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Nikkei Monozukuri_2022.5 뉴스 (p29~31)

조형 속도가 4배인 고속 3D프린터
새로운 기구 채택과 가동부의 경량화가 열쇠

구텐베르크(도쿄)가 올 6월경에 발매를 앞두고 있는 재료압출(MEX:Material EXtrusion) 방식의 3D프린터 ‘G-ZERO’. G-ZERO의 강점은 소비세 별도로 100만엔 미만의 가격이지만, “동일한 조형 에어리어 및 가격대의 3D프린터와 비교해 조형 정밀도 설정이 동일할 경우 3~4배 속도로 조형할 수 있다(구텐베르크 제조담당/극동정기(極東精機)제작소(도쿄)의 스즈키(鈴木) 대표이사)”라고 하는 ‘고속 조형’이다.

3D프린터는 일반적인 사출 성형과 절삭 가공 등에 비해 복잡한 형상을 성형할 수 있는 금형이 불필요하기 때문에 공정 수를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 시작(始作)이나 다품종 소량 생산의 부품 제조에 이용되는 경우가 많다.

하지만, 용융된 수지나 금속을 단계적으로 냉각하고 성형하기 때문에 제품 한 개를 제조하는 시간이 상대적으로 길어진다는 문제가 있다. G-ZERO와 같이 기존의 3D프린터보다 3~4배의 속도로 조형이 가능할 경우, 공정 시간을 단축할 수 있고 비용 절감으로도 이어진다.

-- 가동부는 500g정도로 경량화 --
G-ZERO의 경우, 조형 속도를 좌우하는 주된 요소인 프린트 헤드의 최대 구동 속도가 500mm/s, 최대 가속도는 2만mm/s²이다. 두 가지 모두 “비슷한 레벨의 기존 제품보다 10배 이상 빠르다”(구텐베르크의 야마구치(山口) 엔지니어)라고 한다.

수지 재료를 용융해 토출하는 ‘압출성형기’의 성능 등, 조형의 속도를 좌우하는 요소는 여러 가지가 있어 헤드의 최대 구동 속도에 비례해 조형 속도가 10배가 되는 것은 아니다. 그러나 헤드의 속도와 가속도가 조형 속도를 크게 좌우하는 것임에는 틀림 없다.

10배 정도로 고속화한 최대의 포인트는 가동부의 무게이다. "통상적인 제품의 절반에 해당하는 500g정도까지 경량화했다."(야마구치 엔지니어).

경쟁하는 같은 레벨의 3D프린터도 대형 모터를 출력이 큰 컨트롤러로 회전시키면 헤드 구동의 고속화는 가능하다. 그러나 가동부의 무게가 무거울 경우 진동이 커지고 가속도를 올렸을 때 헤드와 조형에 사용되는 베드(받침대)의 위치를 고정하기 어려워 조형의 품질이 떨어진다. 이를 해결하기 위해 구텐베르크는 “고속이면서 조형의 품질을 유지하기 위해 가동부의 경량화에 주력했다”(야마구치 엔지니어).

가동부 경량화에 크게 기여한 것이 헤드의 X축과 Y축의 구동 제어에 채택한 '코어XY' 방식이다. 매사추세츠공대(MIT) 미디어랩이 고안한 방식으로, 누구나 사용할 수 있는 기술로서 공개되고 있다.

G-ZERO는 헤드에 접속된 2개의 벨트를 사용해 헤드를 X/Y축 방향(평면 위)으로 구동. 2개의 벨트는 각각 풀리(도드래)를 통해 모터로 움직일 수 있도록 되어 있으며, 2개의 모터를 동시에 제어함으로써 헤드를 자유자재로 이동시킬 수 있다. 예를 들어 2개의 모터가 같은 속도, 같은 방향으로 회전하면 X축 방향(가로방향)으로, 반대 방향으로 회전하면 Y축 방향(세로방향)으로 헤드가 이동한다. 모터를 반전시키면 역방향으로 구동한다.

경쟁 기종의 일반적인 3D프린터는 프린트 헤드를 움직이는 2개의 모터 중 하나를 가동부에 배치하거나, 모터의 움직임을 전달하기 위해 다수의 샤프트를 탑재할 필요가 있어 가동부가 무거워지기 쉽다. 앞에서 언급한 바와 같이 헤드가 무거우면 그만큼 위치 제어가 어려워진다.

코어XY 방식을 채택하고 있는 G-ZERO는 프린트 헤드를 올려놓는 샤프트 1개만 있으면 되기 때문에 가동부를 크게 경량화할 수 있다. 모터 2개를 동시에 제어하지 않으면 안 되지만, 그것만 해결한다면 헤드를 고속으로 움직일 수 있다. 헤드의 이동 방향을 수시로 반전시키는 3D프린터에는 유효한 기구라고 할 수 있다.

코어XY라고 하는 기구를 채택했지만, G-ZERO의 대부분은 기존의 시판 부품이 사용되었다. 새롭게 설계된 것은 압출성형기이다. 용융된 수지의 토출 기능에 이용하는 톱니바퀴 등을 제외하고는 가능한 3D프린터를 이용해 부품을 조형했다.

절삭가공의 금속부품과 달리 복잡한 형상도 조형할 수 있기 때문에 밀도를 높여 강성을 유지하면서 경량화할 수 있었다고 한다. “케이블류를 제외한 무게는 250g 정도. 같은 수준의 가열 성능과 토출 성능을 가진 기존의 압출성형기의 절반 정도이다”(야마구치 엔지니어).

-- 단열 성능을 향상시켜 강제냉각 --
프린트 헤드의 구동 속도와 가속도를 높여도 압출성형기의 성능, 즉 수지의 토출 속도가 그것에 미치지 못하면 조형 시간은 단축할 수 없다. G-ZERO는 “기존 부품의 성능을 최대한 모두 활용했다”(야마구치 엔지니어).

예를 들면 “용융 수지를 토출하지 않은 상태에서 프린트 헤드의 이동 속도를 높이고, 용융 수지가 지나는 경로를 짧게 해서 용융 수지를 토출하지 않은 시간을 단축”’(야마구치 엔지니어). 이를 통해 일정 시간 당 토출량을 증가시켰다고 한다.

하지만 토출량을 늘려도 토출한 용융 수지를 잘 냉각시키지 못하면 조형이 어렵다. ‘어떻게 냉각하는가’는 3D프린터로 조형할 때의 가장 큰 과제 중 하나이다.

G-ZERO에는 팬으로 바람을 보내 강제 냉각하는 방법이 채택되었다. 하지만 강제 냉각을 통해 용융 수지가 상정 온도보다 낮아지면 조형물이 베드에서 벗겨지거나, 상정한 강도를 확보하지 못할 수 있다. 이 점에 대해서는 “주로 3D프린터의 단열 성능을 향상시켜 대응했다”(야마구치 엔지니어)라고 한다.

G-ZERO의 케이스는 단열뿐만 아니라 강성을 높이기 위해 판금의 이중구조로 되어 있다. 안쪽 챔버의 내부는 베드에 설치된 히터로 데워져 있다. 이중구조로 단열성을 높였으며, 챔버를 구성하는 측면의 판금 부품을 볼록한 형태로 해 조형 영역이 잘록한 형상이 되도록 했다. 조형 영역 안의 부피를 작게 하여 보온 효과를 높일 수 있도록 한 것이다. 이러한 장치들을 통해 챔버 내부 온도가 너무 낮아지지 않도록 했다.

특수 부품은 탑재하지 않았지만, 탑재 부품의 성능을 최대한 활용해 조형의 고속화를 도모한 3D프린터 G-ZERO. 가격도 경쟁 기종과 비슷한 100만엔 수준으로 낮춰 경쟁력을 높였다. “연간 90대 정도의 매출을 예상하고 있다”(스즈키 대표이사)라고 한다.

구텐베르크의 웹 사이트에서는 G-ZERO 예약을 개시, 이미 5대의 예약이 끝난 상태이다(3월 시점). 예상되는 고객은 20개 사 정도라고 한다.

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