3D 프린트 기술: 혁신적인 애플리케이션

현재 3D 프린팅 기술은 자동차 제조, 항공우주 및 방위, 소비재, 전기 및 전자 장치, 생물의학, 문화 및 창작 보석, 건설 엔지니어링, 교육 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

3D 프린팅 산업 연구 분야의 세계적 권위지인 "Wohlers Report 2020"(항공우주와 방위 분야를 통계에서 분리)에 따르면, 자동차 제조는 3D 프린팅 기술의 가장 큰 응용 분야로 16.4%의 사용량을 차지합니다. 그림 1-16에서 볼 수 있듯이 소비자 가전과 항공 우주가 각각 15.4%와 14.7%로 그 뒤를 바짝 뒤쫓고 있습니다.

이 연구에 따르면 2020년 이전에는 3D 프린팅이 주로 모델 제조에 사용되었으며, 다양한 제품 개발 과정에서 설계 검증 및 기능 테스트를 위해 주로 24.6%의 애플리케이션을 차지하여 3D 프린팅이 시작된 이래 가장 큰 시장으로 성장했습니다.

그러나 2020년부터는 그림 1-17과 같이 3D 프린팅 기술을 사용한 최종 제품의 직접 제조가 30.9%로 증가하여 3D 프린팅 기술의 가장 큰 용도로 자리 잡았습니다. 이는 3D 프린팅이 신속한 프로토타입 제작에서 직접 최종 제품 제조로 크게 진화했음을 보여줍니다.

경제학자 칼로타 페레즈는 기술 중심의 산업 주기 혁명은 약 60년 동안 지속되며, 첫 30년은 기반 기술의 발명 단계, 후반기 30년은 기술 적용이 가속화되는 단계라고 설명합니다. 1986년 미국에서 3D 프린팅 장비를 최초로 생산한 3D Systems가 설립된 이래, 2021년은 후자의 30년이 시작되는 해입니다.

따라서 3D 프린팅 기술의 적용은 더욱 가속화되어 더 큰 활용 가치를 창출하고 관련 산업을 크게 변화시킬 것으로 예상됩니다. 이 섹션에서는 바이오 의학, 항공 우주 및 산업 생산 분야에서 3D 프린팅 기술의 대표적인 응용 분야를 소개한 다음 향후 3D 프린팅 응용의 한계와 위험에 대해 논의합니다.

생물의학에서의 3D 프린팅 응용 분야

응용 시나리오에 따라 현재 생물의학 분야에서 3D 프린팅은 주로 수술 전 계획 모델, 수술 가이드, 임플란트 및 의료 보조 도구에 사용되고 있습니다. 또한 재생 의학 및 조직 유사 장기를 위한 바이오 프린팅은 의공학 연구의 최전선을 대표하며 향후 바이오 의학에서 3D 프린팅의 개발 및 적용의 주요 방향입니다.

(1) 수술 전 계획 모델

수술 전 계획 모델은 재구성 기술을 사용하여 환자의 CT 영상 데이터를 3차원 모델로 변환한 다음 3D 프린팅으로 모델을 구체화하는 과정을 거칩니다. 이러한 모델을 사용하면 병리를 3차원으로 시각화하여 2차원 단면 이미지를 이해하고 평가하는 데 따르는 문제를 해결할 수 있습니다.

의사에게 질병의 위치, 공간 해부학적 구조, 모양 및 부피에 대한 직관적이고 정확한 정보를 제공하여 복잡한 수술 계획 수립, 수술 전 리허설 및 수술 후 결과 평가에 도움을 주어 수술의 정확성과 안전성을 크게 향상시킵니다.

최신 3D 프린팅 기술은 이제 부드러운 질감과 단단한 질감이 결합된 재료를 제작하여 수술 절개를 용이하게 하고 외과의의 촉각 경험을 향상시킬 수 있습니다. 이는 또한 젊은 의료진의 훈련과 기술 향상에도 도움이 됩니다.

사례 연구 1-1: 복잡한 뇌종양 제거 수술을 지원하는 3D 프린팅 수술 전 모델

환자 병력 요약: 40세 여성 환자가 두 달 이상 지속되는 두통과 함께 시력 장애를 경험했습니다. 검사 결과 두개 내 동맥으로 둘러싸인 뇌종양이 발견되어 수술이 필요하지만 위험도가 높다는 진단을 받았습니다.

병원은 그림 1-18과 같이 환자의 CT와 MRI 이미지를 병합하고 그림 1-19와 같이 두개골, 동맥, 정맥, 종양 등 환자의 두개강 내 상황을 정확하게 복원하기 위해 3차원 재구성을 수행했습니다. 그런 다음 그림 1-20과 같이 주하이 세나트 뉴 테크놀로지스의 WJP 모델 3D 프린터를 사용하여 재구성된 두개골 모형의 풀컬러 3D 프린트를 제작했습니다.

이 3D 모델의 도움으로 의사들은 종양 주변의 혈관 분포를 명확하게 관찰할 수 있었고, 이를 통해 수술 중 결정을 내릴 수 있었습니다. 종양으로 둘러싸인 혈관을 식별함으로써 외과의는 중요한 혈관 구조를 보호하면서 종양을 정확하게 절제할 수 있었습니다.

11시간의 수술 끝에 환자의 뇌 안장 부위 수막종은 성공적으로 부분적으로 제거되었고, 주변의 양측 전대뇌동맥, 중간 동맥, 내경동맥은 그대로 남아있었습니다. 수술은 엄청난 성공을 거두었습니다.

사례 연구 1-2: 간 절제 수술을 돕는 3D 프린팅 수술 전 모델 - 어머니와 아들의 간 공유

환자 병력 요약: 56세 여성 환자가 악성 간 종양과 간경변 진단을 받았습니다. 정상적인 사람의 간은 약 1,500cm³이지만 환자의 간은 765cm³에 불과했고 심각한 기능적 결함이 있었습니다. 병원에서는 간 이식만이 유일한 효과적인 치료법이라고 판단했고, 매칭을 통해 21세의 아들이 적합한 기증자로 밝혀졌습니다.

기증자와 수혜자의 간 부위를 정확하게 절제하고 혈관과 담관을 정확하게 문합하는 것이 중요했기 때문에 고도의 수술 전문성이 필요했습니다. 병원은 그림 1-21(a) 및 1-22(a)와 같이 환자와 아들의 간을 각각 수술 전 CT 데이터를 기반으로 3차원 재구성을 수행했습니다.

그런 다음 재건된 간을 그림 1-21(b) 및 1-22(b)와 같이 주하이 세나트 뉴 테크놀로지(Zhuhai Cenat New Technologies Co., Ltd.)의 WJP 모델 3D 프린터를 사용하여 1:1 비율로 출력하여 병변의 범위와 인접 장기 및 조직과의 3차원 공간 관계를 정확하게 평가하고 수술 접근 및 절개 위치를 계획할 수 있게 했습니다.

수술은 매우 성공적이었고 아들의 간 덕분에 어머니의 생명은 연장되었습니다.

(2) 수술 가이드

디지털 방식으로 설계되고 3D 프린팅으로 제조되는 수술 가이드는 수술 전 계획을 수술 중 실행으로 옮기는 핵심 도구입니다. 중요한 혈관과 신경의 외상을 방지하고 출혈을 줄이며 수술의 안전성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

이러한 제품을 인쇄하는 데 일반적으로 사용되는 재료에는 고분자 나일론 및 고강도, 탄력성 레진(예: 수술 중 톱질에 견뎌야 하는 절골술 가이드), 충분한 강도를 가진 투명 레진(예: 치과 임플란트 가이드), 고강도가 필요하지 않은 가이드용 표준 레진 또는 PLA 재료(예: 천골 신경 천자 가이드 및 뇌출혈 천자 가이드)가 있습니다.

(3) 임플란트

3D 프린팅 기술은 개인의 필요에 완벽하게 맞춤화되고 신체에 성공적으로 이식될 수 있는 임플란트를 제작할 수 있습니다. 이러한 임플란트는 제어 가능한 미세 기공 크기로 제조할 수 있어 영 계수를 줄일 수 있습니다. 금속 소재스트레스를 줄이고 뼈의 통합을 촉진하여 기존 임플란트와는 비교할 수 없는 장점을 제공합니다.

이러한 3D 프린팅 임플란트의 일반적인 재료는 다음과 같습니다. 티타늄 합금 분말을 사용했습니다(그림 1-23 및 1-24 참조). 추간체 융합 장치, 두개골, 하악 관절과 같은 작은 관절과 같이 과도한 하중과 마찰이 필요하지 않은 임플란트의 경우 연구자들은 PEEK(그림 1-25)와 같은 새로운 소재의 사용을 모색하고 있습니다. 마그네슘 합금.

사례 연구 1-3: 세계 최초의 3D 프린팅 아틀라스 척추뼈

환자 병력 요약: 2014년에 12세 남자아이가 그림 1-26과 같이 아틀라스 척추에 암성 병변이 있는 유잉 육종 진단을 받았습니다. 국제 표준 치료법은 티타늄 메쉬 케이지로 절제된 암성 아틀라스가 남긴 빈 공간을 지지하고, 티타늄 플레이트와 나사가 결합된 메쉬의 구멍과 앞쪽의 나사를 사용하여 제자리에 고정하여 척추 유합을 달성하고 경추의 안정성을 재건하는 것입니다.

그러나 티타늄 메쉬의 지지력과 접촉 면적은 제한적이며 회전 및 다양한 굽힘력에 대한 저항력이 약합니다. "스트레스 차폐"가 있으면 수술 후 메쉬 케이지에 인접한 척추뼈가 무너져 추간 높이를 유지하기가 어려운 경우가 많습니다. 또한 티타늄 플레이트의 두께로 인해 환자가 삼키는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

수술 후 환자는 머리와 견갑골에 핀을 삽입하고 머리를 고정하기 위해 위아래에 보조기를 설치해야 합니다. 휴식 중에는 머리가 침대에 닿지 않아야 하는데, 이 상태를 3~4개월, 때로는 최대 6개월까지 유지해야 하므로 환자에게 큰 고통을 줍니다.

이 환자는 북경대학교 제3병원(PUTH) 정형외과 류중준 교수의 치료를 받았으며, 그림 1-27과 같이 후방 및 전방 경추 접근법을 통해 두 차례 수술을 받은 후 세계 최초로 3D 프린팅된 맞춤형 아틀라스 척추를 장착했습니다. 이 성공적인 수술은 기존 치료 방법의 단점을 극복하고 환자의 생명을 구했습니다.

(4) 의료 보조 도구

전통적인 의료 보조 도구는 석고 주조와 저온 열가소성 성형을 통해 제작되는 경우가 많습니다. 그러나 석고의 수분 흡수 및 수축 특성으로 인해 모델 변형이 발생하여 도구의 정밀도에 영향을 미칠 수 있으며 생산 공정이 기술자의 개인 경험에 지나치게 의존합니다.

광학 3D 스캐닝을 통해 얻은 신체 표면 정보를 기반으로 3D 프린팅 기술을 사용하여 환자의 CT 및 MRI 데이터와 컴퓨터를 이용한 정밀한 설계를 결합한 맞춤형 경량 재활 보조기구는 인체공학에 더 잘 부합합니다. 환자 개개인의 요구 사항을 충족할 수 있으며

그림 1-28과 같이 수술 후 회복이나 비수술적 재활 보조기 효과를 개선하는 다양한 유형의 3D 프린팅 의료 보조 도구가 전시되어 있습니다. 향후 3D 프린팅 개인 맞춤형 의료 보조 도구의 개발에는 새로운 유형의 보철물, 청각 및 언어 기능 보완 보조기구, 외골격 로봇과 같은 새로운 장애 생활 지원 시스템 등이 포함됩니다.

이러한 제품을 인쇄하는 데 일반적으로 사용되는 소재에는 고분자 나일론 소재(강도와 복원력이 뛰어난 다양한 보조기 등), TPU 소재(다양한 유형의 발 생체 역학 보정 장치 등), PLA 또는 고강도 수지 소재(과도한 힘이 필요하지 않은 일부 재활 고정 보조기 등) 등이 있습니다.

사례 연구 1-4: 척추 측만증 치료를 위한 3D 프린팅 맞춤형 척추 측만증 보조기

환자 병력 요약: 2018년에 14세 여성 환자가 척추 척추측만증 진단을 받았는데, 전신 척추 엑스레이에서 Cobb 각도가 13°로 나타났지만 적절한 치료를 받지 못했습니다. 2020년 1월에 실시한 후속 검사에서 Cobb 각도가 27°로 증가한 것으로 나타났습니다. 환자는 상하이교통대학교 의과대학 부속 상하이 제9인민병원 3D 프린팅 센터에서 치료를 받았습니다.

그녀는 3D 프린팅 척추 측만증 보조기를 착용했고 6개월 후 환자의 척추가 완전히 교정되었습니다. 환자의 척추 측만증 진행 상황은 그림 1-29에 나와 있습니다.

3D 프린팅 센터에서는 환자의 특정 상태에 따라 3D 바디 스캐너(그림 1-30)를 사용하여 환자의 신체 3차원 표면 데이터를 캡처하고 이를 X-레이 데이터와 결합하여 컴퓨터 지원 설계를 통해 완전 맞춤형 척추측만증 보조기 모델을 만들었습니다. 이 모델은 그림 1-31과 같이 3D 프린팅을 통해 척추측만증 보조기로 구체화되었습니다.

척추측만증 보조기는 완전히 개인화된 디자인과 속이 빈 구조로 통기성이 좋고 가벼워 환자가 하루 20시간 이상 편안하게 착용할 수 있습니다.

항공우주 분야에서의 3D 프린팅 응용

전 세계적으로 항공우주 분야에서 기계 가공이 어렵고 크고 복잡한 금속 부품을 위한 저비용, 단주기, 고성능 3D 프린팅 제조 기술에 대한 연구와 탐구가 계속되고 있습니다. 보잉, 록히드 마틴, 노스롭 그루먼과 같은 기업과 미국 로스 알라모스 국립연구소와 같은 기관은 20년 이상 지속적인 연구개발에 투자해 왔습니다.

중국에서는 베이항 대학교의 왕 화밍 학자와 노스웨스턴 폴리테크닉 대학교의 황 웨이동 교수가 이끄는 연구팀이 수십 년 동안 지속적인 연구개발을 통해 혁신적인 연구 성과를 달성했습니다.

예를 들어, 왕 학자 팀은 세계 최초로 항공기용 대형 티타늄 합금 하중지지 부품의 레이저 성형 공정, 장비 및 응용 분야에서 핵심 기술을 돌파하여 '대형 부품' 성형 문제를 해결하고 중국 항공기 장비에서 가장 크고 복잡한 티타늄 합금 주 하중지지 일체형 부품을 생산하여 단조 부품에 도달하거나 그 이상의 종합적인 기계적 특성을 구현했습니다.

(1) 항공우주 분야에서의 3D 프린팅 응용의 장점

3D 프린팅 기술은 새로운 제조 기술로서 항공우주 분야에서 뚜렷한 장점을 가지고 있으며, 주로 다음과 같은 측면에서 서비스 이점을 제공합니다:

장비 경량화의 병목 현상 해결

항공우주 무기 장비의 경우 경량화는 비행 중 비행 장비의 민첩성을 높일 뿐만 아니라 탑재 용량을 늘리고 연료를 절약하며 비행 비용을 절감할 수 있기 때문에 영원한 연구 주제입니다.

항공우주 및 군사 장비에서 극도의 경량화와 신뢰성을 추구하기 때문에 대형의 복잡한 일체형 구조물과 정밀한 복합 구조 부품의 제조가 특히 어려워 첨단 항공우주 및 군사 장비 개발의 걸림돌 중 하나가 되고 있습니다.

예를 들어, 새로운 항공기, 우주선 및 엔진은 점점 더 일체형 구조 부품을 사용하므로 개별 부품의 크기와 복잡성이 지속적으로 증가하고 있습니다. 또한 티타늄 합금, 고온 합금, 초고강도 강철과 같은 합금 소재의 사용이 크게 증가하고 있는데, 이러한 소재는 기존의 열간 가공 및 기계 가공으로는 가공하기 매우 어렵습니다.

3D 기술을 적용하면 복잡한 부품 구조를 최적화하여 성능을 보장하면서도 경량 설계가 가능하므로 경량화를 달성할 수 있습니다. 또한 부품 구조를 최적화하면 응력을 가장 합리적으로 분배하여 피로 균열의 위험을 줄이고 서비스 수명을 늘릴 수 있습니다.

동시에 합리적으로 복잡한 내부 유로 구조를 통해 온도를 제어할 수 있어 구조 설계와 재료 사용의 최적 조합을 달성할 수 있습니다.

재료 활용도 향상 및 제조 비용 절감

항공우주 제조 분야에서 전통적인 제조 방식으로 생산되는 많은 부품의 재료 활용률은 일반적으로 10%를 넘지 않으며, 때로는 2%에서 5%에 불과할 정도로 낮습니다. 재료 낭비가 크다는 것은 기계 가공 공정이 복잡하고 생산 주기가 길다는 것을 의미합니다.

가공하기 어려운 부품의 경우 가공 주기를 크게 늘릴 수 있어 제조 주기가 크게 연장되어 제조 비용이 증가합니다. 금속 3D 프린팅 기술은 그물 모양에 가까운 기술로서 재료 활용도가 높고 부품의 내부 복잡성에 따라 제조 비용이 영향을 받지 않습니다.

JSF 항공기의 양력 팬용 티타늄 합금 일체형 블레이드 로터 제조를 예로 들면, 전통적인 '감산식' 제조는 1500kg의 단조 블랭크에서 시작하여 전통적인 밀링 가공 후 최종 부품의 무게는 100kg으로, 재료 사용률은 6.67%에 불과하며 제조 주기는 그림 1-32와 같이 매우 길어집니다. 하지만 3D 프린팅 기술을 사용하면 최대 80%의 재료 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

새로운 항공우주 장비의 R&D 주기 단축 ③ 새로운 항공우주 장비의 R&D 주기 단축

3D 프린팅 기술의 가장 뛰어난 장점 중 하나는 R&D 인력이 설계한 3D 모델에서 가공이나 금형 없이도 실제 부품을 직접 제조할 수 있어 고성능, 대형 구조 부품의 제조 공정을 크게 단축할 수 있다는 점입니다.

예를 들어, 그림 1-33과 같이 중국 C919 대형 항공기의 메인 윈드실드 프레임을 제조할 때 베이항대학교의 왕화밍 교수팀은 독자적으로 개발한 금속 3D 프린팅 공정 기술을 사용했습니다. 부품의 3D 모델 데이터 수령부터 설치를 위한 완성품 배송까지 40일밖에 걸리지 않았고 비용은 120만 위안에 불과했습니다.

반면 해외에서 부품을 주문하면 최소 2년이 걸리고 금형 비용이 1,300만 위안이 소요됩니다. 마찬가지로 그림 1-34와 같이 길이가 3미터가 넘는 C919의 중앙 날개 스파의 경우, 기존 제조 방식으로는 단조를 위해 초대형 프레스가 필요하므로 시간과 노동력이 많이 들고 원자재 낭비가 큽니다.

게다가 당시 중국에는 이러한 대형 구조 부품을 생산할 수 있는 장비가 없었습니다. 이 부품을 해외에서 주문할 경우 주문에서 설치까지 2년 이상의 기간이 소요되어 항공기의 R&D 진행에 심각한 지장을 초래하고 대형 항공기의 국내 생산률에도 영향을 미쳤습니다.

노스웨스턴 폴리테크닉 대학교의 황웨이동 교수팀은 독자적으로 개발한 금속 3D 프린팅 장비와 기술을 사용하여 약 한 달 만에 이 부품을 제작했습니다. COMAC의 성능 테스트를 통과한 후 중국 C919 대형 항공기의 첫 번째 프로토타입에 성공적으로 적용되었습니다.

1980년대와 1990년대에 전통적인 제조 방식을 사용하면 J-10 전투기와 같은 차세대 전투기를 개발하는 데 최소 10~20년이 걸리는데, 중국은 10년 가까이 걸렸습니다. 3D 프린팅 기술을 적용한 중국은 단 3년 만에 항공모함 기반 J-15 전투기를 개발하여 3세대 항공모함 기반 전투기 매트릭스에 직접 진입했습니다.

의심할 여지 없이 3D 프린팅 기술은 공군의 발전에서 '중국의 속도'를 만들어내고 있습니다.

부품 수리 효율성 향상 및 유지보수 비용 절감 ④ 부품 수리 효율성 향상 및 유지보수 비용 절감

항공 우주 장비에서 손상된 부품의 수리 및 유지보수는 항상 중요한 문제였습니다. 부품 수리에 레이저 엔지니어링 망 성형(LENS) 3D 프린팅 기술을 사용하면 항공 우주 장비에 새로운 유지보수 방법이 도입됩니다. 예를 들어 고성능 통합 터빈 블레이드의 경우 블레이드 하나가 손상되면 터빈 로터 전체를 폐기해야 하므로 수백만 달러에 달하는 직접적인 경제적 손실이 발생합니다.

현재 LENS의 레이어별 인쇄 특성에 따라 손상된 블레이드는 특수 기판으로 간주할 수 있습니다. 다음을 수행하면 레이저 클래딩 국부적으로 손상된 부위에 증착하면 부품을 원래 모양으로 복원하여 원래 재료의 성능 요구 사항을 충족하거나 초과할 수 있습니다.

또한 3D 프린팅 공정의 제어 가능성으로 인해 수리에 따른 부정적인 영향이 매우 제한적입니다. 국방부 입장에서는 예비 부품 창고 없이도 현장에서 효과적인 솔루션을 제공할 수 있어 부품 수리 효율성이 크게 향상되고 유지보수 비용이 절감됩니다.

미래에는 3D 프린팅 기술이 전장의 최전선에 배치되어 전장에서 부품을 직접 인쇄하고 제조, 유통, 보관의 중간 단계를 없애는 것을 실현할 수 있습니다.

현재 미 해군은 '함대 프린트' 프로젝트를 시작하여 해상에서 해군 함정의 항공기 부품 제조라는 목표를 달성하기 위해 부품 프린팅, 인증 및 납품에 대한 일련의 절차를 개발하고 다양한 3D 프린팅 기술과 군사용 소재를 평가하고 있습니다.

미래에는 우주 정거장에도 3D 프린팅 기술이 적용되어 우주에서 부품을 직접 3D 프린팅할 수 있을 것입니다. 2014년 8월, NASA는 진공 환경에서 작동할 수 있는 3D 프린터를 국제우주정거장으로 운반하여 우주비행사들이 테스트 부품뿐만 아니라 기능적인 구조 부품도 인쇄했습니다.

또한 중국은 2020년 5월에 궤도 내 3D 프린팅 실험을 최초로 실시했으며, 그림 1-35와 같이 세계 최초로 연속 탄소 섬유 강화 복합 재료의 우주 3D 프린팅에 성공했습니다.

(2) 적용 사례

아래는 중국의 항공우주 분야에서 3D 프린팅을 적용한 세 가지 사례입니다.

사례 연구 1-5: "Tianwen-1" 2.0 버전 7500N 가변 추력 엔진용 도킹 플랜지 프레임의 3D 프린팅

2021년 5월 15일 07시 18분, 그림 1-36과 같이 '톈원 1호' 착륙선과 궤도선이 분리되어 화성 표면에 성공적으로 연착륙했습니다. 이후 '주롱' 화성 탐사선은 원격 측정 신호를 성공적으로 전송했습니다. 화성 착륙에 사용된 7500N 가변 추력 엔진은 달 착륙에 사용된 엔진의 2.0 버전입니다.

개선된 '톈원-1' 2.0 버전 7500N 가변 추력 엔진은 그림 1-37과 같이 이전 창어 달 프로젝트의 7500N 엔진과 성능과 추력은 동일하지만 무게와 부피는 1/3에 불과하며 더욱 최적화되고 컴팩트한 구조로 제작되었습니다.

이를 위해 엔진의 도킹 플랜지 프레임을 처음으로 일체형으로 3D 프린팅하여 철근이나 단조품에서 큰 여분의 재료를 제거할 때 발생하는 변형을 방지하고 무게를 효과적으로 줄였습니다.

사례 연구 1-6: 차세대 유인 우주선 테스트 차량의 귀환 캡슐을 위한 대형 통합 티타늄 합금 프레임의 3D 프린팅

2020년 5월 8일 13시 49분, 중국 항천과기유한공사 우주기술연구원이 개발한 중국 차세대 유인 우주선 시험체의 귀환 캡슐이 둥펑 착륙장의 지정된 구역에 성공적으로 착륙했습니다.

테스트 차량의 성공적인 비행 임무 완료는 중국의 차세대 유인 우주선의 프로토타입이자 기내 구조, 재료 및 제어 시스템과 같은 분야의 새로운 기술에서 중요한 돌파구를 마련한 것입니다.

중요한 기술 혁신 중 하나는 직경 4m의 일체형 티타늄 합금 프레임을 설계하고 3D 성형하여 경량화, 주기 단축, 비용 절감 등의 목표를 달성한 것입니다. 차세대 유인 우주선 테스트 차량의 성공적인 귀환은 대형 핵심 구조 부품에 대한 통합 3D 프린팅 기술의 성공적인 테스트를 의미하기도 합니다.

그림 1-38은 차세대 유인 우주선 시험 차량의 귀환 캡슐과 3D 프린팅을 통해 얻은 대형 통합 티타늄 합금 프레임의 착륙 상황을 보여줍니다.

사례 연구 1-7: 창어 4호 중계 위성 '퀘차오'용 스큐 리액션 휠 브래킷의 3D 프린팅

2018년 5월 21일, 창어 4호 중계 위성 '췌차오'가 시창 위성 발사 센터에서 성공적으로 발사되었습니다. 깊은 우주 궤도에서 작동하는 이 위성은 인류가 달의 신비를 밝히는 데 도움이 될 것입니다. 제한된 발사 능력으로 인해 '창어 4호'의 무게 지수는 매우 엄격했습니다. 위성의 가장 무거운 부품 중 하나인 스큐 리액션 휠 브래킷은 무게를 줄이기 위해 설계되었습니다.

토폴로지 최적화는 Altair의 Inspire 소프트웨어를 사용하여 수행되었으며, 설계 철학을 '설계를 위한 설계'에서 제품 구조 먼저 제품 성능을 확인한 후'에서 '제품 성능을 먼저 결정한 후 토폴로지 최적화를 통해 최종 제품 구조를 도출하는 방식'으로 전환하여 경량 설계를 달성했습니다.

또한 알루미늄 합금 3D 프린팅을 사용하여 일체형 제조를 수행하여 경량화를 달성했습니다. 그림 1-39는 '퀘차오' 중계 위성을 위한 스큐 리액션 휠 브래킷의 프린팅 결과물과 위성에서의 조립 모습을 보여줍니다.

산업 생산에서 3D 프린팅의 응용

초기에 산업 생산에서 3D 프린팅 기술은 주로 제품 개발 중 프로토타입 제작, 디자인, 구조 및 조립 테스트 검증에 활용되었습니다. 예를 들어 신제품을 대량 생산하기 전에 제품을 평가하여 설계상의 문제를 신속하게 파악하는 것이 필요합니다.

조립, 간섭 검사, 기능 테스트, 제조 가능성 및 조립 검사를 위해 제품의 실제 작동 조건을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 3D 프린팅 기술로 진공 주조 및 인베스트먼트 주조 부품, 사출 금형 등을 위한 마스터 몰드를 제작하는 금형 제작에도 사용할 수 있습니다.

그런 다음 기존 제조 공정과 결합하여 대량 생산을 위한 금형을 제작합니다. 30년 이상의 개발 끝에 3D 프린팅 기술은 이제 산업 분야에서 일부 금형의 직접 프린팅을 포함하여 최종 부품의 직접 제조에 널리 사용되고 있습니다. 또한 기존 사출 금형에 비해 상당한 이점이 있는 컨포멀 냉각 사출 금형을 인쇄할 수도 있습니다.

(1) 제품 개발 및 검증

기존의 제품 개발 및 검증에는 일반적으로 CNC 가공이 포함되는데, 이는 속이 비어 있거나, 벽이 얇거나, 불규칙한 구조의 복잡한 제품을 고정밀로 가공하는 데 한계가 있습니다. CNC로 일부 가공이 가능하더라도 비용이 매우 높기 때문에 구조적으로 단순하고 두껍고 무거운 부품에 더 적합합니다.

3D 프린팅은 빠른 처리 속도, 일회성 성형, 제품 복잡성에 영향을 받지 않는 비용 등의 장점을 제공합니다. 현재 다양한 산업 분야에서 제품 개발 중 설계 검증, 조립 검증, 소량 배치 테스트에 널리 사용되고 있습니다. 제품 개발 및 검증에 사용되는 일반적인 3D 프린팅 재료로는 포토폴리머 수지와 고분자 나일론 소재가 있습니다.

광폴리머 수지 소재는 표면이 매끄럽지만 강도가 낮은 부품을 생산하며, 고분자 나일론 소재는 더 높은 강도와 인성이 필요한 제품에 적합합니다. 그림 1-40은 일부 3D 프린팅 제품 개발 및 검증 사례의 이미지를 보여줍니다.

(2) 금형 제조

기존 가공 방법의 플라스틱 몰드는 일반적으로 그림 1-41(a)와 같이 벽이 얇거나 캐비티가 깊은 부품을 냉각하는 데 효과적이지 않은 직선형 냉각 채널을 사용합니다. 금속 3D 프린팅 기술을 사용하면 그림 1-41(b)와 같이 컨포멀 냉각 채널이 있는 금형을 직접 프린팅할 수 있으므로 금형 냉각에 사각지대가 발생하지 않습니다.

컨포멀 냉각 사출 금형에는 다음과 같은 분명한 장점이 있습니다:

냉각 효율을 효과적으로 개선하고 냉각 시간을 단축하며 사출 생산 효율을 높여 일반적으로 20%에서 40%까지 개선할 수 있습니다.

냉각 균일성을 향상시켜 제품의 뒤틀림과 변형을 줄이고 치수를 안정화하여 제품 품질을 향상시킵니다.

사례 연구 1-8: 3D 프린팅 컨포멀 냉각 사출 금형 코어

한 고객의 일반 패널 플라스틱 부품은 금속 3D 프린팅 컨포멀 냉각 코어를 사용하여 제조되었습니다. 금형 사이클 시간은 55초에서 43초로 단축되었고, 생산량은 하루 1300개에서 1670개로 증가하여 생산 효율성이 28% 향상되었습니다. 부품의 일일 매출은 원래 39,000위안이었으나 3D 프린팅을 사용한 후 50,100위안으로 증가했습니다.

사출 재료, 감가상각, 전력 비용을 공제하고 나면 일일 수익은 2,100위안 증가했습니다. 이러한 금형 한 세트(연간 180일 가동)는 2,100 x 180 = 378,000 위안의 추가 수익을 가져올 수 있습니다. 10세트를 사용하면 수익이 378만 위안까지 증가하여 표 1-1에서와 같이 매우 좋은 수익을 얻을 수 있습니다.

표 1-1: 컨포멀 냉각 코어 제조에 금속 3D 프린팅을 사용하기 전과 후의 생산량 비교

사례 연구 1-9: 에어컨 팬 블레이드용 3D 프린팅 컨포멀 냉각 몰드 코어

그림 1-42(a)와 같이 한 고객의 분할형 에어컨 팬 블레이드는 원래 그림 1-42(b)와 같이 금형 중간 부분에 베릴륨 구리 코어가 있었습니다. 베릴륨 구리 소재는 열전도가 빠르고 냉각 효과가 좋지만 내마모성이 떨어지고 수명이 강철 부품의 4분의 1에 불과해 약 3만 개 이후 교체가 필요해 금형 유지보수 작업량이 증가하는 단점이 있었습니다.

나중에 그림 1-42 (c)와 같이 3D 프린팅 금형 강철 코어를 채택하여 합리적인 컨포멀 냉각수 통로를 설계하여 12만 개 이상을 생산할 수 있으며 사출 성형 생산의 효율성도 향상되었습니다. 금형은 총 66세트로 구성되어 있으며, 1년 후 모두 3D 프린팅 금형 강철 코어로 교체하여 표 1-2와 같이 총 30만 위안 이상의 비용을 절감할 수 있었습니다.

표 1-2: 금형 베릴륨 구리 코어 부품과 3D 프린팅 코어 부품의 비용 비교 표입니다.

(3) 투자 주조

정밀 주조라고도 하는 인베스트먼트 주조는 일회용 패턴을 만들기 위해 왁스 재료를 사용하는 경우가 많기 때문에 흔히 "로스트 왁스 주조"라고도 합니다. 인베스트먼트 주조용 왁스 패턴은 3D 프린팅을 사용하여 제조하는 경우가 많습니다.

사례 연구 1-10: 주얼리 인베스트먼트 주조용 3D 프린팅 왁스 모델

투자 캐스팅 제작 주얼리 제작 과정은 그림 1-43에 표시된 다양한 단계를 거쳐 진행됩니다: (a) 제품의 3D 디자인 모델, (b) 3D 왁스 프린터를 사용하여 왁스 패턴 인쇄, (c) 왁스 지지대 용해, (d) 완성된 왁스 모델 획득, (e) 왁스 트리 생성, (f) 왁스 트리를 금속 주형에 배치, (g) 석고를 부어 석고 주형을 형성하고 진공을 가하는 단계입니다; (h) 석고 몰드를 고온에서 구워 왁스를 태워 석고 네거티브 몰드를 얻고; (i) 금속을 녹이고; (j) 금속을 석고 몰드에 주조하고 석고를 물에 녹이고; (k) 반제품을 염산으로 세척하고 건조시키고; (l) 금속 보석 나무를 해체하고; (m) 연삭 및 연마를 수행하고; (n) 최종 보석 제품을 얻습니다.

(a) 제품의 3D 디자인 모델
(b) 3D 왁스 프린터로 인쇄한 왁스 패턴(흰색 부분은 지지대 재료)
(c) 용해성 왁스 지지대
(d) 완성된 왁스 패턴 얻기
(e) 왁스 트리 만들기
(f) 왁스 트리를 금속 몰드에 넣기
(g) 석고를 부어 석고 몰드를 형성하고 진공 적용하기
(h) 오븐에서 고온 베이킹하여 왁스를 연소시키고 석고 네거티브 몰드를 얻습니다.
(i) 금속 용융
(j) 석고 몰드에 금속 주조 및 석고를 물로 용해시키는 과정
(k) 반제품을 염산으로 세척하고 건조하기
(l) 금속 보석 트리 해체하기
(m) 연마 및 연마
(n) 최종 주얼리 제품 획득

(4) 모래 주조

모래 주조는 주조 모래(일반적으로 규사)와 바인더로 주형과 코어를 만들어 금속 주물을 생산하는 과정입니다. 이 전통적인 공정에서는 일반적으로 모래 주형과 코어를 위한 나무 패턴을 수동 또는 반수동으로 만들어야 합니다.

하지만 3D 프린팅 기술을 사용하면 설계 데이터에서 직접 모래 주형과 코어를 인쇄할 수 있어 금형 제작의 효율성을 크게 개선하고 생산 주기를 단축하며 제조 비용을 절감하고 기존 모래 주조에 비해 높은 정밀도를 제공할 수 있습니다. 또한 벽이 얇고 내부 구조가 복잡한 부품도 주조할 수 있습니다.

사례 연구 1-11: 얇은 벽의 클러치 하우징 주조를 위한 3D 프린팅 모래 주형

모래 주조를 통해 상부와 하부로 나뉘어 465mm × 390mm × 175mm 크기와 7.6kg 무게의 얇은 벽을 가진 클러치 하우징을 제작했습니다. 독일의 복셀젯 회사는 그림 1-44(a)와 같이 고품질 GS09 모래를 사용하여 매우 얇은 벽을 가진 모래 주형을 3D 프린팅했습니다. 그런 다음 그림 1-44(b) 및 (c)에 표시된 것처럼 G-AlSi8Cu3 합금을 사용하여 부품을 주조했습니다.

전체 제조 공정은 5일도 채 걸리지 않았고, 생산된 클러치 하우징은 테스트를 통과한 후 양산된 부품과 동일한 성능을 발휘하여 고객에게 상당한 시간적, 비용적 이점을 제공했습니다.

사례 연구 1-12: 레이싱카 흡기 매니폴드 주조를 위한 3D 프린팅 모래 주형

스로틀 바디와 엔진의 흡기 밸브 사이에 위치한 흡기 매니폴드는 공기가 스로틀을 통해 유입된 후 분열되기 때문에 매니폴드라고 부릅니다. 매니폴드는 공기-연료 혼합물 또는 깨끗한 공기를 각 실린더에 최대한 균일하게 분배해야 하므로 매니폴드 내의 가스 통로 길이가 최대한 동일해야 합니다.

가스 흐름 저항을 줄이고 흡기량을 늘리려면 흡기 매니폴드의 내벽이 매끄러워야 합니다. 레이싱 카 흡기 매니폴드는 간섭 영역이 많아 모래 주조 및 후속 가공에 어려움이 있습니다. 복잡한 요구 사항을 정확하게 충족하기 위해 복셀젯은 샌드 몰드의 3D 프린팅을 위해 흡기 매니폴드 모델을 네 부분으로 나누어 조립 중 변형 문제를 방지했습니다.

매니폴드 크기는 그림 1-45(a)와 같이 854mm × 606mm × 212mm, 전체 샌드 몰드의 무게는 약 208kg, 프린팅 시간은 15시간이 소요되었습니다. 그리고 주조 알루미늄 합금 흡기 매니폴드의 무게는 그림 1-45(b)와 같이 약 40.8kg입니다.

(5) 실리콘 몰딩

실리콘 몰딩은 프로토타입 부품을 사용하여 진공 상태에서 실리콘 몰드를 만들고 그 안에 액체 수지를 부어 원본 부품을 복제하는 공정입니다. 이러한 복제품은 사출 성형 제품에 가까운 성능을 가지며 고객의 요구 사항에 맞게 색상을 맞춤화할 수 있습니다.

진공 또는 저압 주입 방식으로 재료를 주입하며, 진공 주입은 주로 가전제품 케이스와 같은 중소형 부품 생산에 사용되고 저압 주입은 자동차 범퍼와 같은 대형 부품에 주로 사용됩니다.

전통적으로 실리콘 몰드용 프로토타입 부품은 CNC 가공을 통해 제작되었지만, 3D 프린팅으로 제작된 실리콘 몰드용 프로토타입은 일반적으로 광폴리머 수지 재료를 사용하여 SLA 공정을 통해 빠르게 제작됩니다. 각 실리콘 몰드는 ±0.2mm/100mm의 정확도, 최소 주조 두께 0.5mm, 최적 1.5-5mm, 최대 주조 크기 약 2m로 약 10-20개 정도를 생산할 수 있습니다.

프로세스 흐름은 다음과 같습니다:

프로토타입 제작: 3D 프린팅을 사용하여 제품의 3D 데이터를 기반으로 프로토타입을 제작합니다.

실리콘 몰드 제작: 프로토타입을 만든 후 금형 프레임을 제작하고 프로토타입을 제자리에 고정하며 '스프 루'와 벤트 홀을 만듭니다. 스프 루는 재료가 들어오는 입구로 '게이트'라고도 합니다. 스프 루의 크기와 모양은 재료의 흐름 특성과 부품의 크기에 따라 설계되어야 합니다.

진공 탈기된 액체 실리콘을 몰드에 부어 제품을 완전히 덮습니다. 그런 다음 실리콘의 경화를 촉진하기 위해 몰드를 구운 다음 8시간 후에 실리콘 몰드를 잘라 두 개의 반으로 나누고 프로토타입을 제거하면 실리콘 몰드 제작이 완료됩니다.

진공 주조: 실리콘 몰드를 닫은 후 진공 주조기에 넣어 공기를 빼내거나 저압 환경을 조성한 후 재료를 주입합니다.

충전 후 재료는 60-70°C의 일정한 온도에서 30-60분간 경화시킨 다음 탈형합니다. 필요한 경우 70~80°C에서 2~3시간 동안 2차 경화를 진행합니다. 재료가 경화된 후 금형을 제거하고 개봉하여 복제된 제품을 얻습니다. 이 과정을 반복하여 소량의 복제품을 생산합니다.

실리콘 성형 기술은 사출 성형 기술에 비해 빠르고 비용이 적게 들며 생산 주기가 짧아 개발 비용과 R&D 일정을 크게 단축할 수 있습니다.

일반적으로 자동차 부품의 개발 및 설계에 사용되며 에어컨 하우징, 범퍼, 에어 덕트, 캡슐화된 통풍구, 흡기 매니폴드, 센터 콘솔 및 대시보드와 같은 성능 테스트 및 도로 시험용 플라스틱 부품의 소량 배치를 생산합니다. 그림 1-46은 3D 프린팅 프로토타입을 사용하여 제작한 실리콘 몰드 및 복제 부품의 두 가지 예를 보여줍니다.

(6) 최종 사용 제품(자동차 경량화)

3D 프린팅 기술은 항공우주, 군사, 의료, 자동차, 가전, 가전제품 등 다양한 분야에서 최종 사용 부품이나 제품을 직접 제조하는 데 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 자동차 제조 분야에서는 연구자들과 기업들이 3D 프린팅을 이용해 부품은 물론 차량 전체를 직접 제조하는 실험을 계속하고 있습니다.

예를 들어 포드 자동차는 전 세계 30개 이상의 공장에서 100대에 가까운 다양한 3D 프린터를 운영하고 있으며 수십 년 동안 이 기술에 투자해 왔습니다. Ford는 개발 및 검증뿐만 아니라 최종 부품 및 도구 생산에도 3D 프린팅을 사용합니다.

메르세데스, BMW, 아우디, 폭스바겐, 도요타, 캐딜락, 테슬라, 페라리, 람보르기니, 포르쉐 등 다른 거대 자동차 회사들도 차량 개발 및 제조에 3D 프린팅을 광범위하게 활용하고 있습니다.

차량 경량화는 전 세계 자동차 산업의 트렌드이며, 앞으로 더 가벼운 차량에 대한 추구는 더욱 극심해질 것입니다. 자동차 경량화는 차량의 공차 중량을 크게 줄이는 동시에 강도와 안전성을 보장하고, 출력과 주행 거리를 개선하며, 연료 소비를 줄이고, 배기가스 오염을 줄이며, 차량 핸들링과 안전성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

금속 3D 프린팅 자동차 부품은 기존 부품보다 40~80% 가벼워 CO2 배출량을 16.97g/km까지 줄일 수 있습니다. 일부 경량 부품은 복잡한 내부 격자 구조를 통해 무게를 줄이면서도 성능을 향상시키는 것이 특징입니다.

경량화에는 고강도 강철, 티타늄 합금 사용과 같은 재료, 설계 및 공정 측면이 포함됩니다. 알루미늄 합금구조, 통합 및 토폴로지 설계 최적화, 첨단 제조 공정을 도입하여 부품 성능을 개선하고 무게를 크게 줄입니다.

3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 직접 제조하여 사용할 수 있는 자동차 부품이 점점 더 많아지고 있으며, 3D 프린팅은 자동차 제조 산업에서 새로운 업그레이드의 물결을 일으킬 것으로 예상됩니다.

사례 연구 1-13: BMW i8 로드스터 컨버터블 탑 브래킷 및 윈도우 가이드 레일 3D 프린팅

BMW 그룹은 자동차 업계의 3D 프린팅 기술 도입을 선도하는 선구자 역할을 꾸준히 해왔습니다. BMW i8 로드스터는 그림 1-47(a)와 같이 3D 프린팅 기술을 활용하여 금속 컨버터블 탑 브래킷을 생산하고 있으며, 이는 대량 생산에 직접 사용되고 있습니다.

이 3D 프린팅 금속 브래킷은 컨버터블 탑 커버와 스프링 힌지를 연결하여 고무 댐퍼나 더 강하고 무거운 스프링 및 구동 장치와 같은 추가적인 소음 저감 조치 없이도 지붕을 쉽게 접고 펼 수 있도록 합니다. 브래킷은 지붕의 전체 무게를 들어 올리고, 밀고, 당기는 데 필요하며 주조로는 불가능한 복잡한 형상이 필요합니다.

최종 디자인은 그림 1-47(b)와 같이 금속 3D 프린팅 기술을 사용하여 가벼운 격자 구조로 제작되어 지붕 지지력을 최적화하는 동시에 변위를 최소화하여 개폐 시 덮개가 무너지는 것을 방지했습니다. 이 3D 프린팅 브래킷은 경량 기술의 획기적인 발전을 인정받아 2018 알테어 인라이튼 어워드에서 수상했으며, 시상식에서도 혁신적인 디자인으로 큰 주목을 받았습니다.

BMW i8 로드스터에 직접 사용된 또 다른 최종 사용 3D 프린팅 부품은 그림 1-48에서 볼 수 있듯이 윈도우 가이드 레일입니다. 이 가이드 레일은 나일론 3D 프린팅을 통해 단 5일 만에 개발되어 24시간 내에 100개 이상의 윈도우 가이드 레일을 생산할 수 있는 대량 생산 체제로 전환되었습니다. 이 부품은 BMW i8 로드스터의 도어 내부에 설치되어 윈도우가 원활하게 작동할 수 있도록 합니다.

BMW의 공개 생산 정보에 따르면 2018년 BMW i8 로드스터의 무게는 44% 감소했습니다. 현재까지 3D 프린팅으로 100만 개 이상의 부품을 생산했습니다. 2018년에만 BMW 그룹의 3D 프린팅 생산 센터의 부품 생산량은 전년 대비 42% 증가한 20만 개를 넘어섰습니다.

사례 연구 1-14: 부가티 시론의 브레이크 캘리퍼 3D 프린팅

부가티 시론은 물리학의 한계를 뛰어넘어 단 42초 만에 0에서 400km/h까지 가속할 수 있으며, 부가티의 성공은 지속적인 시스템 최적화와 새로운 소재 및 공정의 성공적인 적용에서 비롯됩니다. 그중에서도 신형 시론의 브레이크는 전륜과 후륜 캘리퍼에 각각 8개와 6개의 피스톤을 장착한 세계에서 가장 강력한 성능을 자랑합니다.

기존 부가티 시론의 브레이크 캘리퍼는 고강도 알루미늄 합금으로 제작되어 무게가 4.9kg에 달했습니다. 새로운 캘리퍼는 생체 모방 원리를 기반으로 구조적으로 최적화되었으며 항공 우주 등급의 티타늄 합금으로 3D 프린팅되어 그림 1-49와 같이 무게가 40% 감소한 2.9kg에 불과합니다.

새로운 캘리퍼의 개발은 놀라울 정도로 빠르게 진행되어 초기 콘셉트에서 첫 번째 인쇄 부품까지 단 3개월이 걸렸습니다. 가장 시간이 많이 걸렸던 부분은 강도 및 강성 을 선택한 다음 인쇄 프로세스를 시뮬레이션하여 원활하게 완성할 수 있도록 합니다.

캘리퍼의 크기는 길이 41cm, 너비 21cm, 높이 13.6cm이며, 4레이저 용융 시스템을 사용하여 인쇄했으며 인쇄하는 데 45시간이 걸렸습니다. 프린팅 후 부품과 베이스 플레이트는 700°C에서 열처리되었습니다. 어닐링 용광로와 함께 냉각시켜 잔류 응력을 제거하고 치수 안정성을 확보하는 데 10시간이 걸리는 과정입니다.

그런 다음 와이어 절단을 통해 부품을 제거하고 지지대를 제거한 다음 물리적 및 화학적 방법을 조합하여 부품을 연마하고 연마하여 개선했습니다. 피로 강도 나중에 차량을 사용하는 동안 장기적인 내구성을 높일 수 있습니다. 마지막으로 11시간이 소요되는 밀링 머신으로 나사산 가공(피스톤 연결)을 완료했습니다.

향후 3D 프린팅 적용의 한계와 위험성

3D 프린팅 기술은 확산 과정에서 강력한 응용 이점을 입증했지만, 수많은 한계와 위험에도 직면해 있습니다. 이러한 문제를 명확히 이해하고 해결하거나 피해야만 3D 프린팅의 장점을 충분히 활용하고 적용 범위와 영역을 계속 확장할 수 있습니다.

(1) 제한 사항

3D 프린팅 기능의 한계

현재 대부분의 3D 프린터는 다음과 같은 두드러진 문제점을 가지고 있습니다: 첫째, 장비의 크기가 작아서 일반적으로 인쇄 크기가 400mm×400mm×40mm 정도에 집중되어 있고 1000mm를 초과하는 장비는 거의 없습니다. 둘째, 부품 프린팅 시간이 길고 비용이 높아 효율성이 상대적으로 낮습니다. 셋째, 표면 거칠기 와 치수 정확도는 아직 이상적이지 않습니다.

예를 들어 정밀 주조는 표면 거칠기를 Ra3.2μm 이상, 심지어 Ra1.6μm 이하로도 달성할 수 있지만 레이저 3D 프린팅 금속 부품의 최고 수준은 현재 Ra6.4μm 정도이며 일반적으로 Ra10μm 이상이며 전자빔 파우더 베드 3D 프린팅의 경우 표면 거칠기는 Ra20-30μm입니다.

넷째, 재료가 제한되어 있습니다. 각 3D 프린팅 공정 유형은 매우 제한된 수 또는 유형의 재료로 제한되어 있어 일부 분야의 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

표 1-3에는 국내 및 해외의 주요 SLM 장비 제조업체와 해당 매개변수가 나와 있습니다.

3D 프린팅이 인간 건강에 미치는 영향

금속 3D 프린터를 작동하거나 후처리 작업을 하는 작업자는 일반적으로 크기가 100마이크론 미만인 금속 분말과 접촉하게 됩니다. 이러한 미세 입자는 폐나 점막으로 쉽게 들어가 호흡기 또는 신경 손상을 일으킬 수 있습니다. 이러한 위험을 완화하기 위해 보호복과 방독면을 착용하는 것이 필수적입니다.

또한 금속 3D 프린팅에는 가공 중 산화를 방지하기 위해 아르곤이나 질소와 같은 불활성 가스가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 불활성 가스가 누출되면 인체가 감지할 수 없는 심각한 위험을 초래하며, 피해자도 모르게 흡입될 수 있습니다. 우리가 호흡하는 공기에는 21%의 산소가 포함되어 있으며, 누출로 인해 19.5% 이하로 떨어지면 산소 부족과 해를 끼칠 수 있습니다.

이는 특히 밀폐된 공간에서 발생할 가능성이 높으므로 금속 3D 프린터 사용자는 이러한 잠재적 위험을 인지하고 예방 조치를 취해야 합니다.

3D 프린팅 생산의 안전 위험 ③ 3D 프린팅 생산의 안전 위험

금속 3D 프린팅 작업장에서는 티타늄, 알루미늄, 마그네슘과 같은 금속 분말이 공기 중에 농축되어 점화원을 만나면 연소하거나 폭발할 수 있습니다. 분말이 미세할수록 연소에 더 취약합니다. 따라서 금속 분말을 보관, 처리 및 후처리할 때는 점화원 및 정전기를 피해야 합니다.

또한 파우더 유출은 환경적 위험을 초래할 수 있습니다. 2014년 미국 산업안전보건청(OSHA)은 금속 3D 프린팅 시설에서 적절한 소방 장비를 갖추지 않아 작업자가 화상을 입은 안전사고를 예로 들었습니다. 비록 부적절한 장비 취급으로 인해 화재가 발생했지만, 이 사건은 여전히 안전에 대한 경각심을 일깨워주는 중요한 사례입니다.

(2) 위험

3D 프린팅 기술은 기술 발전을 주도하고 편리함을 제공하지만, 다양한 응용 분야에서 세심한 주의가 필요한 위험을 초래하기도 합니다.

예를 들어 3D 프린팅 총기는 개인 안전과 공공 질서에 위험을 초래할 수 있고, 3D 프린팅 의약품은 약물 관리와 건강에 위험을 초래할 수 있으며, 3D 프린팅 상품은 상표, 저작권 및 지적 재산권을 침해할 수 있고, 심지어 3D 프린팅은 개인 정보 보안, 재산 안전 및 윤리 규범에 위험을 초래할 수도 있습니다.