3D 프린팅을 통한 5가지 공급망 혁신

주요 뉴스를 검색해보면 전 세계적으로 공급망 중단이 여전히 진행 중이라는 사실을 알 수 있습니다. 전 세계 제조업체에게 공급망 문제는 생산성과 중요한 비즈니스 기한을 준수하는 능력에 큰 위협이 됩니다.

이러한 공급망 문제는 동네 술집의 맥주 부족부터 의약품 공급 부족, 칩 부족으로 수십억 달러의 손실을 입는 Apple 같은 기업까지 모든 유형과 규모의 비즈니스에 지속적으로 영향을 미치고 있습니다. 전문가들은 외부 공급망 문제가 당분간 지속될 가능성이 높다고 전망합니다.

하지만 신속하고 안정적인 전문 3D 프린팅 플랫폼을 도입하면 제조 기업은 이러한 위험을 상당 부분 회피할 수 있을 뿐만 아니라 완벽한 제어를 통해 공급망을 이전보다 더 긴밀하고 효율적으로 만들 수 있습니다.

그렇다면 기업들은 구체적으로 어떻게 3D 프린팅을 사용하여 공급망 문제를 해결하고, 공급망을 그 어느 때보다 효율적이고 중단 없이 재창조하고 있을까요? 이 기사를 확인하여 미육군부터 항공기 부품 및 풍력 터빈 제조업체까지 미국 업체의 실제 사례 5가지를 통해 그 방법을 알아보겠습니다.

제조업체의 공급망 문제

제조업체의 경우 공급망 문제로 인해 여러 가지 중대한 문제가 발생할 수 있습니다. 공급망 물류가 최적화되지 않으면 리드 타임이 증가하여 성장을 저해하고 기업이 중요한 마감일을 맞출 수 있는 능력이 저하될 수 있습니다. 공장에서 중요한 부품을 교체해야 하는 경우 부품을 제작, 배송, 운송, 수령하는 데 걸리는 시간 동안 제조 작업이 중단되기 쉬우며, 이 기간은 수 개월에 이르는 경우가 많습니다.

공급망에 중요한 부품을 제조하기 위해 외부의 제3자 공급업체에 의존하는 조직의 경우, 기업이 처음 필요성을 파악한 시점과 최종 부품이 도착할 때까지 상당한 시간과 노력이 소요됩니다. 엔지니어는 도면 초안 작성, 구매 주문서 제출, 여러 공급업체와의 입찰 프로세스 관리에 시간을 할애해야 합니다. 타사에서 부품 제작을 완료한 후에도 부품이 필요한 특정 현장으로 배송해야 합니다.

배송이나 취급에 문제가 있거나 업스트림 공급업체가 자재 부족을 겪는 등 이 과정의 어느 지점에서든 문제가 발생하면 심각한 지연이 발생할 수 있습니다. 수령한 부품에 결함이나 기타 품질 문제가 있는 경우, 이 길고 힘든 과정을 반복해야 하므로 가동 중단 시간이 길어지거나 기타 심각한 비즈니스 결과를 초래할 수 있습니다.

공급망 위험 관리를 위한 도구

3D 프린팅 플랫폼을 통해 제조업체는 이러한 장애물과 불확실성을 피할 수 있습니다. 클라우드 기반의 분산형 제조 모델을 사용하면 필요할 때 필요한 정확한 위치에서 올바른 부품을 신속하게 프린팅할 수 있습니다. 개별 프린터를 여러 지역에 배치할 수 있습니다. 다음과 같은 이유로 3D 프린팅 소프트웨어를 사용하면 클라우드 기반 디지털 인벤토리에 저장된 부품을 전송하여 네트워크 내의 모든 3D 프린터에서 프린팅할 수 있습니다.

제조업체는 CAD 파일 하나만 있으면 도면부터 파트 제작까지 사내에서 모두 처리할 수 있으므로 타사에 대한 의존도와 배송 문제, 물류 복잡성, 업스트림 공급업체에서 발생하는 문제 등 관련 위험을 제거할 수 있습니다.

3D 프린팅은 기존 공급망 물류의 특정 단계(예: 부품을 얻기 위해 배송을 받아야 하는 일반적인 필요성)를 효과적으로 우회함으로써 공급망 중단 관련 위험을 감소시킵니다. 기계 가공해야 하는 부품의 경우 적층 제조 시스템을 사용해 신속하게 프로토타이핑하면 엔지니어는 몇 달 후에 기계 가공된 부품을 최종적으로 받더라도 예상대로 작동하리라 확신할 수 있습니다.

공급망 중단에 대한 대처

적층 제조가 지속적으로 발전하고 역량이 확대됨에 따라 3D 프린팅은 점점 더 많은 주요 공급망 문제를 해결할 수 있습니다.

알루미늄 부족으로 인한 가격 상승이 걱정돼나요? 오늘날의 전문가용 3D 프린터는 알루미늄보다 더 강한 복합재를 단 몇 시간에서 며칠 만에 만들 수 있습니다. 클라우드 기반 제조 네트워크에 기반한 분산 제조와 3D 프린터와 인더스트리 4.0 기술의 연결 덕분에 전 세계 어디에서든 작업자가 프린팅 작업을 시작하여 필요한 곳에서 프린팅할 수 있습니다.

오늘날의 연속 섬유 강화(CFR) 복합재 부품의 강도와 재료 특성 덕분에 거의 모든 부품, 심지어 가장 특수한 응용 분야의 까다로운 요구 사항을 충족해야 하는 부품을 더 빠르고 저렴하고 쉽게 대체할 수 있습니다. 이러한 고성능 복합재는 이전에 가공된 금속으로 만들어졌던 많은 부품을 대체할 수 있습니다.

금속으로 제작해야 하는 부품의 경우 금속 용융 필라멘트 제조(FFF) 기술을 사용하면 금속 3D 프린팅을 일상에서 더 쉽고, 더 안전하고, 더 간단하게 사용할 수 있습니다. 다른 금속 3D 프린터에 비해 - 더 저렴하고, 분말 사용으로 인한 취급 어려움과 안전 위험이 없으며, 고도로 숙련된 작업자가 필요하지도 않습니다.

덴마크에 본사를 둔 Vestas는 전 세계에 풍력 터빈을 설계, 제조, 설치 및 서비스하는 글로벌 풍력 에너지 선도 기업입니다. 86개국에 풍력 터빈을 보유한 Vestas는 육상 및 해상 풍력 터빈과 풍력 터빈 블레이드를 제조하는 세계 최대 규모의 제조업체입니다. Vestas는 전 세계 15개 이상의 제조 공장을 운영하고 있습니다.

코퍼레이트 나이츠(Corporate Knights)가 선정한 글로벌 100대 기업 순위에서 가장 지속 가능한 기업으로 Vestas가 1위로 선정되었습니다. 이 회사는 2030년까지 순탄소 배출 제로를 목표로 지속 가능성을 위해 적층 가공을 활용하고 있으며, 2040년까지 폐기물 제로 풍력 터빈을 생산할 계획입니다.

공급망 문제:

Vestas의 경우 각 제조 시설과 설치 현장에는 많은 중요한 도구와 부품이 필요합니다. 제조 및 설치 프로세스에서 정밀도와 정확성을 보장하려면 검사 게이지와 같은 도구가 필요합니다. 풍력 터빈은 고가의 기계이며 다운타임으로 인해 많은 비용이 발생할 수 있기 때문에 제조 및 설치 과정에서 오류가 발생해서는 안됩니다.

Vestas는 역사적으로 전 세계 여러 공급업체에 많은 부품 제조를 아웃소싱해 왔습니다. 검사 게이지 및 상단 중앙(TC) 마킹 도구와 같은 각 부품에 대한 자세한 제조 지침이 제공됩니다. 그런 다음 완성된 부품은 Vestas의 제조 시설과 설치 현장으로 보내집니다.

하지만 중요 부품의 제조를 아웃소싱하면서 몇 가지 문제가 발생했고, 결국 최종 제품 배송 및 설치가 지연되었습니다:

• 타사 제조업체에서 공급하는 최종 검사 게이지 중 상당수는 사양에 100% 부합하지 않아 최종 검사를 통과하지 못했습니다.
• 특수 검사 프로세스를 통과한 부품을 제조하는 데는 시간과 비용이 많이 들었습니다. 리드 타임은 일부 부품의 경우 평균 약 5주, 다른 부품의 경우 최소 12주 정도 소요됩니다.

공급망 솔루션:

Markforged의 연속 섬유 강화(CFR) 복합재 부품의 강도와 재료 특성은 다음과 같습니다. Onyx로 만든 CFR 복합재 부품의 우수한 강도 덕분에 이전에 기계 가공했던 많은 부품을 현장에서 Markforged의 산업용 3D 프린터 (X7)로 현장에서 3D 프린팅할 수 있습니다.

Vestas는 이러한 공급망 문제를 적층 제조로 해결하기 위해 클라우드 기반의 디지털 포지 플랫폼을 도입하고, 2021년에 직접 디지털 제조(DDM) 프로그램을 시작했습니다. Markforged Eiger™로 연결된 Vestas의 여러 현장에 있는 3D 프린터 네트워크를 통해 3D 프린터 소프트웨어를 사용하면 적층 제조에 대한 전문 지식이 거의 없거나 전혀 없는 Vestas의 모든 직원이 2000개 이상의 부품으로 구성된 클라우드 기반 디지털 인벤토리에 쉽게 액세스할 수 있습니다.

이 디지털 저장소 덕분에 Vestas 직원들은 전문가 없이도 전 세계 어디에서나 즉시 사양에 맞는 부품을 프린팅할 수 있습니다. 디지털 포지의 정확한 디지털 사양을 사용하여 프린팅된 부품이 규정 준수 테스트에 실패할까 봐 걱정할 필요가 없습니다. Vestas는 프린팅 중 검사, 분석 및 보고를 위한 Markforged Inspection 소프트웨어를 사용하여 도구의 정확성을 확인할 수 있습니다.

제조 리드 타임이 5~12주에서 1~2일로 대폭 단축됩니다. 각 부품에 대한 비용이 획기적으로 절감되었고, 지속적인 배송 및 운임 비용도 사라졌습니다.

포트 어윈 국립 훈련 센터(NTC)는 미육군의 주요 훈련 기지입니다. 캘리포니아주 샌버나디노에 위치한 NTC는 미국의 발전을 위해 실제와 같은 합동 및 연합 무기 훈련을 제공합니다. 미육군의 병사들과 지도자들이 전장을 누비고 있습니다. 이들은 전 세계 어디로 파병될지 모르는 군인들을 훈련시킵니다.

공급망 문제:

포트 어윈 국립 훈련 센터(NCT)는 실제와 같은 전장 훈련을 제공하기 위해 군용 차량과 장비 등 많은 특수 자원이 필요합니다. NTC는 파병을 위해 새로운 병사들을 지속적으로 훈련시키기 때문에 장비는 반복적인 사용으로 인해 엄청난 마모를 겪게 됩니다.

훈련 중 부품이 고장 나면 병사들이 훈련 센터에서 사용할 수 있는 자원이 감소됩니다. 포트 어윈 국립 훈련 센터는 외딴 곳에 위치해 있기 때문에 부품 교체에 최대 3개월의 리드 타임이 소요될 수 있습니다.

부품 하나만 파손되어도 장비나 차량을 완전히 사용할 수 없게 되는 등 훈련대원들의 훈련 품질에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

공급망 솔루션:

금속 3D 프린팅 (Metal X System), Markforged X3 및 데스크톱 3D 프린터 (Mark Two)를 이용하여, 현장에서 적층 제조를 도입함으로써 미육군 NTC는 준비태세를 갖추고 훈련에 사용할 장비와 차량의 가용성을 유지할 수 있었습니다.

미육군의 Markforged 복합재 프린터는 개인 보호 장비(PPE), 군용 차량 부품(창문 와이퍼 브래킷, 해치 플러그 등), 각종 공구 및 기타 소량 생산 부품을 프린팅하는 데 사용되었습니다.

특정 애플리케이션 하나가 미육군에서만 24만 4,000달러를 절약했습니다. 이 애플리케이션은 차량에 장착하는 해치 플러그로, 저조도 환경에서 운전자의 야간 시야를 확보하는 데 사용됩니다. 해치 플러그는 생산이 중단되어 더 이상 구할 수 없는 특정 구성품의 중요한 소량 교체 부품입니다. 자체 적층 제조 플랫폼이 없다면 해치 플러그를 재생산하는 데 약 10,000달러의 비용이 들고 3개월의 리드 타임이 소요될 것입니다. 디지털 포지에서 해치 플러그는 Onyx 로 프린팅하거나 17-4PH Stainless Steel을 이용하여 800달러에 프린팅할 수 있습니다.

Automation Alley는 미시간주 트로이에 위치한 비영리 인더스트리 4.0 지식 센터입니다. 미시간의 지역 중소 제조업체가 4차 산업혁명을 수용하여 인더스트리 4.0 활동을 확장하여 혁신하고, 복원력을 높이고, 민첩성을 개선할 수 있도록 지원하는 것이 이들의 사명입니다.

공급망 과제:

전 세계적으로 팬데믹이 지속되고 있는 상황에서 코로나19를 완화하기 위한 노력은 개인보호장비(PPE) 공급망의 심각한 공백으로 인해 많은 어려움을 겪고 있습니다. 2022년에도 공급망의 지연과 부족이 계속되고 있는 상황에서 의료 장비는 시간에 쫓기는 수요에 신속하게 대응하여 제조하는 것이 거의 불가능합니다.

또한, 최종 부품 생산을 시작하기 전에 툴링을 만들어야 하는 기존 제조 공정으로는 긴급한 수요에 대응하여 의료 장비를 적시에 생산할 수 없습니다. 사출 성형과 같은 공정은 생산의 초기 단계를 시작하기까지 몇 주가 더 걸립니다.

공급망 솔루션:

2020년 미시간주 오클랜드와 매콤 카운티에서 CARES ACT의 보조금을 받은 Automation Alley는 세계 최대 규모의 분산형 제조 네트워크인 Project DIAMOnD(분산형, 독립형, 민첩한 주문형 제조)를 시작할 수 있었습니다.

프로젝트 DIAMOnD의 목적은 인더스트리 4.0 활동을 확장할 수 있도록 지원하여 현지 제조업체의 민첩성과 복원력을 향상하는 동시에 주문형 물리적 물체 프린팅을 위한 대규모 비상 대응 네트워크를 구축하는 것입니다. 미시간 주 전역의 중소 제조업체에 Markforged 3D 프린터를 공급하는 대신 제조업체는 요청이 있을 경우 일선 의료진에게 필요한 의료 장비(예: 일선 의료진용 개인보호장비)를 프린팅하게 됩니다.

2022년 4월, 300여 대의 Markforged 프린터로 구성된 긴급 대응 네트워크가 처음으로 활성화되었습니다. Project DIAMOnD 네트워크는 Onyx 지혈대 클립을 대량 생산하여 의료 지원이 필요한 우크라이나 사람들을 돕기 위해 해외로 배송하는 데 사용되었습니다.

300대가 넘는 3D 프린터 간의 대량 프린팅 작업을 조율하는 것은 복잡하고 어려운 작업처럼 보입니다. 하지만 3D 프린팅 소프트웨어 를 사용하면서 간단해졌습니다.

Eiger는 부품 파일을 위한 디지털 저장소를 제공했고, Automation Alley는 버튼 클릭 한 번으로 지혈대 클립 디자인을 전체 네트워크에 즉시 배포하여 각 프린터의 대기열에 추가할 수 있었습니다.

미국 텍사스주 콘로에 본사를 둔 Cabin Management Solutions(CMS)은 고급 개인 및 비즈니스 제트기를 위한 객실 제어 및 엔터테인먼트 시스템을 설계하고 설치하는 항공우주 회사입니다. CMS는 항공기 유지보수, 수리 및 정비(MRO) 회사 및 개인 소유주와 협력하여 이러한 맞춤형 항공기 인테리어 솔루션을 제공합니다.

공급망 과제:

회사는 객실 관리 유지 보수, 업그레이드 및 교체와 관련된 긴 리드 타임과 높은 비용을 대체할 대안을 비용 효율적으로 신속하게 제공하기 위해 설립되었습니다. 그러나 비즈니스의 많은 측면에서 시간이 많이 소요되기 때문에 잠재적으로 프로젝트 일정이 길어지고 고객 리드 타임이 길어질 수 있습니다.

• 각 맞춤형 일회성 작업은 일반적으로 부품을 설계, 제조하고 기존 항공기 레이아웃에 맞춰야 하므로 시간이 많이 걸립니다. 이러한 부품의 생산 도중에 고객의 요청이 변경되는 경우가 드물지 않기 때문에 CMS는 즉시 수정할 수 있는 민첩성을 유지해야 하며, 빠른 리드 타임이라는 가치 제안을 지키기 위해 고객의 프로젝트를 적시에 완료해야 합니다.
• CMS의 수리 및 업데이트 작업 중 상당수가 고급 제트기에 대한 것이기 때문에 이러한 프로젝트에는 생산이 중단된 특정 부품과 구성품이 필요한 경우가 많습니다.
• CMS는 프로젝트에 사용하는 각 부품과 자재에 대해 철저한 테스트와 품질 추적을 통해 연방항공청(FAA)의 승인을 받아야 합니다.

공급망 솔루션:

필요한 부품과 구성 요소를 사내에서 생산할 수 있는 산업용 3D 프린터 Markforged X7을 도입한 CMS은 이제 더 많은 작업을 처리하고 각 개별 프로젝트의 완료 속도를 높일 수 있습니다.

X7에서 탄소 섬유로 강화된 Onyx FR 사용하면 최종 사용 부품을 빠르게 생산할 수 있습니다. 심미성이 가장 중요한 CMS의 가시적인 애플리케이션의 경우에도 X7에서 프린팅한 부품은 추가적인 후처리가 필요하지 않습니다.

또한 Onyx FR은 UL 94 V-0 등급의 난연성 인증을 받은 재료입니다. Onyx FR로 프린팅된 부품은 강도가 우수하고 무게가 가벼우며 모든 애플리케이션에서 FAA 규정 준수를 신속하게 달성하는 데 필요한 난연성을 제공합니다.

한 특정 프로젝트에서 CMS는 100가지가 넘는 제트기용 부품을 X7을 이용하여 프린팅했습니다. 부품에는 조절 가능한 터치 스크린 브래킷, 조명 스위치 패널, USB-C 및 드롭인 USB-A 충전기, 실내 온도 조절기, 래치, 해제 버튼 등이 포함되어 있습니다.

Nieka Systems는 캐나다의 광업 및 시멘트 생산 업계 고객을 위한 붕산염 융합 시료 준비 장비 제조업체입니다. Nieka의 기계를 사용하면 광석과 시멘트 샘플을 유리 디스크에 융합하여 정밀한 성분 분석을 준비하고 품질 관리를 지원할 수 있습니다.

Nieka의 기계는 섭씨 1000도가 넘는 백금 도가니에서 용융 붕산염 플럭스에 재료 샘플을 혼합하고 녹이는 방식으로 작동합니다. 이 백금 도가니는 도가니와 기계를 연결하는 얇은 금속 클립으로 가스 버너 또는 전기 발열체 위에 매달려 있습니다. 샘플이 플럭스에 완전히 녹으면 기계는 도가니를 뒤집어 녹은 내용물을 백금 금형에 부어 냉각시킵니다. 나중에 실온에서 준비된 샘플을 제거하고 별도의 기계에서 X-레이를 통해 분석할 수 있습니다.

공급망 과제:

처음에 Nieka는 인코넬 기반의 도가니 클립 제조를 타사 서비스 업체에 아웃소싱하여 3D 프린팅을 진행했습니다. 하지만 리드 타임은 느리고 변동성이 커서 예측하기 어려웠습니다.

Nieka의 제품은 전 세계 20여 개국의 고객에게 제공될 정도로 성장하는 기업이었습니다. 하지만 아웃소싱에 의한 느린 리드타임과 불확실성으로 인해 제품에 대한 글로벌 수요를 따라잡을 수 있을지 불확실성이 커지고 있었습니다.

공급망 솔루션:
Metal X System을 통해 적층 제조를 사내에 도입한 Nieka는 일관되고 예측 가능한 리드 타임으로 인코넬 도가니 클립을 획기적으로 단축하여 제조할 수 있었습니다.

인코넬 도가니 클립의 각 배치는 처음부터 끝까지 단 4일 만에 제작하여 사용할 수 있습니다. 타사 제조업체의 평균 리드 타임이 배치당 4주 이상인 것과 비교하면 리드 타임이 86% 단축된 것입니다.

도가니 클립의 각 배치를 생산하는 비용도 타사 제조업체에 생산을 아웃소싱하는 비용보다 10배나 저렴합니다. Nieka System의 설립자인 루이스 크로이세티에 박사는 Nieka가 이 애플리케이션으로만 연간 평균 108,000 캐나다달러를 절약하고 있다고 추정합니다.