 결정
→ 표면 품질 결정
→ 출력 시간 결정

11.2 서포트 최소화

오버행, 브리지, 돌출 구조에는 서포트가 필요할 수 있다. 서포트는 출력 후 제거해야 하며, 표면 손상과 후처리 비용을 증가시킨다.

11.3 최소 벽 두께

각 공정과 재료에는 출력 가능한 최소 벽 두께가 있다. 너무 얇은 벽은 출력 중 파손되거나 후처리 중 변형될 수 있다.

11.4 내부 구조

Additive Manufacturing은 격자 구조, 내부 채널, 중공 구조를 만들 수 있다. 그러나 내부 분말, 수지, 서포트가 제거될 수 있어야 한다.

11.5 공차와 끼워맞춤

적층 제조의 치수 정밀도는 공정에 따라 다르다. 조립 부품은 간극, 수축, 후처리, 표면 거칠기를 고려하여 설계해야 한다.

11.6 후가공 기준면

정밀 기능면은 출력 상태만으로 충분하지 않을 수 있다. 베어링 장착면, 씰링면, 체결면, 기준면은 후가공이 가능하도록 가공 여유와 접근성을 확보해야 한다.

11.7 배출 구멍

중공 구조나 내부 채널에는 잔류 수지, 분말, 서포트를 제거하기 위한 배출 구멍이 필요하다.

12. 적층 방향과 기계적 특성

Additive Manufacturing 부품은 적층 방향에 따라 기계적 특성이 달라질 수 있다. 특히 FDM과 금속 적층 제조에서는 방향에 따른 강도 차이가 중요하다.

적층 방향이 영향을 주는 항목은 다음과 같다.

  • 인장 강도

  • 굽힘 강도

  • 충격 강도

  • 피로 수명

  • 층간 박리

  • 표면 품질

  • 치수 안정성

  • 서포트 필요성

FDM에서는 층과 층 사이의 접합이 약할 수 있다. 금속 적층 제조에서도 적층 방향에 따른 미세조직, 잔류응력, 결함 방향성이 발생할 수 있다.

동일한 형상
→ 적층 방향 변경
→ 강도 방향 변경
→ 표면 품질 변경
→ 서포트와 비용 변경
동일한 형상
→ 적층 방향 변경
→ 강도 방향 변경
→ 표면 품질 변경
→ 서포트와 비용 변경

따라서 설계자는 부품이 실제로 받는 하중 방향을 기준으로 적층 방향을 결정해야 한다. 외관이 중요한 면, 후가공이 필요한 면, 서포트 제거가 어려운 면도 함께 고려해야 한다.

13. 서포트와 후처리

Additive Manufacturing에서 서포트는 출력 성공에 필수적인 경우가 많지만, 동시에 비용과 품질 문제를 만든다.

서포트가 필요한 대표적인 경우는 다음과 같다.

  • 큰 오버행

  • 긴 브리지

  • 공중에 떠 있는 형상

  • 얇고 긴 돌출부

  • 금속 적층의 열변형 방지

  • 빌드 플랫폼 고정

서포트가 만드는 문제는 다음과 같다.

  • 제거 시간이 필요하다.

  • 표면 손상을 만든다.

  • 내부 구조에서는 제거가 어려울 수 있다.

  • 재료 낭비가 증가한다.

  • 출력 시간이 증가한다.

  • 금속 적층에서는 제거 비용이 크다.

후처리는 공정에 따라 다르다.

공정

대표 후처리

FDM

서포트 제거, 사포질, 아세톤 처리, 열처리, 인서트 삽입

SLA / MSLA

세척, 서포트 제거, UV 후경화, 연마

SLS / MJF

분말 제거, 샌드블라스트, 염색, 코팅

금속 적층

서포트 제거, 응력 제거, 열처리, CNC 가공, 연마, 검사

Binder Jetting

경화, 탈바인딩, 소결, 침투, 후가공

좋은 Additive Manufacturing 설계는 서포트를 무조건 제거하는 것이 아니라, 서포트가 필요한 위치를 제어하고 후처리가 가능한 방향으로 형상을 배치하는 것이다.

14. 공차, 표면 품질, 정밀도

Additive Manufacturing은 형상 자유도가 높지만, 모든 공정이 높은 정밀도를 제공하는 것은 아니다. 출력 방식, 재료, 장비, 적층 방향, 후처리 여부에 따라 치수 정밀도와 표면 품질이 크게 달라진다.

공차와 품질에 영향을 주는 요소는 다음과 같다.

  • 장비 해상도

  • 노즐 직경

  • 레이저 스폿 크기

  • 픽셀 크기

  • 층 두께

  • 재료 수축

  • 열변형

  • 서포트 제거

  • 후경화

  • 분말 소결 수축

  • 장비 보정

  • 출력 방향

설계자가 고려해야 할 기준은 다음과 같다.

  • 정밀 끼워맞춤에는 후가공을 고려한다.

  • 체결 구멍은 출력 후 드릴링 또는 리밍할 수 있다.

  • 베어링 장착부는 출력만으로 정밀도를 확보하기 어렵다.

  • 씰링면은 후가공 또는 연마가 필요할 수 있다.

  • 표면 거칠기는 기능면과 외관면을 구분하여 관리해야 한다.

  • 치수 공차는 공정 능력 안에서 지정해야 한다.

출력 형상
→ 기본 형상 확보

후가공
→ 정밀 치수와 기능면 확보
출력 형상
→ 기본 형상 확보

후가공
→ 정밀 치수와 기능면 확보

Additive Manufacturing에서 정밀도는 “출력만으로 완성”하는 것이 아니라, 필요한 기능면을 후가공과 조합하여 완성하는 방식으로 접근하는 것이 현실적이다.

15. 결함과 품질 문제

Additive Manufacturing에서는 적층 방식 특유의 결함이 발생할 수 있다.

대표적인 결함은 다음과 같다.

결함

주로 발생하는 공정

원인

층간 박리

FDM, 금속 적층

층간 결합 부족, 온도 조건 불량

뒤틀림

FDM, 금속 적층

수축, 열응력, 베드 접착 불량

기공

금속 적층, SLS

용융 부족, 분말 상태, 공정 조건

미경화

SLA, MSLA

노광 부족, 수지 조건 불량

과경화

SLA, MSLA

과도한 노광, 빛 번짐

표면 거칠기

FDM, SLS, 금속 적층

층 두께, 분말 입자, 노즐 경로

서포트 흉터

SLA, FDM, 금속 적층

서포트 제거

치수 오차

모든 공정

수축, 보정 불량, 변형

내부 분말 잔류

SLS, 금속 적층

배출 구멍 부족

크랙

금속 적층

잔류응력, 재료 특성, 냉각 속도

이러한 결함은 단순히 장비 문제만이 아니다. 적층 방향, 벽 두께, 서포트 위치, 내부 구조, 재료 선택, 후처리 가능성, 검사 방법과 직접 연결된다.

16. Additive Manufacturing과 후가공

Additive Manufacturing 부품은 출력 후 그대로 사용할 수도 있지만, 기능 부품에서는 후가공이 필요한 경우가 많다.

대표적인 후가공은 다음과 같다.

  • 서포트 제거

  • 분말 제거

  • 수지 세척

  • UV 후경화

  • 열처리

  • 응력 제거

  • CNC 가공

  • 드릴링

  • 탭 가공

  • 리밍

  • 연삭

  • 샌드블라스트

  • 표면 코팅

  • 도장

  • 검사

특히 금속 적층 부품은 출력 후 CNC 가공과 열처리를 포함하는 경우가 많다. 베어링 장착면, 볼트 체결면, 씰링면, 기준면은 적층 상태만으로 충분하지 않을 수 있다.

Additive Manufacturing
→ 복잡한 기본 형상 제작

Post-Machining
→ 정밀 기능면 완성
Additive Manufacturing
→ 복잡한 기본 형상 제작

Post-Machining
→ 정밀 기능면 완성

설계자는 출력 단계에서 후가공 공구가 접근할 수 있는지, 가공 기준면을 잡을 수 있는지, 가공 여유가 충분한지 검토해야 한다.

17. 생산 수량과 경제성

Additive Manufacturing은 금형 없이 제작할 수 있기 때문에 시제품과 소량 생산에 강하다. 그러나 출력 시간이 길고 장비 비용이 높을 수 있기 때문에 대량 생산에서는 항상 경제적이지 않다.

생산 수량과 Additive Manufacturing의 관계는 다음과 같다.

시제품 / 소량 생산
→ 금형비 없음
→ 설계 변경이 쉬움
→ Additive Manufacturing 유리

대량 생산
→ 출력 시간이 누적 비용으로 증가
→ 사출, 주조, 프레스가 유리할 수 있음
시제품 / 소량 생산
→ 금형비 없음
→ 설계 변경이 쉬움
→ Additive Manufacturing 유리

대량 생산
→ 출력 시간이 누적 비용으로 증가
→ 사출, 주조, 프레스가 유리할 수 있음

Additive Manufacturing을 선택할 때 검토해야 할 비용 요소는 다음과 같다.

  • 장비 사용료

  • 재료비

  • 출력 시간

  • 서포트 재료

  • 후처리 시간

  • 실패율

  • 검사 비용

  • 후가공 비용

  • 설계 변경 가능성

  • 금형 비용 대체 효과

  • 재고 비용 감소 효과

  • 부품 통합 효과

Additive Manufacturing은 단품 가격만으로 평가하면 비쌀 수 있다. 그러나 금형비 절감, 조립 부품 수 감소, 개발 기간 단축, 재고 감소, 맞춤형 생산 효과를 포함하면 전체 비용에서 유리해질 수 있다.

18. 식품기계에서의 Additive Manufacturing 적용

식품기계와 육가공기계에서는 Additive Manufacturing이 주로 시제품, 지그, 비접촉 부품, 커버, 가이드, 센서 브라켓, 배선 가이드, 테스트용 부품 제작에 활용될 수 있다.

대표적인 적용 예는 다음과 같다.

  • 시제품 커버

  • 센서 브라켓

  • 배선 가이드

  • 조립 지그

  • 검사 지그

  • 공압 배관 정렬 지그

  • 비접촉 보호 커버

  • 테스트용 가이드

  • 인체공학적 핸들 시제품

  • 맞춤형 툴 홀더

식품기계에서 적용할 때는 다음을 고려해야 한다.

  • 식품 접촉 적합 재료인지 확인해야 한다.

  • 적층 결 사이에 오염물이 남을 수 있다.

  • 표면 거칠기가 세척성을 저하시킬 수 있다.

  • 내부 빈 공간에 세척액이나 오염물이 갇힐 수 있다.

  • 수지 또는 플라스틱의 마모 분진을 고려해야 한다.

  • 고온 세척과 세척제에 견딜 수 있어야 한다.

  • 출력 재료의 장기 내구성을 검토해야 한다.

  • 식품 접촉 부품은 후처리와 인증이 필요할 수 있다.

따라서 식품 접촉 부품에 Additive Manufacturing을 직접 적용할 때는 매우 신중해야 한다. 표면 조도, 세척성, 재료 인증, 내화학성, 마모, 파손 시 이물 발생 가능성을 반드시 검토해야 한다.

19. 다른 Knowledge Tracks와의 연결

Additive Manufacturing은 다른 Knowledge Tracks와 밀접하게 연결된다.

19.1 Material과의 연결

재료는 적층 가능성, 강도, 내열성, 수축, 표면 품질, 후처리를 결정한다.

Material
→ 적층 가능성, 강도, 수축, 내열성 결정

Additive Manufacturing
→ 재료를 층별로 쌓아 형상을 제작
Material
→ 적층 가능성, 강도, 수축, 내열성 결정

Additive Manufacturing
→ 재료를 층별로 쌓아 형상을 제작

19.2 Mechanism & Motion과의 연결

운동 부품에서는 적층 방향, 표면 거칠기, 마찰, 마모, 피로 수명이 중요하다. 출력된 기어, 링크, 캠, 가이드는 실제 하중과 반복 운동 조건을 검토해야 한다.

Mechanism & Motion
→ 하중, 마찰, 반복 운동 조건 정의

Additive Manufacturing
→ 형상 제작 가능성은 높지만 강도와 마모를 검증해야 함
Mechanism & Motion
→ 하중, 마찰, 반복 운동 조건 정의

Additive Manufacturing
→ 형상 제작 가능성은 높지만 강도와 마모를 검증해야 함

19.3 Assembly와의 연결

Additive Manufacturing은 여러 부품을 하나로 통합하거나, 조립 보조 지그를 제작하는 데 유리하다. 하지만 체결부, 인서트, 탭, 조립 공차를 고려해야 한다.

Additive Manufacturing
→ 부품 통합, 조립 지그, 맞춤형 고정구 제작

Assembly
→ 체결, 위치 결정, 조립 공차 검토
Additive Manufacturing
→ 부품 통합, 조립 지그, 맞춤형 고정구 제작

Assembly
→ 체결, 위치 결정, 조립 공차 검토

19.4 Manufacturing Quality와의 연결

Additive Manufacturing은 적층 결함, 내부 결함, 치수 편차, 표면 품질 문제가 발생할 수 있으므로 검사 기준이 중요하다.

Additive Manufacturing
→ 적층 방향, 서포트, 수축, 내부 결함 관리

Manufacturing Quality
→ 치수 검사, 표면 검사, 내부 결함 검사, 기능 검증
Additive Manufacturing
→ 적층 방향, 서포트, 수축, 내부 결함 관리

Manufacturing Quality
→ 치수 검사, 표면 검사, 내부 결함 검사, 기능 검증

20. 핵심 사고방식

Additive Manufacturing에서 중요한 사고방식은 다음과 같다.

형상 자유도가 높지만, 제조 제약이 없는 것은 아니다.

적층 방향은 강도, 표면 품질, 서포트, 비용을 결정한다.

출력 가능성과 기능 부품으로 사용 가능성은 다르다.

오버행과 내부 구조는 서포트와 후처리를 고려해야 한다.

층간 결합은 약점이 될 수 있다.

정밀 기능면은 출력 후 후가공이 필요할 수 있다.

금속 적층 제조는 출력보다 후처리와 검사 비용이 더 중요할 수 있다.

수지 출력물은 외관은 좋지만 취성, 열변형, 장기 내구성을 검토해야 한다.

식품기계에서는 적층 표면의 세척성과 재료 적합성이 중요하다.

Additive Manufacturing은 시제품과 소량 생산에 강하지만, 대량 생산에서는 전통 제조와 비교해야 한다.

좋은 Additive Manufacturing 설계는 적층 방향, 서포트, 재료, 후처리, 조립성, 검사성을 동시에 고려한다.

21. 결론

Additive Manufacturing은 재료를 한 층씩 쌓아 원하는 형상을 만드는 제조 공정군이다. FDM, SLA, DLP, MSLA, SLS, MJF, 금속 적층 제조, Binder Jetting, DED와 같은 공정은 시제품 제작, 복잡 형상 제작, 소량 생산, 맞춤형 생산, 부품 통합에 강력한 장점을 가진다.

그러나 Additive Manufacturing은 단순히 3D 프린터로 형상을 출력하는 기술이 아니다. 설계자는 적층 방향, 서포트, 층간 강도, 표면 거칠기, 수축, 열변형, 내부 구조, 후처리, 후가공, 검사 가능성을 함께 고려해야 한다.

기계설계 관점에서 Additive Manufacturing의 핵심은 다음과 같다.

  • 이 부품은 적층 제조로 만드는 것이 기능적으로 적합한가.

  • 적층 방향이 실제 하중 방향에 적합한가.

  • 서포트 제거와 후처리가 가능한가.

  • 정밀 기능면은 후가공할 수 있는가.

  • 내부 구조에 분말, 수지, 오염물이 남지 않는가.

  • 재료 물성이 실제 사용 조건에 적합한가.

  • 출력 비용과 생산 수량의 균형이 맞는가.

  • 기존 제조 공정보다 설계, 비용, 납기 측면에서 이점이 있는가.

따라서 Additive Manufacturing은 Manufacturing Track에서 설계 자유도와 제조 유연성을 확장하는 핵심 항목이며, Material, Mechanism & Motion, Assembly, Manufacturing Quality와 긴밀하게 연결되는 제조 지식이다.