정밀한 자동차 및 항공우주 부품을 제작할 때 자주 사용되는 방식 중 하나가 정밀 주조(Investment Casting)이다. 이 기술은 수 세기 동안 사용되어 왔으며, 복잡한 부품을 생산하기 위해 여러 단계의 과정을 거친다.
초기 바인더 제팅 기술의 개척자, 토마스 뮐러의 도전
토마스 뮐러는 2000년대 초반, 독일 아우크스부르크 대학교에서 기계공학을 전공하던 중 산업용 3D 프린팅 기술을 처음 접했다. 당시 바인더 제팅(Binder Jetting) 기술은 이제 막 시작되는 단계였으며, 그는 2001년 Generis GmbH에서 논문을 작성하며 이 기술을 심층적으로 연구했다.
정밀 주조 패턴 제작의 혁신, 3D 프린팅 기술의 도입
정밀 주조에서 패턴(pattern) 제작은 비용과 시간이 많이 소요되는 핵심 요소이다. 기존 방식에서는 사출 성형 금형 제작에만 최대 12주가 소요되며, 비용 또한 수만 달러에 이른다. 하지만 3D 프린팅을 활용하면 금형 없이 패턴을 제작할 수 있어 비용과 시간을 대폭 절감할 수 있다.
VX500에서 VX1000으로—끊임없는 성장
PMMA 3D 프린팅 패턴의 우수한 소각성(Burn-out Properties) 덕분에 Express Prototyping의 수요는 꾸준히 증가했다. 결국 VX500 한 대로는 감당할 수 없는 상황이 되었고, 토마스 뮐러는 더 강력한 VX1000 모델로 업그레이드하게 된다.
PMMA 3D 프린팅 정밀 주조 패턴의 성장 요인
토마스 뮐러에 따르면, 다음 세 가지 요인이 이 트렌드를 주도하고 있다.
- 생산 시간 단축 – 기존 방식 대비 최대 75% 빠른 납기
- 비용 절감 – 금형 없이 직접 패턴 제작 가능
- 고품질 및 복잡한 형상 구현 – 정밀한 디테일을 유지하면서도 높은 소각성 보장
이러한 요인 덕분에 PMMA 3D 프린팅 기반의 정밀 주조 패턴 시장은 앞으로도 지속적으로 성장할 전망이다.
1. 기타 적층 제조 기술의 한계
이번에 다룰 기술은 광조형(SLA, Stereolithography) 및 왁스 기반 적층 제조 기술이다. SLA 공정에서는 액체 플라스틱 레진을 UV 광으로 층층이 경화시켜 부품을 제작하며, 결과물은 매우 매끄러운 표면을 가진다. 반면, 3D 왁스 프린터는 정밀 주조 산업에서 널리 사용되는 대안 기술로 자리 잡았다.
그러나 SLA 및 기타 기술은 도자기 몰드(세라믹 쉘)로 디자인을 전사하는 과정에서 어려움을 겪는다. 특히, SLA 프린팅된 패턴은 연소 과정에서 쉘을 깨뜨리는 경우가 많다. 이는 소재의 특성 때문인데, 레진이 가열될 때 팽창하는 경향이 있기 때문이다.
왁스 기반 정밀 주조에서는 이러한 문제가 발생하지 않지만, 별도의 지지 구조(서포트)를 프린팅 및 제거해야 하는 번거로움이 존재한다. 또한, 소재 자체가 고가이며, 현재 사용 가능한 프린팅 시스템에서는 크기 제한이 상당히 심하다**.
이에 대해 토마스 뮐러(Thomas Müller)는 다음과 같이 설명한다.
"PMMA는 패턴 제작을 신속하고 경제적으로 수행할 수 있는 최적의 솔루션을 제공합니다. 특히 쉘 빌딩 과정에서 균열 없이 완벽한 연소 특성을 유지**할 수 있으며, 얇은 세라믹 쉘에서도 문제가 발생하지 않습니다."
이는 PMMA의 열팽창 계수가 음수(negative coefficient of thermal expansion)이기 때문이다. 즉, 가열 시 팽창하는 것이 아니라 오히려 수축하는 특성을 가지고 있다.
"SLA 패턴을 완전히 채워 프린팅할 경우, 모든 쉘이 연소 과정에서 깨지게 됩니다. 하지만 PMMA는 이러한 한계를 극복하며, 두께 1mm 이하의 패턴도 문제없이 유지됩니다. 다만, PMMA 표면은 다른 기술에 비해 거칠 수 있는데, 왁스 침투(Wax Infiltration)를 활용하면 이를 상당히 개선할 수 있습니다."
2. PMMA 3D 프린팅 기술의 확산
2021년까지 토마스 뮐러와 그의 팀은 거의 100% 기술 부품을 프린팅했다. 주로 엔진 부품, 농업용 기계의 조이스틱 하우징, 임펠러 및 예비 부품이 주요 제작 대상이었다.
그러나 2022년부터 Express Prototyping의 생산 능력 중 70~80%가 예술품 제작으로 전환되었다. 그럼에도 여전히 기술적 분야에서 프로토타입 제작을 수행하며, 하루에도 수십 개에서 100개 이상의 배치(batch) 단위 생산이 이루어지고 있다**.
"PMMA는 최근 몇 년 동안 예술 분야에서 빠르게 인기를 끌고 있습니다. 많은 아티스트들이 3D 디자인을 기반으로 작품을 제작하면서, PMMA는 크기와 사용 용이성 측면에서 최적의 소재로 자리 잡고 있습니다. 특히 예술 주조(Art Casting)에서 표준 소재로 자리 잡으면서 수요가 꾸준히 증가하고 있습니다."
기술 산업과 마찬가지로, 예술 분야에서도 디테일과 창의성이 중요하다. 이에 따라 아티스트와 엔지니어들은 토폴로지 최적화(Topology Optimization) 및 복잡한 구조 설계를 통해 더욱 가볍고 정밀한 작품을 제작할 수 있다.
"PMMA 3D 프린팅을 활용하면 기존 적층 제조 방식으로는 불가능했던 복잡한 디자인과 형상을 구현할 수 있습니다. 특히, 탁월한 연소 특성(Burn-out Properties) 덕분에 쉘이 깨지는 문제 없이 얇은 벽을 유지할 수 있습니다. 예를 들어, 다른 방식으로 얇은 벽을 가진 프로펠러를 제작하면 쉘 파손 확률이 급증하지만, PMMA를 활용하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다."
마지막으로, 예술 주조소(Art Foundry)에서는 PMMA 패턴을 활용해 벽 두께를 줄이고, 최종적으로 주입되는 금속의 양을 줄여 비용을 절감할 수 있다.
대형 포맷을 위한 경제적인 솔루션과 신속한 시장 출시
3D 프린팅을 활용한 패턴 제작은 전통적인 방식 대비 최대 75%의 시간과 비용 절감 효과를 제공한다. 도구 없이(CAD 데이터 기반) 설계가 가능하므로, 디자인 변경이 필요할 경우 디지털 조정 후 즉시 새로운 패턴을 출력할 수 있다.
"PMMA 3D 프린팅의 경제성은 여러 요인에 의해 결정됩니다. 특히 1,000 x 600 x 500 mm의 대형 빌드 볼륨 덕분에, 다양한 제품 변형과 대형 부품을 동시에 출력할 수 있어 개별 부품당 비용이 줄어듭니다.
밀링이나 유사한 방식으로 별도의 금형(tool) 제작이 필요 없다는 점이 가장 큰 비용 절감 요인입니다. 또한, 사용하지 않은 분말 재료를 재활용하여 다시 사용할 수 있다는 점도 간과할 수 없습니다. 이를 통해 분말 소비량과 운영 비용을 최적화할 수 있습니다."
뿐만 아니라, 3D 프린팅 이후의 공정도 PMMA를 활용하면 더욱 단순화되고 비용 절감 효과를 극대화할 수 있다. 대표적인 예가 쉘 구조(세라믹 몰드)이다.
PMMA의 우수한 연소 특성(Burn-out Behavior) 덕분에 패턴을 감싸는 세라믹 층의 수를 줄일 수 있으며, 덕분에 건조 속도가 빨라지고 몰딩 준비 과정이 더욱 신속해진다.
정밀한 자동차 및 항공우주 부품을 제작할 때 자주 사용되는 방식 중 하나가 정밀 주조(Investment Casting)이다. 이 기술은 수 세기 동안 사용되어 왔으며, 복잡한 부품을 생산하기 위해 여러 단계의 과정을 거친다.
초기 바인더 제팅 기술의 개척자, 토마스 뮐러의 도전
토마스 뮐러는 2000년대 초반, 독일 아우크스부르크 대학교에서 기계공학을 전공하던 중 산업용 3D 프린팅 기술을 처음 접했다. 당시 바인더 제팅(Binder Jetting) 기술은 이제 막 시작되는 단계였으며, 그는 2001년 Generis GmbH에서 논문을 작성하며 이 기술을 심층적으로 연구했다.
정밀 주조 패턴 제작의 혁신, 3D 프린팅 기술의 도입
정밀 주조에서 패턴(pattern) 제작은 비용과 시간이 많이 소요되는 핵심 요소이다. 기존 방식에서는 사출 성형 금형 제작에만 최대 12주가 소요되며, 비용 또한 수만 달러에 이른다. 하지만 3D 프린팅을 활용하면 금형 없이 패턴을 제작할 수 있어 비용과 시간을 대폭 절감할 수 있다.
VX500에서 VX1000으로—끊임없는 성장
PMMA 3D 프린팅 패턴의 우수한 소각성(Burn-out Properties) 덕분에 Express Prototyping의 수요는 꾸준히 증가했다. 결국 VX500 한 대로는 감당할 수 없는 상황이 되었고, 토마스 뮐러는 더 강력한 VX1000 모델로 업그레이드하게 된다.
PMMA 3D 프린팅 정밀 주조 패턴의 성장 요인
토마스 뮐러에 따르면, 다음 세 가지 요인이 이 트렌드를 주도하고 있다.
이러한 요인 덕분에 PMMA 3D 프린팅 기반의 정밀 주조 패턴 시장은 앞으로도 지속적으로 성장할 전망이다.
1. 기타 적층 제조 기술의 한계
이번에 다룰 기술은 광조형(SLA, Stereolithography) 및 왁스 기반 적층 제조 기술이다. SLA 공정에서는 액체 플라스틱 레진을 UV 광으로 층층이 경화시켜 부품을 제작하며, 결과물은 매우 매끄러운 표면을 가진다. 반면, 3D 왁스 프린터는 정밀 주조 산업에서 널리 사용되는 대안 기술로 자리 잡았다.
그러나 SLA 및 기타 기술은 도자기 몰드(세라믹 쉘)로 디자인을 전사하는 과정에서 어려움을 겪는다. 특히, SLA 프린팅된 패턴은 연소 과정에서 쉘을 깨뜨리는 경우가 많다. 이는 소재의 특성 때문인데, 레진이 가열될 때 팽창하는 경향이 있기 때문이다.
왁스 기반 정밀 주조에서는 이러한 문제가 발생하지 않지만, 별도의 지지 구조(서포트)를 프린팅 및 제거해야 하는 번거로움이 존재한다. 또한, 소재 자체가 고가이며, 현재 사용 가능한 프린팅 시스템에서는 크기 제한이 상당히 심하다**.
이에 대해 토마스 뮐러(Thomas Müller)는 다음과 같이 설명한다.
이는 PMMA의 열팽창 계수가 음수(negative coefficient of thermal expansion)이기 때문이다. 즉, 가열 시 팽창하는 것이 아니라 오히려 수축하는 특성을 가지고 있다.
2. PMMA 3D 프린팅 기술의 확산
2021년까지 토마스 뮐러와 그의 팀은 거의 100% 기술 부품을 프린팅했다. 주로 엔진 부품, 농업용 기계의 조이스틱 하우징, 임펠러 및 예비 부품이 주요 제작 대상이었다.
그러나 2022년부터 Express Prototyping의 생산 능력 중 70~80%가 예술품 제작으로 전환되었다. 그럼에도 여전히 기술적 분야에서 프로토타입 제작을 수행하며, 하루에도 수십 개에서 100개 이상의 배치(batch) 단위 생산이 이루어지고 있다**.
기술 산업과 마찬가지로, 예술 분야에서도 디테일과 창의성이 중요하다. 이에 따라 아티스트와 엔지니어들은 토폴로지 최적화(Topology Optimization) 및 복잡한 구조 설계를 통해 더욱 가볍고 정밀한 작품을 제작할 수 있다.
마지막으로, 예술 주조소(Art Foundry)에서는 PMMA 패턴을 활용해 벽 두께를 줄이고, 최종적으로 주입되는 금속의 양을 줄여 비용을 절감할 수 있다.
대형 포맷을 위한 경제적인 솔루션과 신속한 시장 출시
3D 프린팅을 활용한 패턴 제작은 전통적인 방식 대비 최대 75%의 시간과 비용 절감 효과를 제공한다. 도구 없이(CAD 데이터 기반) 설계가 가능하므로, 디자인 변경이 필요할 경우 디지털 조정 후 즉시 새로운 패턴을 출력할 수 있다.
뿐만 아니라, 3D 프린팅 이후의 공정도 PMMA를 활용하면 더욱 단순화되고 비용 절감 효과를 극대화할 수 있다. 대표적인 예가 쉘 구조(세라믹 몰드)이다.
PMMA의 우수한 연소 특성(Burn-out Behavior) 덕분에 패턴을 감싸는 세라믹 층의 수를 줄일 수 있으며, 덕분에 건조 속도가 빨라지고 몰딩 준비 과정이 더욱 신속해진다.