일본산업뉴스요약

보급기를 맞이한 3D 프린터 (하)
「속도 10배」의 도입을 지원 --  HP, 높은 비용문제의 해결방안으로

세레보(Cerevo)는 니혼방송 등과 공동으로 개발 중인 라디오「Hint」의 시작(試作)에 3D프린터를 적용했다. 지금까지와는 다른 디자인으로, 시작과 검증의 사이클을 신속하게 돌릴 수 있었다. 또한, 세레보는 자전거「ORB-TREC」의 일부 부품을 3D프린터로 제작했다. 프레임을 구성하는 파이프를 연결하기 위한 티탄(Titan)합금제인 조인트(Joint)를 제작해, 사용자의 신체에 맞는 프레임 조절이 가능해졌다. 조인트로는 내구력을 유지하면서도 경량화가 가능한 구조를 채택했다.

-- 한번에 넓은 범위를 가열하는 기술 --
현재, 3D(3차원)프린터의 가장 일반적인 이용법은 시작(試作) 단계에서의 디자인 검토이다. 아이디어를 신속하게 형태화시켜 검토, 독자성이 강한 제품을 제작할 수 있게 되었다.

그 중, 한 사례가, 디지털 가전을 생산하는 벤처 기업인 Cerevo(도쿄)가 니혼방송 등과 함께 개발하고 있는 라디오「Hint」이다. 일반적인 라디오와는 다른, 원통형의 모양을 고집했다. 문제가 된 것은, 이 형태에 적합하면서도 충분한 음질을 낼 수 있는 스피커의 구조였다.

3D프린터에 의한 시작과 음질의 평가를 반복하면서 스피커의 구조를 결정해 나갔다. 전날 밤에 3D프린터에게 출력을 지시해 놓으면 다음날 아침까지 시작품이 만들어져, 이것의 시험 결과를 설계에 반영한다. 다음 시작품도 야간에 만들어 내는 사이클로 진행하였다. 기존에는 일부러 시작품을 만들지 않았던 세세한 설계 변경에도, 시작품을 만들어 시험해 보았다고 한다.

「(3D프린터를 이용하는 것으로) 시작품의 제작 속도가 기존의 가공업자 등에 의뢰했을 때와 비교해, 3분의 1 이하로 줄어들었다」(최고기술 책임자 마츠모토(松本) 씨). 시작과 평가를 20~30회 이상 반복하여, 납득할 수 있는 구조로 제작 할 수 있었다고 한다.

제작단계에서 3D프린터를 이용하는 시도도 많아졌다. 형태를 주문제작(Customize)으로 쉽게 만들어, 사용자 개인의 체형에 맞는 용도로 제작된 제품들이다.

-- 의료분야에서 앞장서다 --
그 혜택을 많이 받은 분야 중 하나가, 깁스나 치아 교정 기구의 형태, 인공 뼈 등의 의료 기구이다. 미국 대형업체의 일본법인 3D Systems Japan(도쿄)의 사무 본부장인 우노(宇野) 씨는「의료 분야는 3D프린터의 활용이 가장 활성화되고 있는 업계 중 하나다」라고 말한다.

전자 기기에서도 이와 같은 활용이 추진될 수 있다. 온키요(ONKYO)는 3D프린터를 사용해, 사용자의 귀의 형태에 맞춘 이어폰을 제품화하고 있다.

활용법을 연구한다면 보다 큰 형태의 제품을 사용자의 체형에 맞게 제조할 수 있을 것이다. Cerevo는 스마트폰과 연계해 사이클링의 기록 등이 가능한 자전거「ORBITREC」의 프레임 모양을 사용자가 주문 제작할 수 있게 하였다.

프레임을 파이프와 조인트로 분해하여, 파이프의 길이 조정과 조인트의 형태 변경을 통해 주문 제작이 가능해졌다. 3D프린터로 제조하는 것은 조인트 부분이다.

기존의 커스터마이즈 상품은 장인이 프레임 제작을 해왔다.「기존의 주문 제작 자전거는 주문에서 제작까지 수 개월 걸렸으나, 약 한 달 안에 완성할 수 있게 됐다」(마쯔모토 씨). 가격은 프레임 만으로 약 7,000달러(약 72만엔) 이하로 책정될 예정으로, 기존의 주문 제작 자전거와 같은 정도이다.

조인트에는 또 다른 고안이 있다. 3D프린터로만 조형이 가능한 특수한 형태의 구조를 채택한 것이다. 채택한 것은, 내부에 다수의 구멍이 있는 래티스(격자모양) 구조. 구멍 난 부분에 재료가 필요 없기 때문에 경량화뿐만 아니라, 재료 사용량도 줄어든다.

이러한 구조가 내구력이 유지된다는 것은 이전부터 알려져 있었기에, 설계를 지원하는 환경 조성도 마련되었다. 미국의 Altair Engineering의 구조 해석 소프트웨어인「Opti Struct」는, 자동으로 래티스 구조의 배치나 사이즈를 최적화시키는 기능을 가지고 있다. 절삭이나 주조로 이 구조를 제작하는 것은 매우 어려웠으나, 3D프린터의 등장으로, 제품에 적용할 수 있게 되었다.

기존의 가공법으로는 여러 개로 분할되어 형성 된 부품을 하나로 만들어내는 것도 가능해 졌다. 헬리콥터 제작사인 미국 Bell Helicopter Textron은 헬리콥터의 에어컨 덕트(Duct)부품 등에 3D프린터를 활용, 공정 후 조립 단계의 회수를 줄일 수 있었다고 한다.
3D프린터로 제조할 경우, 절삭 등으로 제작하는 경우에 비해 가격이 저렴할 수 있지만, 대량 생산품에 비해서는 몇 배 더 비싸질 수도 있다. 미국의 HP(Hewlett-Packard)는 이 문제를 근본적으로 해결하려 하고 있다. 그들이 중시하는 것은 조형 속도이다. 단위 시간 당 제조 개수를 늘려나간다면, 각각의 부품 제조 비용을 낮출 수 있기 때문이다.

HP사가 2016년 중에 출하하는 3D프린터에서「조형 속도 10배」를 강조하는 것은 이 때문이다. 비교 대상으로 거론되는 것이 분말 소결 적층조형(SLS) 방식이나 열 용해적층(FDM) 방식을 이용하는 기존의 3D프린터이다. 동사에 의하면 같은 형태의 기어(Gear)를 조형할 경우, 동사의 프린터로는 3시간에 1,000개의 조형이 가능한 것에 반해, SLS로 79개, FDM로는 36개에 불과했다고 한다.

-- 소재 개발을 위한 제휴 --
속도를 높이기 위해 개발 된 것이「HP Multi Jet Fusion technology」라고 불리는 기술이다. 소재를 단단하게 만들기 위해 열로 굳히는 특수 결합제(Agent)와 히터를 이용한다. SLS 방식 등은 레이저가 닿는 1점만 굳힐 수 있는 것에 반해, 히터로는 한번에 넓은 범위를 가열 및 경화시킬 수 있어, 조형 속도를 높일 수 있다.

속도 향상의 발전 가능성도 있어 보인다. 초기 제품에서는, 조형에 필요한 면적이 40.6X30.5cm(높이는 40.6cm)였다. 보다 큰 히터로, 보다 넓은 면적을 한 번에 굳힐 수 있다면, 그만큼 속도는 높아질 것이다.

HP는 3D프린터를 이용한 제조 공정 전체를 원활히 할 수 있는 방안을 마련하고 있다. 그 중 하나가 제조물의 냉각이나 남은 파우더의 회수 등 공정 뒤처리를 위한 자동화 장치「HP Jet Fusion 3D Processing Station」이다. 기존에는 이러한 공정에 사람 손이 필요했던 것도 생산성을 낮추는 원인 중 하나였다. 프린터와 냉각 Processing Station과의 중간에「Build Unit」을 개입시켜 조형물을 주고 받음으로써 작업이 원활히 진행되고 있다.

HP는 조형 가능한 물건의 폭을 넓히고자 노력하고 있다. 조형에 이용할 수 있는 소재를 늘리기 위해, 소재 개발에 필요한 사양을 제휴한 제작사에 공개한다. 이미 프랑스의 Alchema, 독일의 BASF나 Evonik, Lehmann &Voss의 4개사와 제휴해, 개발을 추진하고 있다.

결합제의 종류를 바꾸는 것으로 조형물의 색이나 특성을 변경 가능하게 하려는 계획도 세우고 있다. 표면을 매끄럽거나, 거칠거나, 고무와 같은 질감으로 표현할 수 있게 된다고 한다. 조형물에 도전성이나 절연성을 갖도록 하는 방안도 검토하고 있다. 이러한 것들이 실현된다면 조형물 안에 회로나 센서를 형성하는 것도 가능하다고 말한다. (일경 엘렉트로닉스 10월호 松本則雄)

  -- 연재 끝 --