A three-dimensional physical part can be fabricated from a three-dimensional digital model in a layer-wise manner via additive manufacturing (AM) technology, which is different from the conventional subtractive manufacturing technology. Numerous studies have been conducted to take advantage of the A...
A three-dimensional physical part can be fabricated from a three-dimensional digital model in a layer-wise manner via additive manufacturing (AM) technology, which is different from the conventional subtractive manufacturing technology. Numerous studies have been conducted to take advantage of the AM opportunities to penetrate bespoke custom product markets, functional engineering part markets, volatile low-volume markets, and spare part markets. Nevertheless, materials issues, machines issues, product issues, and qualification/certification issues still prevent the AM technology from being extensively adopted in industries. The present study briefly reviews the standard classification, technological structures, industrial applications, technological advances, and qualification/certification activities of the AM technology. The economics, productivity, quality, and reliability of the AM technology should be further improved to pass through the technology adoption lifecycle of innovation technology. The AM technology is continuously evolving through the introduction of PM materials, hybridization of AM and conventional manufacturing technologies, adoption of process diagnostics and control systems, and enhanced standardization of the whole lifecycle qualification and certification methodology.
A three-dimensional physical part can be fabricated from a three-dimensional digital model in a layer-wise manner via additive manufacturing (AM) technology, which is different from the conventional subtractive manufacturing technology. Numerous studies have been conducted to take advantage of the AM opportunities to penetrate bespoke custom product markets, functional engineering part markets, volatile low-volume markets, and spare part markets. Nevertheless, materials issues, machines issues, product issues, and qualification/certification issues still prevent the AM technology from being extensively adopted in industries. The present study briefly reviews the standard classification, technological structures, industrial applications, technological advances, and qualification/certification activities of the AM technology. The economics, productivity, quality, and reliability of the AM technology should be further improved to pass through the technology adoption lifecycle of innovation technology. The AM technology is continuously evolving through the introduction of PM materials, hybridization of AM and conventional manufacturing technologies, adoption of process diagnostics and control systems, and enhanced standardization of the whole lifecycle qualification and certification methodology.
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문제 정의
적층제조의 생산성은 장비의 고속출력에 직접적으로 의존한다. 금속 베드 용융 적층제조 장비에서는 고밀도 열원의 고 출력화를 통해 스캔 속도를 높이거나 그림 9처럼 복수의 레이저를 이용하는 장비(galvano-mirror 방식)를 통해서 생산성을 개선하고자 한다. 예시로 독일 SLM Solutions 社는 복수의 레이저-스캐너 시스템을 이용한 멀티 레이저 PBF 장비를 통해서 생산성 개선을 제시하고 있다.
아울러 적층제조 과정에서 자중이나 열응력에 의한 변형이 발생하는 경우 형상과 치수의 정밀도가 낮아지게 된다. 따라서, 최종제품의 형상과 표면조도를 구현하기 위해서 적층제조 완료된 샘플을 가공처리 한다. 기계가공기술은 CNC 기술을 이용한 가공과 연마입자를 이용한 블라스팅 기술[33], CO2를 이용한 가공기술[34]등이 제시되고 있다.
본 분석에서는 AM 기술의 개념에 대한 간략한 소개와 제품화 전 과정에서의 AM 기술 구조 및 개발현황을 소개하고자 한다.
제안 방법
상품설계 과정(Product Design)은 기존의 컴퓨터 지원설계(CAD: Computer Aided Design) 프로그램을 이용한 디자인이나 스캐너를 이용한 역설계를 통해서 원형모형을 준비하고, 이를 AM의 기술적 장점을 적용하여 최적화하는 단계이다. 기존 제조기술과 달리 형상의 자유도가 높으므로 형상(topology)과 중량을 격자구조를 통해서 최적화하는 과정 및 이를 통해서 형성된 모델의 제품 특성을 전산모사하는 과정을 반복적으로 수행한다. 최종적으로 확정된 3D 모델은 프린팅에 적합한 유형으로 변환/최적화하는 Pre-AM 단계를 거친다.
벌크소재와 다른 분말베드의 레이저와의 반응을 반영하기 위해서 ray tracing 모델링 접근방법[12]이 제시되었다. 레이저 빔이 조사되는 과정에서 분말입자에 흡수 혹은 반사가 발생하고 반사된 빔이 다시 다른 입자와 충돌하는 과정을 연쇄적으로 추적하는 방법을 적용하였다. 또한 이 과정에서 분말의 용융과 수축, 고상분말 및 가스상의 거동을 동시에 해석하여 온도구배, 응력구배 및 미세조직의 발생에 대해서 더 정확한 예측이 가능해야 한다.
건축 AM 기술인 Pegna, Contour Crafting, Concrete Printing, D-Shape 등의 기술이 참고문헌[10]에 잘 정리되어 있다. 본 리뷰 논문의 상세 기술분류는 일반 AM 기술로 한정한다. 일반 AM은 다양한 기술개발자가 다양한 공정 개념을 구현한 독자적인 기술을 제시하고 있다.
성능/효과
2차원 출력물의 품질과 출력속도 등은 프린팅 방식, 프린터의 해상도, 출력조건 등에 따라서 달라진다. 결론적으로, 최종제품을 부피를 가지고, 직접 만질 수 있는 3차원의 형태로 출력하는 AM 기술을 평면 출력물을 생산하는 2D 프린팅 기술과 비교하면, 최종 제품의 형상이 다르지만 출력 전 과정에서 근본적으로 상동성(homology)을 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 상동성은 향후 3D 기술의 발전방향과 사업모델을 유추하는 데 있어 매우 중요한 관점이 된다.
기존의 벌크소재의 기계가공 방식이 아닌 적층식기술의 본격적인 기술 개념정립이 이루어진 1900년대 후반에는 컴퓨터를 이용하는 컴퓨터 이용설계 및 컴퓨터 이용제조(CAD/CAM: computer aided manufacturing) 기술이 제조산업에 접목되면서 모델을 설계하는 과정에서 제품화하는 과정까지 전 과정에 소요되는 시간을 비약적으로 줄일 수 있게 한다는 장점이 부각되면서 RP 기술이 정립되었다. 동시에 벌크소재의 기계가공 방식으로 불가능한 형상을 구현 가능하다는 점이 장점으로 부각되었고 다양한툴의 생산에 적용되는 RT 개념이 도출되었다. 이후 속도와 디자인 자유도외에 제조된 제품의 정밀도, 성능 등이 크게 개선되면서 완성품을 생산하는 RM 개념이 제시되었고 제품개발 단계나 소량제품생산에 적용되었다.
후속연구
금속 AM은 고밀도 열원을 이용하는 경우가 일반적이므로 pre-AM과 공정 예측을 통해 대상 모델과 일치성이 높은 제품의 생산에 대한 신뢰성을 높이는 디지털 기술의 확보가 현재 상용화된 기술의 제품 특성 불확실성을 극복할 수 있는 현실적인 대안을 제시할 것이다. 국부 영역에 고밀도 열원이 조사되는 경우 온도의 구배가 발생하게 되고 잔류응력의 발생, 국부변형 및 소재에 따라 균열을 발생할 수 있어 3차원 제품화 과정에서 열의 제어가 필수이다.
실제로, AM 특허기술의 보유자 분석결과는 지금까지의 AM 기술이 주로 공급자인 장비 개발자와 산업제품 공급망의 최종소비자가 주를 이루었고, 절대 다수를 구성하는 소재, 부품 생산자의 참여가 부족한 상황이다. 따라서 AM 산업생태계에 다양한 참여자가 발생하고, 서로 다른 영역의 참여자 간 연계된 문제해결 활동을 수행한다면, 소위 네트워크 효과(network effects)에 의해 빠른 속도로 현재의 AM 기술에 제기되는 문제들을 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 판단된다.
레이저 빔이 조사되는 과정에서 분말입자에 흡수 혹은 반사가 발생하고 반사된 빔이 다시 다른 입자와 충돌하는 과정을 연쇄적으로 추적하는 방법을 적용하였다. 또한 이 과정에서 분말의 용융과 수축, 고상분말 및 가스상의 거동을 동시에 해석하여 온도구배, 응력구배 및 미세조직의 발생에 대해서 더 정확한 예측이 가능해야 한다. 특히 분말베드의 열전도와 관련한 기초이론과 불특정한 분말의 불규칙한 충진에 대한 모형화가 신뢰성 있게 제시되어야 한다.
아직 기술적인 완성도가 낮지만 AM 기술은 시장 변화에 따른 새로운 제조 패러다임 전환의 핵심적인 생산 시스템으로 성장할 것으로 예상된다. 본문에서 기술한 바와 같이 디지털 기술과 실물제조기술이 융합된 기술인 동시에 ICT 기반의 공급망을 통해 대량 맞춤형 시장에 최적화된 솔루션을 제공하기 위해서는 상품설계, pre-AM, 생산과정에서의 공정제어 S/W 등과 같은 디지털 기술과 소재, 장비, AM 공정제어기술 및 후공정 기술의 최적화를 통한 일치성 높은 실물제조기술, 그리고, 상품모델, 소재, 장비, 제품 및 생산자평가/인증 기술을 통한 시장의 신뢰성 확보가 동기화된 형태로 개발될 필요성이 높다는 것을 강조한다.
AM 기술은 기존의 실물제조기술과 디지털기술이 융합된 특성을 가지며, 소품종 대량생산 시장보다 대량 맞춤형 생산에 강점을 가지는 기술이다. 향후 시장의 구조는 기존공급망과 다른 유형으로 전개될 것으로 보이며 불특정 소비자와 불특정 생산자가 정보통신기술(ICT: Information Communications Technologies) 채널을 통해서 실시간 공급망을 생성하게 될 것이다. 그림 3에는 이러한 개인 맞춤형 휘발성 시장을 충족하는 공급망의 예상도를 나타냈다.
실제로 포드 생산방식은 대량생산을 통해 제품의 생산성과 경제성을 낮추었고, 이후 컴퓨터를 통한 자동화 기술과 제조기술의 결합은 플랫폼에 기반한 유연생산기술을 통해서 기존의 표준화된 제품의 대량생산 방식으로부터 부분 혹은 전반적으로 맞춤형 제품을 생산하는 기술로 전환되었다. 향후 패러다임은 공급자 중심에서 소비자 중심으로 시장이 전환되고 이에 따라서 디자인, 성능, 가격, 제품 수량, After Service(AS) 등에서의 불확실성을 극복할 수 있는 새로운 생산기술을 요구하며, 이는 정보통신기술과 새로운 제조 방식의 결합을 필요로 한다. AM 기술은 생산기술의 기저를 중앙 집중화된 대량생산(centralized mass production) 방식에서 대량 맞춤형 분산 생산(distributed mass customization) 방식으로 근본적으로 변화시킬 수 있는 잠재력이 큰 미래기술이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Koren이 제시한 제조기술의 패러다임이 거치는 단계는 무엇인가?
Koren은 The Global Manufacturing Revolution(Wiley) [7]에서 시대에 따른 자동차 산업의 제조 방식의 변화를 통해 제조업의 패러다임의 전환을 고찰하고 이를 그림 2와 같이 나타냈다. 사회적 요구, 시장의 특성 변화에 따라 제조기술의 패러다임은 craft production → mass production → mass customization → personalized production의 단계를 거친다고 제시하고 있다. 이러한 패러다임의 전환은 제조기술의 발전이 구동력이 되고 있다.
ASTM F 2792-12a에서의 AM 기술의 정의는 무엇인가?
지금까지, 대중적 이해도를 높이기 위해서 주로 사용된 3D 프린팅 기술이라는 용어는 현재 표준화에 따라 AM 기술로 정의되었다(표 1). ASTM F 2792-12a[8]에는 AM 기술을 최종적으로 만들고자 하는 제품의 3차원 모델을 2차원 파일로 분해하고 분해된 각각의 2차원 패턴을 순차적으로 컴퓨터를 이용한 제조기술을 적용하여 층층이 쌓아서 최종적으로 제품화하는 기술로 정의하고 있으며 지금까지 매우 다양한 기술이 산업과 연구계를 통해서 개발되고 소개되고 있다.
본 논문에서 언급한 자동차 산업의 제조 방식 변화의 대표적인 예로 무엇이 있는가?
이러한 패러다임의 전환은 제조기술의 발전이 구동력이 되고 있다. 실제로 포드 생산방식은 대량생산을 통해 제품의 생산성과 경제성을 낮추었고, 이후 컴퓨터를 통한 자동화 기술과 제조기술의 결합은 플랫폼에 기반한 유연생산기술을 통해서 기존의 표준화된 제품의 대량생산 방식으로부터 부분 혹은 전반적으로 맞춤형 제품을 생산하는 기술로 전환되었다. 향후 패러다임은 공급자 중심에서 소비자 중심으로 시장이 전환되고 이에 따라서 디자인, 성능, 가격, 제품 수량, After Service(AS) 등에서의 불확실성을 극복할 수 있는 새로운 생산기술을 요구하며, 이는 정보통신기술과 새로운 제조 방식의 결합을 필요로 한다.
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