3D 프린팅

하이브리드 CNC 시스템: 적층 가공 및 감산 가공의 혁신

1월 12, 2025

다음과 같은 이점을 확인하세요. 하이브리드 CNC 시스템 적층 제조와 감산 제조를 원활하게 통합합니다. 항공우주 및 의료 기기 등의 산업에서 3D 프린팅의 적용 분야, 장점, 향후 동향을 살펴보세요. 선도적인 제조업체들이 이 혁신적인 기술을 어떻게 발전시키고 있는지 알아보세요.

하이브리드 CNC 시스템: 적층 가공과 감산 가공의 결합

이 글에서는 하이브리드 시스템과 그 역사적 진화에 대한 소개부터 시작하여 하이브리드 제조에 대한 포괄적인 개요를 다룹니다. 적층 제조와 감산 제조를 대조하여 정의, 프로세스, 각각의 장단점에 대해 논의합니다. 독립형 기술의 한계와 두 가지 방법을 통합할 때의 이점을 강조하면서 하이브리드 시스템의 필요성을 살펴봅니다. 복잡성 및 설계 자유도 증가, 국소화된 재료 증착, 부품 수리 기능, 폐기물 감소, 툴링 및 소량 생산에서의 적용 등 하이브리드 시스템의 주요 이점을 살펴봅니다. 또한 CNC 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보고, 적층 공정과 최신 하이브리드 워크플로우의 통합을 자세히 설명합니다. 또한 핵심 기술과 구성 요소를 강조하면서 주요 적층 가공 시스템의 특징에 대해 설명합니다. 항공우주 및 고부가가치 부품에 적용되는 하이브리드 수리 기술을 소개합니다. 다중 공정 가공의 개념, 특히 밀링 머신에 FDM을 통합하는 방법과 모듈형 하이브리드 플랫폼 설계에 대해서도 살펴봅니다. 미래를 내다보는 이 기사에서는 소프트웨어 및 자동화 동향과 함께 하이브리드 제조의 새로운 응용 분야와 혁신을 강조합니다. 결론에서는 하이브리드 제조의 영향을 요약하고 향후 개발에 대한 인사이트를 제공합니다. 마지막으로 FAQ 섹션에서는 하이브리드 제조와 관련된 일반적인 질문을 다루며 명확한 답변과 설명을 제공합니다.

하이브리드 제조는 적층 가공의 계획 기회와 감산 가공 공정의 정확성 및 고효율을 결합한 최첨단 기술로 떠오르고 있습니다. 예를 들어, 레이저 클래딩과 같은 조정된 에너지 진술 절차를 PC 수학 제어(CNC) 기계 장치에 직접 조정함으로써 생산자는 두 가지 발전된 기술을 완전히 통합된 방식으로 사용할 수 있습니다. 하이브리드 제조에 대한 초기 시도에는 기존 CNC 기계에 적층 기능을 추가하는 개조 작업이 포함되었습니다. 그러나 진정한 시너지는 적층 제조와 감산 제조 워크플로우의 원활한 통합을 위해 처음부터 특수 설계된 시스템을 통해 달성할 수 있습니다. 다음과 같은 선도적인 OEM 미츠이 세이키 와 DMG Mori는 일반 절삭 공구와 유사하게 레이저 헤드와 파우더 공급 노즐을 기계 스핀들에 장착하는 정교한 하이브리드 플랫폼을 개발했습니다. 최적화된 하이브리드 플랫폼에 적층 및 감산 공정을 결합하면 새로운 잠재력이 나타납니다. 후속 가공을 통해 엄격한 공차를 유지하면서 복잡한 내부 형상을 제작할 수 있습니다. 국소화된 다중 재료 증착 및 부품 수리 애플리케이션도 가능합니다. 이 글에서는 하이브리드 제조의 기술적 측면과 산업적 구현에 대해 살펴봅니다. 통합 시스템 설계, 핵심 적층-감산 공정 통합, 항공우주와 같은 산업에서의 적용, 그리고 다중 공정 제조의 미래에 대한 전망에 대해 다룰 것입니다.

정보 조사에 따르면 하이브리드 제조는 발전하는 패턴입니다. '하이브리드 제조'에 대한 검색량은 2016년부터 상승하기 시작하여 그 이후에도 꾸준히 상승세를 이어가고 있습니다. 이는 미쓰이 세이키, DMG 모리 등 주요 기계 기기 제조업체들이 2015~2016년경에 가장 기억에 남는 경제적인 크로스오버 프레임워크를 제공한 것과 일치합니다. "적층-감산 제조" 및 "CNC 3D 프린팅' 등의 검색어는 최근 몇 년간 검색량에서 비슷한 증가 추세를 보였습니다. 또한, 지역별 관심도는 전 세계적으로 절반의 품종 제조가 고려되고 있음을 보여줍니다. 미국, 독일, 일본이 현재까지 검색량을 주도하고 있으며, 이는 이들 국가의 항공/자동차 OEM과 비축 체인의 호응에 힘입은 결과일 수 있습니다. 인도 역시 크로스오버 혁신 요청이 빠르게 확대되는 시장으로 부상하고 있습니다. 더 큰 국가 내 주/지역 수준에서는 검색 설계가 주요 현대식 제조 센터와 일치합니다. 미국에서는 캘리포니아, 워싱턴, 미시간이 가장 많은 관심을 받고 있습니다. 독일에서는 바덴뷔르템베르크, 니더작센, 노르트라인베스트팔렌에 대한 관심이 높습니다. 이는 새로운 하프 브리드 개방을 수용하는 항공, 디자인 및 제조 비즈니스의 그룹화와 궤를 같이 합니다. 전반적인 분석 결과 최근 몇 년 동안 전 세계적으로 하이브리드 제조 기술에 대한 관심과 도입이 증가하고 있음을 확인할 수 있습니다. 지원 시스템에 대한 접근성이 확대된 것은 여러 분야에 걸쳐 더 많은 애플리케이션이 등장함에 따라 더 많은 확장을 예고합니다.

하이브리드 제조

적층 제조와 감산 제조

예를 들어, 레이저 소결은 플라스틱이나 금속 분말과 같은 재료를 서로 용융하여 부품을 층별로 제작하는 적층 제조 방식입니다. 반면, 감산 제조는 PC 수학적 제어(CNC) 가공과 같은 방법을 사용하여 견고한 블록이나 프리폼에서 재료를 제거하거나 분쇄하여 성형 부품을 만듭니다. 두 접근 방식 모두 장단점이 있습니다. 적층 제조는 재료를 점진적으로 추가하는 방식으로 작동하기 때문에 복잡한 내부 기능과 자유로운 디자인이 가능합니다. 하지만 표면 마감이 거칠고 레이어 라인이 보이는 경향이 있습니다. 또한 감산 공정보다 속도가 느립니다. 감산 제조는 프리폼 가공을 통해 우수한 치수 정확도와 표면 조도를 제공합니다. 하지만 기하학적 복잡성이 높고 낭비되는 재료가 많다는 단점이 있습니다.

하이브리드 시스템의 필요성

독립형 적층과 감산의 한계를 극복하기 위해 하이브리드 시스템은 두 가지 접근 방식을 결합합니다. 이를 통해 단일 제조 공정과 장비 내에서 두 가지 방식을 모두 활용할 수 있습니다. 하이브리드 시스템은 소재 추가 및 제거를 위한 다양한 옵션을 통합하여 새로운 기능을 구현할 수 있습니다. 하이브리드 제조는 두 공정을 결합함으로써 적층 제조의 표면 마감 불량과 같은 문제를 해결합니다. 또한 복잡한 내부 구조로 인한 감산 제조의 어려움도 해결합니다. 하이브리드 플랫폼에서는 속도, 정밀도 또는 재료 특성의 이점을 위해 필요에 따라 피처를 번갈아 가며 추가하고 가공할 수 있습니다.

하이브리드 시스템의 이점

복잡성 증가

적층 기술을 사용하여 프리폼 내부에 레이어를 배치할 수 있으므로 내부 채널, 격자 또는 셀 구조가 가능해집니다.

현지화된 재료 증착

다양한 소재를 맞춤형 패턴으로 증착할 수 있어 여러 소재 또는 기능적으로 등급이 매겨진 부품을 제작할 수 있습니다.

부품 수리

손상된 부품은 적층 증착을 통해 마모된 부분을 재건한 후 기계 가공을 통해 복원할 수 있습니다.

폐기물 감소

분말 공급 첨가제는 필요한 양만큼만 재료를 사용하기 때문에 고체 블랭크 가공에 비해 낭비되는 원재료가 적습니다.

툴링 애플리케이션

금형, 금형 및 고정구는 저렴한 금속 분말을 활용할 수 있으며 통합된 커터는 필요한 표면 마감을 제공합니다.

소량 생산

하이브리드 시스템은 기존 기계 가공으로는 리드 타임이 길어지는 복잡한 맞춤형 또는 소량 부품의 효율성을 높여줍니다.

의료용 임플란트

생체 적합성 소재의 첨가제/감소제 통합으로 복잡하고 개인화된 의료용 임플란트 및 보철물을 제작할 수 있습니다.

CNC 3D 프린팅

CNC 기계에 적층 가공물 통합

하이브리드 시스템에 대한 초기 시도에는 적층 제조 기능을 갖춘 기존 CNC 밀링 또는 선반 기계를 개조하는 것이 포함되었습니다. 레이저 및 파우더 피드와 같은 증착 장비를 기계 스핀들에 직접 장착하는 방식으로 이루어졌습니다. 그러나 이러한 초기 개조 작업은 적층 하드웨어의 최적 통합이 이루어지지 않아 문제가 있었습니다. 또한 인쇄와 기계 가공이 조정된 제어 하에 원활하게 번갈아 가며 이루어지는 진정한 공정 통합이 부족했습니다. 최신 하이브리드 시스템에는 보다 우아한 솔루션이 있습니다. 미쓰이세이키와 같은 제조업체는 처음부터 완전히 통합된 적층-감산 워크플로우를 위해 기계를 설계합니다. 레이저와 노즐은 일반 밀링 공구처럼 장착하고 교체할 수 있도록 설계되었습니다. 파우더와 에너지 공급 장치가 헤드에 자동으로 빠르게 결합되어 재료 증착을 간소화할 수 있습니다.

하이브리드 프로세스 워크플로우

디지털 트윈 또는 가상 시뮬레이션 모델은 이러한 통합 기계에서 하이브리드 제조 공정의 기반을 형성합니다. 먼저 레이저 스캐너를 사용하여 부품을 스캔하고 스캔 데이터를 CAD 모델 버전과 디지털 방식으로 비교합니다. 그런 다음 공정 계획 소프트웨어가 증착을 위한 가산 공구 경로와 후속 가공 단계를 위한 감산 공구 경로를 자동으로 생성합니다. 이러한 공구 경로는 자동화 장비를 감독하는 중앙 컨트롤러에 전달됩니다. 부품은 재료 증착, 피처 가공, 추가 적층 재료 증착, 추가 가공 반복 등 완전히 완성될 때까지 순차적인 제조 과정을 거칩니다. 센서를 통한 공정 모니터링으로 치수 정확도와 열 제어가 전반적으로 보장됩니다.

CNC 3D 프린팅의 응용 분야

지금까지 하이브리드 시스템으로 입증된 주요 응용 분야로는 가스터빈 블레이드와 같은 마모된 항공우주 부품의 수리가 있습니다. 국부 증착을 통해 손상된 부분을 재구성한 후 바로 기계 가공을 할 수 있기 때문에 이 응용 분야에 매우 적합합니다. 다른 응용 분야에는 다공성 격자 구조로 둘러싸인 피처와 같이 기계 가공만으로는 불가능한 복잡한 형상의 부품을 만드는 것도 포함됩니다. 다중 재료 부품은 또한 하이브리드 적층-감산 재료 통합 기능을 활용합니다. 전반적으로 하이브리드 장비는 레이저 기반 적층 제조와 고정밀 CNC 가공 작업을 직접 결합함으로써 독립형 시스템에 비해 새로운 설계의 자유와 생산성 향상을 실현합니다. 적층 제조와 감산 제조 기술의 장점을 모두 결합한 것입니다.

덧셈-뺄셈 시스템

공작 기계에 증착 통합

선도적인 공작 기계 제조업체는 적층 제조 기능을 감산 제조 장비에 직접 통합하는 정교한 하이브리드 시스템을 개발했습니다. 이러한 하이브리드 기계는 레이저를 단순히 볼트만 추가하는 방식으로 개조하는 대신 적층-감산 공정을 원활하게 통합할 수 있도록 특별히 제작되었습니다. 미쓰이세이키는 처음부터 하이브리드 시스템을 설계합니다. 레이저와 파우더 노즐은 일반 절삭 공구와 마찬가지로 기계 스핀들에 정밀하게 장착되도록 설계되었습니다. 노즐은 퀵 커넥트 인터페이스를 통해 레이저 에너지 및 파우더 전달 부품에 자동으로 연결됩니다. 이러한 수준의 통합 설계를 통해 적층-감산 공정은 통합된 제어 흐름에서 진정으로 교대할 수 있습니다. DMG Mori, Mazak, Trumpf와 같은 다른 유명 제조업체들도 전용 하이브리드 플랫폼을 제공합니다. 일부는 선택적 레이저 용융을 통합하고, 다른 일부는 용융 필라멘트 제조 또는 레이저 클래딩과 같은 지향성 에너지 증착 기술에 특히 중점을 둡니다. 회전 대칭 부품을 위한 턴밀 기계도 존재합니다.

주요 시스템 구성 요소

하이브리드 시스템에는 긴밀하게 통합된 레이저 및 파우더 장비 외에도 여러 가지 핵심 기술이 결합되어 있습니다: 5면 부품 접근을 위한 다축 스핀들 및 모션 제어. 반응성 재료를 위해 불활성 분위기를 유지하는 인클로저. 부품을 디지털화하고 표면 서명을 인코딩하는 스캐너. 정확도와 공차를 검증하는 터치 프로브. 모듈식 소프트웨어로 적층-감산 공구 경로를 원활하게 프로그래밍합니다. 센서와 통합 결함 감지 기능을 통한 공정 모니터링. 이러한 기능을 종합하면 하이브리드 기계는 항공 우주, 에너지 및 기타 미션 크리티컬 애플리케이션에 적합한 복잡한 금속 부품을 제조할 수 있습니다.

하이브리드 수리 기술

하이브리드 기능의 특화된 용도로는 고부가가치 부품의 수리 및 재구성이 있습니다. 복잡한 터빈 블레이드, 임펠러 및 기타 손상된 항공우주 부품은 이제 국소 적층과 충전된 부분의 감산 후처리를 통해 새롭게 단장할 수 있습니다. 하이브리드 시스템은 마모된 부품의 스캔을 CAD 모델과 비교하여 누락된 볼륨을 레이어별로 재구성하는 공구 경로를 자동으로 생성합니다. 즉각적인 후속 가공을 통해 최종 수리된 치수와 표면 마감을 얻을 수 있으므로 별도의 설정이 필요하지 않습니다. 하이브리드 수리 기술이라고 불리는 이 애플리케이션은 전용 플랫폼 내에서 스캐닝, 적층 제조 및 CNC 가공을 결합하여 활용합니다. 이는 교체 비용에 직면한 초정밀 부품을 복구할 수 있는 하이브리드 제조에 대한 산업적 준비를 나타냅니다.

하이브리드 기능의 예

미쓰이세이키, DMG 모리 등의 전용 플랫폼은 일체형 냉각 채널을 갖춘 터빈 케이싱 생산과 같은 기능을 보여줍니다. 주조 구조는 기계 가공으로는 어려운 내부 덕트를 사용합니다. 레이저 증착 후 밀링을 통해 오버행 피처가 있는 플랜지 부품도 한 번의 작업으로 생산할 수 있습니다. 와이어 증착을 통해 코팅을 적용하면 부품의 복원력이 향상됩니다. 회전식 부품은 혁신적인 턴-밀 하이브리드 설계를 통해 단일 클램핑으로 제작됩니다. 이 모든 것이 하이브리드 적층-감산 소재 통합의 장점을 종합적으로 보여줍니다.

다중 공정 가공

밀링 머신에 FDM 통합

대부분의 하이브리드 시스템은 금속 재료에 중점을 두지만, 일부 제조업체는 폴리머 기반 FDM(용융 증착 모델링) 3D 프린팅을 CNC 밀링 머신에 통합하는 하이브리드 플랫폼을 개발했습니다. FDM 헤드는 절삭 공구와 함께 밀링 머신 스핀들에 장착됩니다. 이를 통해 열가소성 부품을 처음에 프린팅한 다음 필요한 경우 감산 가공으로 바로 전환할 수 있습니다. 후처리가 아닌 인라인으로 마감 수축 보정 및 응력 보정이 가능해집니다. 이전에는 서포트 구조가 필요했던 오버행 피처를 서포트 없이 적층 가공할 수 있습니다. 티타늄과 같은 금속도 적층-감산 조정을 사용하여 3D 프린팅 폴리머에 임베드하여 최종 응용 분야를 강화할 수 있습니다.

모듈형 하이브리드 플랫폼 설계

선도적인 기계 제작업체들은 차세대 하이브리드 플랫폼을 완전한 모듈식 다목적 시스템으로 설계합니다. 다양한 요구 사항에 맞게 처리 헤드를 빠르게 교체할 수 있습니다. 대체 증착 기술로는 레이저 파우더 베드 융합, 블로우 파우더 레이저 클래딩, 와이어 아크 적층 제조 등이 있습니다. 다양한 스폿 크기, 레이저 출력 및 파우더 공급으로 작업에 맞는 증착을 최적화할 수 있습니다. 발산 또는 고도로 집중된 레이저 빔은 기본적인 재료 증착 이상의 작업을 수행합니다. 검사 하드웨어와 터치 프로브가 장비에서 결과를 확인합니다. 제어가 다단계 적층, 스캐닝 및 감산 시퀀싱을 원활하게 예약합니다. 모듈식 미래형 시스템으로 새로운 기술을 통합할 수 있습니다. 개방형 에코시스템은 타사 혁신가를 유치하여 하이브리드 제조 범위를 확장합니다. 코어 강성은 모듈식 유연성 속에서 정밀성을 보장합니다.

향후 하이브리드 개발

지속적인 하이브리드화는 획기적인 애플리케이션을 만들어낼 것입니다. 다중 금속 합금 미세 구조는 원소별로 전이될 수 있습니다. 확산 변화와 등급별 재료 구성이 등장합니다. 소형 컨포멀 냉각 라인 및 독점 전자 장치와 같은 임베디드 기능 요소는 기계 제작을 거칩니다. 대량 생산은 이러한 성과를 달성합니다. 소프트웨어는 수작업을 자동화하여 인간의 창의성을 극대화합니다. 머신 러닝은 프로세스를 최적화하여 에너지를 절약합니다. 표준화된 보안 프로토콜은 협업 디지털 에코시스템 내에서 민감한 지적 재산을 보호합니다. 첨가제, 감산 및 관련 디지털 분야 간의 긴밀한 통합을 통해 다중 프로세스 하이브리드 생산은 무한한 역량을 갖춘 제조를 통해 세상을 변화시키는 광대한 미래를 제시합니다.

결론

하이브리드 제조는 적층과 감산 기술의 융합된 미래를 나타냅니다. 레이저 클래딩과 같은 직접 에너지 증착 기술을 CNC 기계에 직접 통합함으로써 제조업체는 독립형 시스템으로는 달성할 수 없었던 새로운 잠재력을 실현할 수 있습니다. 복잡한 내부 기능, 국소화된 다중 재료 통합 및 부품 수리 애플리케이션이 산업 현실이 되었습니다. 미쓰이세이키(Mitsui Seiki)와 DMG 모리(DMG Mori)와 같은 선도적인 OEM 업체들은 선구적인 특수 목적 하이브리드 플랫폼을 통해 일찍부터 리더십을 구축해 왔습니다. 모듈식 설계는 가공 헤드를 자동화된 멀티 툴 에코시스템으로 원활하게 통합합니다. 디지털 제어는 복잡하게 안무된 적층-감산 생산 발레를 조율합니다. 항공 추진, 성형 및 의료용 임플란트 분야의 애플리케이션은 대량 생산으로 나아가고 있습니다. 하이브리드 제조는 아직 신흥 분야이지만 최근 몇 년 동안 크게 발전했습니다. 주요 산업 센터를 중심으로 도입이 증가하며 생산 수준의 관련성을 입증하고 있습니다. 기술 대화는 일반적인 개념에서 특정 재료와 산업 표준에 대한 통합 워크플로우를 개선하는 방향으로 전환되고 있습니다. 소프트웨어는 수동 프로그래밍을 통해 개척된 작업을 자동화하여 따라잡는 역할을 합니다. 이 분야가 더욱 발전함에 따라 아직 개척되지 않은 많은 가능성이 남아 있습니다. 다중 금속 합금, 임베디드 전자 장치, 자동화된 부품 수리는 적층, 적층 가공, 디지털 분야의 결합을 통해 앞으로 등장할 수 있는 가능성을 예고합니다. 제조업체, 연구자, 기업가들은 계속해서 기술적 한계를 확장하며 통합 생산 혁신이 글로벌 산업과 사회에 어떤 변화를 가져올지 궁금증을 불러일으키고 있습니다.