ISO/ASTM 52900 표준에 기반한 적층 제조 용어의 한글화

1. 서론

절삭 공정은 매우 오래 전부터 사용되고 있는 대표적인 기계 가공 공정으로서, 모재의 불필요한 부분을 제거하여 제품의 형상을 제작하는 제거 가공(Subtractive Manufacturing)의 범주에 해당된다. 이에 반하여 필요한 재료를 조금씩 더해서 제품의 형상을 제작하는 부가 가공은 3D 프린팅(3D Printing)으로 불리기도 하는 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 공정이 가장 대표적이다. 시제품을 제작하기 위해서 개발된 적층 제조 공정은 이후 발전을 거듭하여 현재에는 제품을 직접 제작할 수 있는 혁신적인 기술로 점차 인식되고 있다. 적층 제조 공정은 관련 기술의 역사로 볼 때 지형학이나 광 조각 등을 기원으로 보기도 한다.¹ 하지만 찰스 헐(Charles W. Hull)이 개발하고 미국 3D 시스템즈(3D Systems)사에 의해 최초로 상업적으로 적용된 광조형(Stereolithography, SL) 기술을 적층 제조 공정의 시작으로 보는 것이 일반적이다.² 이후 3D 시스템즈사에서 개발한 SLA-250 장비는 이 기술을 널리 알리는 계기가 되었다. 한편, 광 경화성 수지를 재료로 이용하는 광조형 기술 이외에도 다양한 재료를 적층하여 3차원 형상을 제작하는 다수의 공정들이 개발되었으나, 이들은 모두 재료를 층층이 적층하여 제품을 제작한다는 것에서 모두 적층 제조 공정의 범주에 해당된다.³

한국은 1992년도 KAIST와 한국금형기술㈜의 공동연구로 수행된 SLA 공정 및 2차 공정을 이용한 금속 자동차 휠 및 터빈 블레드 제작 기술 개발을 시작으로 적층 제조 공정을 이용한 시제품의 제작이 시작되었다. 1990년대 초반 일부 기업에서 미국 3D 시스템즈사의 SLA (Stereolithography Apparatus) 장비를 도입하여 시제품 제작에 사용하기 시작하였으며, 이후 많은 기업에서 시제품 제작에 소요되는 시간과 비용을 절감하는데 적극적으로 활용하고 있다.

1998년부터 5년간 KAIST 주관으로 진행된 국가 중점 기술개발사업인 주문적응형 쾌속제품개발시스템 사업단에서는 지능형 제품 설계 및 시스템 개발, 쾌속 시작 시스템 개발, 컴퓨터원용 역엔지니어링/측정/평가 기술개발 및 주문 적응형 쾌속제품개발의 시스템 통합 기술개발에 대한 연구가 진행된 바 있다. 이를 통해 개발된 적층 제조 공정인 VLM-S (Variable Lamination Manufacturing Using Polystyrene Foam)을 ㈜메닉스에 스핀 오프(Spin-Off)하여 2001년도부터 상용화되었으며, 그 후 연간 적층 제조 동향 보고서인 월러 보고서(Wholer’s Report)에 등재되었다.^4-6 부산대학교에서는 1990년대 중반부터 시작하여 광조형 기술을 비롯한 적층 제조와 관련한 다양한 연구를 수행한 바 있다. 이를 통해 각종 적층 조형 기술의 정밀화와 공정의 최적화 및 그 후처리 공정은 물론 적층물을 이용해 다양한 툴링 공정이 개발되었다.^7-9 그리고 POSTECH에서는 2000년대 초반부터 광조형 기술을 기반으로 마이크로 구조물을 제작하는 마이크로 광 조형 기술을 개발하였고,¹⁰ 이를 바탕으로 적층 제조 기반의 생체 조직의 재생 및 제작에 대한 많은 연구 결과들을 발표하고 있다.^11,12

적층 제조 공정은 개발 초기부터 매우 다양한 명칭들로 불려왔다. 그리고 이들 명칭들이 학문/산업적으로 혼용되는 경우가 많아 용어의 표준화에 대한 요구가 점차 증가되었다. 이에 따라서 미국재료시험학회(American Society for Testing Materials, ASTM)와 국제 표준화 기구(International Organization for Standardization, ISO)에서는 적층 제조와 관련한 중요 용어의 명칭 및 정의들에 대한 표준들을 제정하기 시작하였다.^13-21 한국에서도 ISO/ASTM 표준들에 기반한 KS 표준을 제정하기 시작하였으나, 현재까지도 ISO/ASTM에서 정의하고 있는 적층 제조와 관련한 중요한 용어들에 대한 한글화 및 이들의 정의가 완전히 정리되지 않고 있다. 따라서 많은 학문적 및 산업적 문헌에서 ISO/ASTM에서 정의된 동일한 용어들이 다양한 한글 용어로 불리고 있다.

이 논문에서는 ISO/ASTM 표준에 기반한 적층 제조 관련 중요 용어들의 한글화 및 표준화에 대한 제안을 하고자 한다. 또한 이 연구에서 사용된 용어들은 KS 표준화 작업을 통해서 정리된 용어들이다

2. 적층 제조(Additive Manufacturing)

제품의 형상 데이터를 컴퓨터 등을 활용하여 가상의 공간에서 단면으로 나누고, 재료를 각 단면 형상에 따라 적절한 공정을 통해 층층이 쌓아 실제 제품을 제작하는 공정은 초기부터 영어로는 ‘Rapid Prototyping’ 혹은 ‘Solid Freeform Fabrication’ 등의 명칭으로 불리기 시작하였으며, 이는 적층 제조 공정의 시초가 시제품 제작을 위한 공정에서 출발한 것에 기인한다. 한국에서도 유사하게 시제품 제작과 관련한 기술로서 적용되기 시작하였기 때문에 ‘쾌속 조형’ 또는 ‘신속 조형’으로 불리기 시작하였고, 이후에는 ‘부가 가공’ 또는 ‘적층 가공’ 등의 명칭으로도 불려 왔다. 한편, 미국의 제44대 대통령이었던 버락 오바마(Barack Hussein Obama II)는 2013년 초에 있었던 국정 연설에서 “3D 프린팅은 우리가 모든 것을 만드는 방법에 있어 혁명의 바람을 일으킬 잠재력을 가지고 있다.”고 한 바 있으며, 이때부터 기존의 다양한 명칭으로 불려 왔던 적층 제조 공정이 ‘3D 프린팅’이라는 명칭으로 사람들에게 매우 널리 알려지게 되었다.²² 하지만 ‘3D 프린팅’이라는 명칭은 적층 제조 공정의 특징을 정확하게 대표하는 것으로 보기에는 한계가 있다.

국제적으로 적층 제조의 명칭 및 관련 표준을 제정하려는 시도는 1990년대 후반부터 시작되었다.²³ 1997년 10월 미국 국립 표준 기술원(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 측정 및 표준화에 대한 논의가 시작되었으며, 2000년대 초반에는 미국재료시험학회에서 적층 제조 고유의 표준을 제정하려는 시도가 이루어졌다. 2009년에는 미국재료시험학회산하에 ‘적층 제조 기술에 관한 위원회 F42(ASTM Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies)’가 만들어져 적층 제조 표준에 대한 논의가 본격적으로 이루어지기 시작하였다. 이때 만들어진 표준인 ASTM-F2792에서는 그동안 다양한 명칭으로 불리고 있었던 명칭들을 적층 제조(Additive Manufacturing)로 표준화하였다. 한편, 비슷한 시기에 국제 표준화 기구 산하에 ‘적층 제조 기술에 관한 ISO 위원회 TC261(ISO Committee TC261 on Additive Manufacturing Technologies)’이 만들어져 적층 제조와 관련한 국제 표준 제정에 대한 시도들이 이루어지게 되었다. 이후 2013년에는 미국재료시험학회와 국제 표준화 기구가 적층 제조와 관련한 표준들을 공동으로 개발하기로 합의하였고, 2015년에 적층 제조의 일반 원리 및 용어를 정리한 ISO/ASTM 52900을 발표하였다.¹³

한편, 한국에서는 2014년부터 적층 제조 분야의 표준을 제정하기 위한 시도가 이뤄져왔다. 즉, ISO의 적층 제조 분야 국제 표준 제정에 대응하기 위한 한국위원회(National Mirror Committee)인 적층 제조 전문위원회가 만들어졌으며 이를 위해 3D 융합산업협회가 간사 기관으로 지정되었다. 그리고 또한 이때부터 3D 융합산업협회가 표준개발 협력기관으로 지정되어 ISO/ASTM에 의해서 제정된 국제 표준 중에서 중요한 것들을 우선적으로 한국 산업 표준(Korean Industrial Standards, KS)에 도입하기 위한 KS 부합화 작업이 시작되었다. 이와 같이 적층 제조의 명칭 및 관련 용어의 표준화에 대한 시도가 다양하게 이루어지고 있다. 하지만 국제 표준에서 사용되는 적층 제조와 관련한 용어들은 한국에서 여전히 다양한 명칭으로 불리고 있으며, 어떤 경우에는 잘못된 용어가 사용되고 있는 경우도 있다. 따라서, 국제 표준에 사용된 적층 제조와 관련한 용어, 분류 및 정의들을 한글화하는 것이 시급하다.

ISO/ASTM 52900에서는 적층 제조를 ‘3차원 모델 데이터로부터 제품을 만들기 위한 공정으로서, 일반적으로는 층을 겹겹이 쌓아 제작한다(Process of Joining Materials to Make Parts from 3D Model Data, Usually Layer Upon Layer)’라고 설명하고 있다.¹³ 즉, 이 공정은 기존의 기계 가공에서 매우 많이 사용되고 있는 재료 제거 공정(Subtractive Manufacturing)과 다르게 재료를 단면 형상에 맞게 층층이 쌓아 올려서 제품을 제작한다는 것이다. 이렇게 되면 재료 제거 공정의 특성에 따라 많이 발생하는 칩(Chip) 등과 같은 재료의 낭비가 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 적층 제조 공정에서는 단순히 주어진 단면 형상에 따라서 재료를 적층하기 때문에 기존의 재료 제거 공정에서와 같이 공구의 형상에 따라서 가공이 가능한 제품의 형상이 결정되지 않고 자유롭게 복잡한 형상을 가진 제품을 제작할 수 있다.

1980년대에 처음 개발된 적층 제조 공정인 광조형 기술은 폴리머가 주요 재료로 사용되었다. 그 후에도 비교적 초기에 개발된 적층 제조 기술들에서도 역시 폴리머가 주요한 재료였다.^2,24,25 각각 SLA, SLS (Selective Laser Sintering) 및 FDM (Fused Deposition Modeling)으로 불리는 이 기술들은 현재에도 폴리머 재료를 기반으로 하는 중요한 적층 제조 공정이다. 이후 다양한 금속을 재료로 사용하는 다수의 적층 제조 기술들이 개발되었다. 또한 폴리머 외에 세라믹 등과 같은 일부 비금속 재료들도 상용화된 적층 제조 장치에 사용되기 시작하고 있으며, 다양한 공정기술들이 다양한 재료들의 적층 제조를 위해 개발되고 있다. 향후에는 급속한 속도로 새로운 재료와 이에 따른 공정기술들이 개발될 것으로 기대된다.

초기에는 시제품을 제작하는 것으로부터 시작된 적층 제조 공정은 점차 실제 사용 가능한 제품을 제작하기 위한 공정으로서 그 영역이 확대되고 있다. 이와 같이 적층 제조는 재료를 쌓아 올려 제품을 제작하는 ‘적층’의 의미와 제품을 제작하는 ‘제조’의 의미가 모두 포함되고 있음을 알 수 있다. 따라서 ‘재료를 층층이 쌓아 제품을 제작할 수 있는 공정’으로서 ‘Additive Manufacturing’은 ‘적층 제조’로 번역되는 것이 바람직하다고 판단된다.

3. 적층 제조 공정의 분류

적층 제조 공정은 사용되는 재료 및 재료들을 이용하여 각 단면을 성형하는 방법에 따라서 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 상업적으로 적용되고 있는 각각의 적층 제조 기술들은 대부분 기업이나 대학에서 최초로 개발되었으며, 이에 따라 각 기술 고유의 명칭을 가지고 있는 것이 일반적이다. 예를 들어 미국 3D 시스템즈사에서 개발한 광 경화성 수지에 자외선 레이저를 주사하여 단면을 성형하는 기술은 SLA로 불리며, 또한 미국 스트라타시스(Stratasys)사에서 개발한 열 가소성 플라스틱을 필라멘트 형태로 만들고 이를 가열 노즐을 통하여 가열 및 압출하여 단면을 성형하는 기술은 FDM이라고 부른다. 또한 압출된 분말 재료에 선택적으로 열에너지를 가해서 소결하여 단면을 성형하는 SLS 그리고 얇은 판재를 단면 형상으로 자르고 이를 적층하여 3차원 제품을 제작하는 LOM (Laminated Objects Manufacturing) 등도 있다.

한편, 기존의 기술들과 유사한 형태의 재료나 기술을 사용하는 새로운 기술들이 개발되면서 일부에서는 SLA나 FDM 같은 특정 기업이나 기관에서 개발한 기술들의 명칭을 해당 공정을 대표하는 명칭으로 사용하기도 하였다. 즉, 적층 제조 공정은 사용되는 재료에 따라서 개별 기업이나 대학 등에서 개발된 기술의 명칭으로 구분하기도 하였다. 예를 들면, 액체 상태 재료를 이용하는 공정 및 가루 및 고체 상태의 재료를 이용하는 공정으로 구분하거나, 또는 폴리머를 사용하는 공정과 금속/세라믹을 사용하는 공정으로 구분하기도 하였다.^26-29

2015년 발표된 국제 표준인 ISO/ASTM 52900에서는 적층 제조를 재료들을 성형하는 공정 자체에 기반하여 7가지 공정으로 세분화하여 구분하고 있으며, 이 구분 방법은 점차 널리 사용되고 있다. 따라서 한국에서도 7가지 세분화된 공정의 명칭을 기반으로 하는 구분 방법들이 사용되기 시작하고 있으나, 이들 세부 공정들에 대한 한글 명칭들은 기존의 영문 명칭들을 한글로 번역하는 과정에서 다양하게 불리고 있다. 따라서 이들 세부 공정들에 대한 표준화된 한글 명칭을 정하는 것이 시급하다. 본 논문에서는 적층 제조뿐만 아니라 ISO/ASTM 52900에서 정의하고 있는 7가지 세부 공정들에 대한 한글 명칭들도 제안하고자 한다.

4. 기타 적층 제조에 많이 사용되는 용어들

일반적인 제조 공정과 적층 제조에서 공통적으로 사용될 수 있는 용어는 매우 다양하다. 그러나 적층 제조에서 사용되면 일반적인 경우보다 제한적 의미로 해석되는 경우가 있으므로 3장에서 서술한 적층 제조 공정의 구분뿐만 아니라 자주 사용되는 핵심 용어를 정리할 필요가 있다.

5. 결론

본 논문은 동일한 제조 공정임에도 불구하고 다양한 명칭으로 불리고 있는 적층 제조 및 관련 용어들의 한글 명칭을 기존의 사용 사례를 기준으로 국제적 표준 용어를 고려하여 정리하고 그 공통적 사용을 제안하기 위하여 작성되었다. 즉, 제품의 형상 데이터를 컴퓨터 등을 활용하여 가상의 공간에서 단면으로 나누고, 재료를 각 단면 형상에 따라 적절한 공정을 통해 층층이 쌓아 실제 제품을 제작하는 공정인 적층 제조 및 관련 용어들에 대하여 다루었으며, ISO/ASTM 52900 표준에 기반한 적층 제조의 7개 세부 공정들인 접착제 분사, 에너지 제어 용착, 재료 압출, 재료 분사, 분말 베드 융해, 판재 적층 그리고 액조 광경화에 대해 각 공정의 정의 및 한글 명칭을 제안하고 각각에 대하여 서술하였다. 그리고 기존의 제조 공정에서 또는 적층 제조에서 많이 사용되는 용어들인 층, 적층물, 제품, 부품, 슬라이싱, 후처리 공정, 지지대, 공급재료의 한글 명칭도 제안하였다.

Acknowledgments

한국 적층 제조 분야의 발전에 큰 기여를 하셨으며, 본 논문의 작성에 필요한 영문 용어의 한글 정의에 많은 도움을 주신 광주과학기술원 양동렬 교수님, 부산대학교 이석희 교수님, 그리고 포항공과대학교 조동우 교수님께 깊은 감사를 드립니다. 또한 적층 제조 KS 표준화 작업을 위한 용어 정리에 도움을 주신 3D 융합산업협회 강승철님께도 감사드립니다.

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