[AI 자율제조-③] 탄소 중립의 최전선, ‘쓰레기통’ 비우는 적층 제조가 뜬다

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감산에서 적층으로...제조 패러다임 전환

오늘날 전 세계 제조업은 탄소 중립과 넷제로(Net-zero)라는 피할 수 없는 시대적 지향점을 마주하고 있다. 이는 생산성을 희생하지 않으면서 탄소 배출을 획기적으로 줄여야 하는 기술적 한계를 동시에 요구한다.

이러한 고질적인 난제에 대한 로드맵을 제시하는 솔루션 중 하나가 적층 제조(Additive Manufacturing) 기술이다. 3D 프린팅으로도 인식되는 이 기술은 대량 생산과 비용 경쟁력을 확보하기 위한 기존 제조 방법론과는 궤를 달리한다. 원소재를 깎아내 필연적으로 폐기물을 다량 발생시키는 감산 제조(Subtractive Manufacturing)나, 막대한 초기 비용과 긴 리드 타임을 요구하는 성형 제조(Forming/Molding) 등과 다른 길을 택한다.

재료를 한 층씩 쌓아 올리는 이 방식은 소재 낭비를 70%에서 90%까지 최소화하고, 부품의 경량화를 통해 제품 운행 단계의 연료 소모까지 줄이는 모습을 구현한다. 업계는 이에 대해, 제조 방식의 변화라기보다는 환경성·경제성을 모두 잡는 제조업의 재정립을 의미한다고 말한다.

소재 낭비부터 설계 보안까지...3D 프린팅이 뒤집는 제조업 판

이처럼 제조업의 근본적인 혁신을 이루는 움직임은 구체적인 기술과 비전을 통해서만 실현 가능하다. 산업의 발전과 표준화를 기반으로, 이 변화의 구체적인 로드맵을 제시하는 것이 바로 적층 제조 생태계다. 이들이 제시하는 적층 제조는 기존 방식들이 가진 대량 생산과는 다른 것으로, 중소량 생산이나 다품종 맞춤형 제품 제작에 비용 효율을 제공한다. 이러한 접근법은 제조업의 유연성을 극대화하는 혁신을 가져오고 있다. 이 같은 3D 프린팅은 제조업에 네 가지 측면에서 전략적인 가치를 제공하는 지향점이 된다.

먼저, 시간 단축이다. 과거 며칠에서 몇 주 걸리던 시제품 제작을 몇 시간에서 며칠 단위로 단축킨다. 이는 제품의 리드 타임을 최소화하는 효과를 달성한다. 오류 비용 절감 또한 주목할 지점이다. 개발 초기 단계에서 설계 오류를 잡아낼 수 있어, 양산 단계에 돌입한 후 발생하는 비용 낭비를 사전에 차단하는 개선점을 제공한다.

이어 다양한 형태의 제품 디자인을 구현하는 점이 꼽힌다. 기존 정형화된 디자인 방식을 뛰어넘는 것이다. 특히 인공지능(AI) 기반의 생성형 설계(Generative Design) 기술을 반영하는 데 필수적인 역할을 수행한다. 이때 생성형 설계는 사용자의 목표와 제약 조건을 만족하는 최적화된 설계안을 생성한다. 끝으로 적층 제조의 또 다른 혁신점은 보안성 유지다. 설계 파일부터 최종 출력까지 전 과정을 내부 시스템에서 처리할 수 있다는 점이다. 이를 통해 외부 유출의 위험 없이 설계 보안을 유지할 수 있다.

'찍어내기'는 끝, 전략적 혁신으로 탄소 중립 시대의 기준점 세우다

글로벌 3D 프린팅 솔루션 업체 스트라타시스는 시장 내에서 확고한 핵심 적층 제조 기술 포트폴리오를 보유하고 있다. 여기에는 다섯 가지 기술 유형이 있다. △풀 컬러 및 다중 소재 출력이 가능한 ‘폴리젯(PolyJet)’ △레이저를 이용해 액체 수지(레진)를 경화시켜 미세한 디테일과 매끄러운 표면 품질을 구현하는 ‘광경화성 수지 적층 방식(SLA)’ △이미 대중화된 ‘용융 적층 모델링(FDM)’ △속도와 정밀도가 높은 ‘고속 연속 광중합 방식(P3)’ △가루 형태의 소재를 쓰는 ‘선택적 흡수 융합(SAF)’ 등이 이에 해당한다.

이 5가지 기술 요소는 설계, 엔지니어링, 제조 보조, 생산 등 제품 개발의 전 주기에 걸쳐 맞춤형으로 적용돼 가치를 극대화한다. 디자인 단계에서는 폴리젯으로 아이디어를 빠르게 검증하고, 엔지니어링 단계에서는 FDM으로 기능성 프로토타입을 제작해 반복 개선을 가속한다.

최종적으로 P3와 SAF는 수천에서 수만 대 수준의 유연한 양산에 투입된다. 맞춤형 제품부터 대량 생산까지 실제 양산 단계의 구체적인 로드맵을 지원한다.

특히 스트라타시스가 30여 년 전에 발명하여 특허를 보유한 FDM 기술은 일반 플라스틱을 비롯해, 항공우주용 고성능 플라스틱 소재까지 광범위하게 사용되고 있다. 또한 시제품 및 기능성 부품과 생산 현장의 필수 도구, 즉 금형 및 치공구류와 가공 고정 기구 제작에도 관여하고 있다.

지속 가능 혁신에 응답한다, 핵심 가치로 완성하는 최신 제조 시스템

궁극적으로 적층 제조 기술은 탄소 중립 시대의 지속 가능한 제조 솔루션이라는 명확한 지향점을 가진다. 이는 다양한 관점의 환경적 이점을 제공함으로써 글로벌 친환경 트렌드와 발맞추고 있다.

가장 먼저, 소재 낭비 감소 측면에서 두드러진다. 기존 절삭 가공 방식은 원하는 형상을 얻기 위해 불필요한 소재를 깎아내 다량의 폐기물을 발생시킨다. 이와 달리 3D 프린팅은 필요한 부분만 정확히 쌓기 때문에 소재 사용량을 획기적으로 줄이며, 이는 생산 공정 중 탄소 배출량을 대폭 감소시키는 효과로 이어진다.

3D 프린팅은 더 나아가, 부품을 현지 공장에서 필요할 때 바로 생산하는 분산 제조가 가능해지면서 운송 및 물류의 최소화가 실현된다. 이로 인해 기존의 대륙 간 해상 운송이나 장거리 물류가 불필요해진다. 더불어 연료 사용과 물류 과정에서 발생하는 탄소 배출을 줄여주는 환경적 개선점을 제공한다.

이와 함께 생성형 설계 기술을 적용한 점도 3D 프린팅이 지속 가능한 제조를 실현하는 지점이다. 불필요한 구조를 제거하고 형상을 최적화한 경량 부품 제작을 지원 특징이 대표적이다. 이는 자동차·항공기 등 이동수단의 운행 중 연료 소모를 직접적으로 절감하는 것으로 알려져 있다.

뿐만 아니라, 부품 전체를 교체하는 대신 손상된 부분만 3D 프린팅으로 개선·보강할 수 있다는 부분도 강점이다. 이를 통해 재사용 및 수명 연장이 용이해진다. 이는 폐기물 발생을 줄이고 신규 부품 생산 과정의 탄소 배출을 감소시킨다.

마지막으로, 공정 자동화 및 장비 소형화를 통해 제조에 필요한 에너지량을 효율적으로 사용할 수 있다. 이로써 공장 운영 전반의 에너지 효율 향상에 기여하는 것으로 알려졌다.

오토메이션월드 최재규 기자 |

* 이 글은 ‘2025 AI 자율제조혁신 포럼’에서 스트라타시스 코리아 최장윤 부장이 발표한 내용을 재구성하여 정리한 것입니다.

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[AI 자율제조-②] 알람보다 먼저 움직이는 공장…AI 팩토리가 바꾸는 제조 업타임 미래

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[AI 자율제조-①] 설비 ‘고장 후 대응’ 지침서 파쇄하는 AI, 차세대 범용 모델로 혁신하는 ‘예지보전’

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