[CAPA 제조 길잡이] 3D프린팅/CNC 편
서로 색깔이 다른 위쪽 두 장의 사진은 동일한 디자인의 쟁반입니다. 좀더 자세히 살펴보면 색깔뿐만 아니라 재질도 다르다는 것을 알 수 있습니다. 왼쪽은 알루미늄, 오른쪽은 플라스틱을 사용해 만들었습니다.
제조(manufacturing)에 관심이 있는 분이라면 두 제품이 서로 다른 가공방식을 통해 만들어졌다는 사실을 알 수 있을 것입니다. 실제로 왼쪽은 CNC 가공, 오른쪽은 3D 프린팅을 이용해 만들어졌습니다.
3D 프린팅과 CNC 가공은 현대 제조업에서 가장 ‘핫’한 기술이라 할 수 있습니다. 두 방식 모두 3D 도면을 바탕으로 사전에 입력된 컴퓨터 프로그램에 따라 기계가 움직이면서 제품을 완성합니다. 오늘은 이들 제조방식의 주요한 차이점을 중심으로, 어떤 상황에서 어떤 기준에 따라 각각의 제조 공법을 선택하는 것이 좋을지 설명하겠습니다.
3D프린팅이 ‘+’라면 CNC 가공은 ‘-‘
흔히 3D 프린팅과 CNC 가공을 비교할 때 한쪽은 ‘더하기’, 다른 한쪽은 ‘빼기’ 방식이라고 표현합니다. 그렇다면 어느 쪽이 더하기고 어느 쪽이 빼기일까요?
먼저 3D프린팅은 영어로 ‘additive manufacturing’, 번역하면 ‘적층 제조’라고도 부릅니다. 더하는(add) 방식으로 제조한다는 의미입니다. 구체적으로 일반인들도 비교적 쉽게 접할 수 있는 3D 프린팅 출력 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 예로 들면 플라스틱 필라멘트를 녹여서 마치 치약을 짜듯이 한줄 한줄 쌓아가는 방식으로 제품을 완성합니다. 실제로 FDM 방식을 처음으로 고안한 미국의 스콧 크럼프는 ‘글루 건(glue gun)’을 이용해 딸에게 개구리 모형을 만들어주던 중 이같은 방식을 떠올리게 되었다고 합니다.
구체적인 가공 방식에 따라 다소 차이가 있지만 이처럼 3D 프린팅은 기본적으로 제조하고자 하는 제품의 단면을 한층, 한층 쌓아가는 방식으로 제조가 이뤄집니다. 특히 3D 프린팅은 보통 재료를 녹인 상태에서 제품 모양을 만들어내기 때문에 재료가 굳기 전까지는 다소 불안정한 상태라 할 수 있습니다.
마치 찰흙으로 모형을 만들 때 찰흙이 굳기 전까지는 변형이 쉽게 일어날 수 있는 것과 마찬가지입니다. 이 때문에 제품 디자인에 따라 제품이 굳을 때까지 지탱할 수 있는 지지대를 함께 만들기도 합니다.
이에 반해 CNC 가공은 ‘재료’를 깎아내면서 제거하는 방식으로 제품을 완성합니다. 재료를 깎아내기 위해 다양한 절삭공구가 사용됩니다. 아래 사진에서 쇠를 뚫고 있는 노란색 절삭공구(드릴)를 볼 수 있습니다. 절삭공구 주변으로 스프링처럼 튕겨져 나온 금속 잔여물은 불필요한 부분, 즉, ‘마이너스’ 대상인 거죠.
비유하자면 석고상을 조각하는 과정과 비슷하다고도 할 수 있습니다. 네모난 석고상 덩어리를 깎아내 원하는 모양을 만들어내듯이 CNC 가공은 원재료에서 불필요한 부분을 깎아내 형태를 완성해 냅니다. 애초 재료가 단단한 고체이기 때문에 3D 프린팅처럼 재료를 굳히는 과정이나 지지대가 필요하지 않습니다.
CNC는 ‘컴퓨터 수치제어(Computerized Numerical Control)’의 약자입니다. 컴퓨터를 이용해 가공하고자 하는 수치를 제어한다는 의미입니다. 실제로 CNC 가공에서는 절삭공구가 컴퓨터에 입력된 위치대로 정밀하게 움직이면서 원재료의 불필요한 부분을 섬세하게 깎아냅니다. 이러한 공정으로 인해 CNC 가공은 가장 정밀도가 뛰어난 가공 방식으로 꼽힙니다.
3D프린터로 ‘목재’도 가공할 수 있나요?
3D 프린팅은 기본적으로 녹여서 굳히는 방식으로 가공이 이뤄지기 때문에 일반적으로 사용할 수 있는 재료가 제한적입니다. PLA, ABS 같은 열가소성 수지(thermoplastic)를 주로 사용하며 목재나 아크릴 가공은 사실상 불가능합니다.
물론, 항공이나 자동차 부품 제조에 사용되는 금속 3D 프린터를 이용하면 스테인리스나 티타늄 같은 금속 재료를 3D 프린터로 출력하는 것도 가능합니다. 하지만 이런 산업용 3D 프린터는 워낙 고가인데다 제한적인 목적으로 사용되기 때문에 보통 시제품 제작 등에 사용되는 3D 프린터와는 별개의 제품이라고 해도 과언이 아닙니다.
이에 반해 CNC 가공의 경우 활용할 수 있는 재료가 보다 다양합니다. 알루미늄, 스테인리스스틸, 티타늄 등의 금속, 다양한 플라스틱, 아크릴, 고무, 왁스 등을 재료러 사용할 수 있고 단단한 목재도 가공할 수 있습니다. 특히 시제품을 만들 경우 정밀도가 우수한 CNC는 최종 제품과 거의 동일한 수준의 결과물을 얻어낼 수 있다는 것이 장점입니다.
복잡한 형태엔 3DP, 정밀가공엔 CNC가 유리
3D 프린팅의 가장 큰 장점은 제품 디자인의 제약을 거의 받지 않는다는 점입니다. 아무리 복잡한 형태의 제품이라 해도 3D 프린팅에서는 별다른 문제가 되지 않습니다.
CNC 가공의 경우엔 제품 디자인에 따라 가공이 불가능한 영역이 생겨날 수 있습니다. 대표적으로 내부에 빈 공간을 만들 때 제약이 생기곤 하는데, 이는 공구의 특성에 따른 것입니다. 즉, CNC 가공은 밀링 같은 절삭공구를 사용해 가공을 해나가는데, 절삭공구는 단단하고 뾰족한 재료로 만들어지기도 하지만 빠른 속도로 ‘회전’을 함으로써 재료를 깎아내는 힘을 얻게 됩니다. 이러한 회전으로 인해 내부에 빈 공간을 만들 때는 필연적으로 둥근 반경을 갖게 됩니다.
정밀성에 있어서는 날카로운 공구가 컴퓨터가 계산한 정확한 수치에 따라 정확하게 움직이는 CNC가공이 우수합니다. CNC로 가공한 제품의 외관을 살펴보게 되면 ‘베일 정도로 날카롭다’는 느낌을 갖게 됩니다.
비용은? CNC가 비싸지만 수량∙형태 고려해야
앞서 말씀드린 것처럼 3D프린팅과 CNC 가공 방식을 구분하는 가장 기본은 더하기와 빼기입니다. 이러한 차이로 인해 서로 제조하기에 적합한 제품 형태도 달라지게 됩니다.
더하는 방식인 3D 프린팅은 더하는 부분이 적을수록, 반대로 말하면 빈 공간이 많을수록 만들기가 수월할 겁니다. 컵 같은 구조가 3D 프린팅에 유리하다는 것이죠.
반대로 덜어내는(깎아내는) 방식인 CNC 가공으로 컵(cup)을 만든다면 재료의 거의 대부분을 깎아내야 합니다. 작업 과정도 오래 걸릴 뿐 아니라, 재료 활용 측면에서도 비효율적이라 할 수 있습니다. 반대로 속이 꽉찬 제품을 만들 경우엔 3D 프린터로 출력하면 일일이 속을 채워야 하기 때문에 재료가 많이 소요됩니다. 비용도 그만큼 비싸지겠죠.
비용 측면에서는 보통 3D 프린팅이 CNC 가공보다 저렴합니다. 하지만 제품의 수량이나 가공방식 등에 따라 비용이 달라질 수 있습니다. 특히 여러 개의 제품을 생산할 경우 CNC 가공은 제조공정을 효율화해 리드타임을 줄일 수 있는 여지가 상대적으로 큽니다. CNC 가공은 장비를 사용하는 시간에 따라 비용이 크게 영향을 받기 때문에 리드타임 단축은 자연히 비용 절감으로 이어집니다.
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