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Nikkei X-TECH_2023.9.27

무인으로 부품 양산이 가능
컨베이어식 3D프린터가 직면한 문제란?

동인지즉매회(同人誌即売会, 동인지를 배포, 반포, 판매하는 동인 이벤트)인 ‘코믹마켓 102’에서 코스프레 무기를 일체(一體) 조형해 화제를 모은 벨트 컨베이어식 3D프린터(이하 컨베이어식 3D). 컨베이어로 조형물을 이동시키면서 조형이 가능해 프린터 크기의 제약 없이 검과 같은 긴 모형도 조형할 수 있어 눈길을 끌었다.

그러나 제조업체에게 가장 임팩트가 큰 것은 이 컨베이어식 3D프린터를 사용하면 인력을 투입하지 않고 저비용으로 부품을 양산할 수 있다는 점일 것이다. 기존의 3D프린터는 조형을 위한 받침대(베이스)가 고정되어 있기 때문에, 조형이 끝날 때마다 조형물을 베이스에서 분리하고 다시 다음 조형을 시작하는 작업이 필요하다.

한편, 이번 컨베이어식 3D프린터는 조형이 끝나면 컨베이어로 조형물을 기기 밖으로 내보내 다음 조형을 시작할 수 있다. 조형물을 베이스에서 분리하는 작업이 따로 필요 없어 무인으로 연속 조형이 가능하다.

사원이 집에서 부품을 설계해 회사의 컨베이어식 3D 프린터에 데이터를 전송해놓으면 다음 출근 때까지 부품이 양산되는 식의 사용법도 가능하다. 코로나19 사태로 원격근무가 늘어난 지금, 제조업의 업무 방식을 완전히 바꿔놓을 가능성이 있는 3D프린터라고 할 수 있다.

-- 단단히 정착되지만 박리되기도 쉬운 소재를 모색 --
이러한 컨베이어식 3D프린터를 국내에서 유일하게 개발하고 있는 곳이 합동회사 BirthT(도쿄)이다. 그러나 그 개발 여정은 결코 쉽지 않았다. 조형물을 밖으로 내보내거나 박리하는 역할을 담당하는 컨베이어 벨트는 일반 3D프린터에는 없는 기구였기 때문이다.

특히 BirthT가 어려움을 겪은 것은 조형물의 정착과 박리를 양립할 수 있는 컨베이어 벨트의 소재 선정이었다. BirthT의 컨베이어식 3D프린터에는 재료가 되는 수지를 열로 녹이면서 베드(이 경우 컨베이어 벨트) 위에 적층해나가는 열용해적층방식(FDM)이 채택. 조형 시 수지가 베드에 정착되기 쉬워야 하고, 조형 후에는 쉽게 박리될 필요가 있었다.

개발 초기에는 정착성이 높은 고무 벨트를 채택. 그러나 조형물이 잘 박리되지 않아 정착성과 내구성, 박리성의 균형이 잡힌 ‘끈적한 감촉의 벨트 소재’(BirthT)로 변경했다.

-- 금속제 벨트로 변경해 휘는 것을 해소 --
또 다른 문제도 있었다. 조형물이 식어 수축할 때 유연성이 있는 수지제 벨트는 그 수축에 의해 뒤틀려져 결과적으로 조형물이 휘어졌던 것이다. 휘어진 상태에서 조형을 계속하면 설계대로 조형물을 얻을 수 없고 최악의 경우, 조형할 수 없게 된다.

고정되어 있는 일반 3D프린터의 베드는 딱딱해 이러한 문제가 잘 발생하지 않기 때문에 BirthT는 독자적으로 문제를 해결하는 데 어려움을 겪었다. 컨베이어식 3D프린터는 네덜란드의 Blackbelt와 중국의 Creality 3D Technology 등 해외 기업들도 생산하고 있지만, BirthT를 포함해 모든 기업들이 이 문제에 골머리를 앓았다고 한다.

BirthT는 현행 기종인 ‘LeeePROMk-I’를 개발하는데 있어 금속제 벨트를 채택해 이 문제를 해소했다. 컨베이어 벨트는 조형물의 급랭에 의한 뒤틀림을 방지하기 위해 조형 중에는 100℃ 정도로 유지할 필요가 있다.

또한 녹은 수지를 토출하는 노즐도 국소적으로는 300℃ 가까운 열에 노출된다. 이 때문에 BirthT는 내열성이나 내구성을 고려해 스테인리스제로 전환. 컨베이어의 강성을 금속으로 유지하면서 조형물이 정착 및 박리되기 쉽도록 표면에는 유리 에폭시 수지 시트를 부착했다.

하지만 컨베이어 벨트로 금속을 채택했기 때문에 재료비가 상승되었고, 전용 개발비용도 들었기 때문에 기존 수지제와 비교해 10배 가까운 가격이 책정되었다. 기존 기종은 크라우드펀딩으로 20만엔 정도에 제공되었지만, 현행 기종은 250만엔에 제공되고 있다.

-- 사선 45°로 적층 --
이번 컨베이어식 3D 프린터의 또 다른 특징은 사선 45°로 조형한다는 점이다. 이것은 주로 길이가 긴 제품을 조형할 수 있도록 하기 위한 고안이다. 조형물을 컨베이어로 송출해나가기 때문에 통상적인 FDM식 3D프린터와 같이 연직방향으로 적층하면 컨베이어 길이를 초과한 것에 대해서는 사실상 조형할 수 없게 된다.

그래서 적층면에 대해 노즐을 45° 기울여 조형하였다. 여기에는 후 공정에서 조형물에 나사 등을 부착할 때도 장점이 있다. 예를 들어, 일반 3D프린터와 같이 연직 방향으로 적층해나가면 수평 방향으로 나사를 꽂을 경우 수지의 층과 층 사이에 부하가 걸려 박리되기 쉬워진다. 사선 45°로 적층하면 연직이나 수평, 어느 방향에서 나사를 꽂아도 박리가 어려워진다.

서포트 자재가 적게 든다는 이점도 있다. 예를 들어, 아치형 다리를 조형할 경우, 맨 윗부분은 떠 있기 때문에 일반적으로 조형 시 버팀목이 되는 서포트 자재가 필요하다. 하지만, 사선 45°로 적층해나갈 경우 불필요해진다.

-- 정밀도 및 생산성을 향상시키는 기술개발도 --
이 외에도 제조업에서의 이용을 상정해 조형물 본체와 수지를 내보내는 노즐도 새롭게 개발했다. 예를 들면, 필라멘트(소재가 되는 실 모양의 수지)를 사용하는 FDM식 3D프린터의 프린트헤드에는 주로 다이렉트 방식과 보우덴(Bowden) 방식이 있으며, 여러 가지 수지에 대응할 수 있도록 LeeePRO Mk-I에서는 다이렉트 방식을 채택했다.

필라멘트를 열로 녹여 토출한다는 점에서는 이 두 방식 모두 같지만, 다이렉트 방식은 필라멘트를 내보내는 기구(익스트루더)가 프린트헤드에 탑재되어 있다. 이 익스트루더와 노즐 간 거리가 짧기 때문에 수지를 송출할 때 마찰이 작고, 부드러운 재료에도 대응하기 쉽다.

예를 들어, 핸들 그립 등에 사용되는 열가소성 폴리우레탄 수지(TPU) 등을 이용할 수 있다. 이 밖에도 LeeePRO Mk-I는 3D 프린터에서 일반적으로 사용되는 폴리유산(PLA)이나 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC) 등의 재료에 대응하고 있다.

다만, 다이렉트 방식의 경우, 프린트헤드가 크고 무거워지기 때문에 조형의 정밀도가 저하되기 쉬워진다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 BirthT는 헤드부의 이동 기구에 리니어가이드를 채택해 정밀도 저하를 억제했다.

또한, 제조업용에서는 동일한 부품을 양산하는 것이 상정된다. 이를 위해 BirthT는 동시에 2개 부품을 조형할 수 있도록 LeeePROMk-I에 노즐 2개를 도입해 생산성을 높였다.

 -- 끝 --

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