산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2023.11 특집 (p22~23)

부품 양산을 무인화할 수 있는 3D프린터
컨베이어식이 직면한 과제

컨베이어로 조형물을 이동시키면서 수지를 적층하는 컨베이어식 3D프린터. 올 8월에 개최된 동인지즉매회(同人誌即売会) ‘코믹마켓 102’에서는 이 컨베이어식 3D프린터로 조형한 코스프레용 무기(검)가 방문객의 주목을 끌었다. 프린터 크기의 제약 없이 검과 같은 긴 모형을 일체 조형했기 때문이다.

제조업에 있어서 컨베이어식 3D프린터는 다른 의미에서 임팩트가 있다. 그것은 인력을 투입하지 않고 저비용으로 부품을 양산할 수 있다는 점이다. 컨베이어식 3D프린터는 조형이 끝나면 컨베이어로 조형물을 기기 밖으로 내보내고 다음 조형을 시작할 수 있다.

조형물을 베이스에서 분리하는 작업이 필요 없어 무인으로 연속 조형을 할 수 있다. 사원이 집에서 부품을 설계해 회사의 컨베이어식 3D프린터에 데이터를 전송해놓으면 다음 출근 때까지 부품이 양산되는 식의 사용법도 가능하다.

-- 단단히 정착되지만 박리되기도 쉬운 소재 --
국내에서 이러한 컨베이어식 3D프린터를 개발하고 있는 곳이 합동회사 BirthT(도쿄)이다. 그러나 그 개발 여정은 그리 쉽지 않았다. 특히 BirthT가 어려움을 겪은 것은 조형물의 정착과 박리를 양립할 수 있는 컨베이어 벨트의 소재 선정이었다.

BirthT의 컨베이어식 3D 프린터는 재료가 되는 수지를 열로 녹이면서 베드(이 경우 컨베이어 벨트) 위에 적층해나가는 열용해적층방식(FDM)을 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. 또 다른 문제도 있었다. 조형물이 식어 수축할 때 유연성이 있는 수지제 벨트는 그 수축에 의해 뒤틀려져 결과적으로 조형물이 휘어졌던 것이다.

이를 해결하기 위해 BirthT는 현행 기종인 ‘LeeePROMk-I’에 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. 이러한 환경에서의 내열성 및 내구성을 고려해 벨트 소재를 스테인리스제로 전환. 조형물이 정착 및 박리되기 쉽도록 표면에는 유리 에폭시 수지 시트를 부착했다.

하지만 컨베이어 벨트 소재로 금속을 채택했기 때문에 재료비가 상승되었고, 전용 개발비용도 들었기 때문에 기존 수지제와 비교해 10배 가까운 가격이 책정되었다. 기존 기종은 크라우드펀딩으로 20만 엔 정도에 제공되었지만, 현행 기종은 250만 엔에 제공되고 있다..

-- 사선 45°의 적층으로 긴 물체도 조형이 가능 --
이번 컨베이어식 3D 프린터의 또 하나의 특징은 컨베이어에 대해 노즐을 45° 기울여 조형한다는 점이다. 컨베이어를 이용해 기기 밖으로 내보내면서 길이가 긴 제품을 조형할 수 있도록 하기 위한 고안이다. 여기에는 조형물에 나사 등을 부착할 때에도 장점이 있다.

통상적인 3D 프린터와 같이 연직 방향으로 적층해나가면 수평 방향으로 나사를 꽂을 경우 수지의 층과 층 사이에 부하가 가해져 박리되기 쉬워진다. 사선 45°로 적층하면 연직이나 수평, 어느 방향에서 나사를 꽂아도 쉽게 박리되지 않는다.

이 외에도 다양한 재료에 대응할 수 있도록 수지 필라멘트를 내보내는 기구(익스트루더)가 프린트 헤드에 탑재되어 있는 ‘다이렉트식’이라고 부르는 방식을 채택했다. 익스트루더와 노즐이 가깝기 때문에 수지를 내보낼 때의 마찰이 적고, 부드러운 재료에도 대응하기 쉽다. 핸들의 그립 등에 사용되는 열가소성 폴리우레탄 수지(TPU) 등도 조형할 수 있다.

하지만 다이렉트식의 경우, 프린트 헤드가 크고 무거워지기 때문에 조형의 정밀도가 저하되기 쉬워진다. 이것을 해결하기 위해 BirthT는 헤드부의 이동 기구에 리니어 가이드를 채택해 정밀도 저하를 억제했다. 생산성을 높이기 위해 동시에 2개 부품을 조형할 수 있도록 노즐도 2개 탑재했다.

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