이코노미스트 22년3월19일 | 새로운 유형의 3D 프린팅이 주류로 등장할 수 있다

It is to the old version as the printing press is to the pen

적층 제조(additive manufacturing)의 초기 형태인 3D 프린팅은 1980년대에 등장하기 시작했다. 하지만 이 기술이 상용화 되는 데에는 10년 이상이 걸렸다. 처음에는 프로토타입을 만드는 데 사용되었다. 그러나 이제는 제트 엔진과 로봇에서부터 자동차에 이르는 다양한 제품에, 3D 프린팅된 플라스틱이나 금속 부품이 들어가게 되었다.

 

 

산업 조사기업인 Wohlers Associates의 보고서에 따르면, 3D 프린팅 서비스 및 장비 매출은 2021년에 17%정도 성장하여 약 150억 달러에 달하게 되었다. 그러나 이 적층 제조가 유용성을 더하는 만큼, 전통적인 제조방법, 즉 금형에 용융 플라스틱을 주입하거나 대형 프레스기로 금속 부품을 찍어내는 방식 대비 비용 및 속도 면에서 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있다.

그 결과, 대부분의 제조업체는 3D 프린터를 사용하여 소량의 고부가가치 부품을 생산하고 있다. 3D 프린터가 요하는 추가적인 시간과 비용은 어떤 품목에 대해선 충분히 가치가 있을 수 있다. 물질을 층별로 쌓아가면서 제품을 생성하므로 구현하기 까다로운 내부 구조가 전체 디자인에 보다 쉽게 통합된다. 또한 강도와 경량성 측면에서 형태가 최적화 되기 때문에 재료가 절약될 수 있다. 이러한 이점이 기존 공장 공정의 속도와 비용으로 실현된다면 어떨까? 새로운 형태의 적층 제조는 바로 이것을 목표로 하고 있다.

「국지 인쇄Area Printing」라고 하는 상표가 붙은 이 프로세스의 기원은 2009년으로 거슬러 올라간다. 스탠포드 대학에서 기계공학 석사 학위를 마친 제임스 드무스는 미국 에너지부의 로렌스 리버모어 국립연구소(llnl)에 있는 국립 점화 시설에서 일하기 시작했다. 여기에선 핵융합을 연구하기 위해 세계에서 가장 강력한 레이저를 사용한다.

DeMuth가 해결해야 할 과제 중 하나는 매우 특수한 유형의 강철을 사용하여 다양하고 복잡한 기능을 탑재한 12미터 폭의 융접실을 제조하는 것이었다. 그는 이 일을 위해 Laser Powder Bed Fusion(l-pbf)이라고 불리는 일종의 3D 프린팅을 고려했다. 이것은 레이저 빔을 사용하여 얇은 금속 분말 층에 입자를 용접하여 물체의 첫 번째 층에 필요한 모양을 형성한다. 그런 다음 더 많은 분말을 첨가하고 첫 번째 층 위에 두 번째 층을 용접한다. 이 과정을 제품 완성될 때까지 계속하는 것이다.

문제는 다른 대부분의 3D 프린팅과 마찬가지로, 프린팅 제품의 디테일을 좌우하는 해상도와 공정 속도 사이에 역의 관계가 있다는 점이다. 따라서 세세한 디테일을 포함한 대형 구성품은 인쇄에 수개월 또는 수일이 걸릴 수 있다. 그 방을 만드는 것은 수십 년이 걸릴 것처럼 보였다. 분명 l-pbf은 그런 용도로 사용하기에는 무리가 있었다.

이 때문에 DeMuth와 동료들은 품질을 저하시키지 않고 작업시간을 단축시킬 수 있는 방법에 대해 고민하게 되었다. 몇 가지 실험 후 그들은 llnl에서 개발한 광초점밸브(optically addressed light valve)라고 불리는 장치를 사용하기 시작했다. 이를 통해 사각 단면을 이루는 빛줄기를 가진 적외선 레이저를 고해상도 이미지로 패턴화할 수 있었다. 사진의 네거티브와 비슷하게 작동하는데, 디지털 화상을 구성하는 픽셀과 같이, 수백만 개의 작은 레이저 스팟을 생성해 빛을 차단하거나 투과시키는 식이었다.

이렇게 패턴을 이룬 레이저광이 분말층에 투영되면 전체 영역을 한 번에 용접할 수 있다. DeMuth는 이 과정을 펜으로 일일이 쓰는 것이 아니라 인쇄기로 문서를 작성하는 것에 비유했다.

 

 

Not such a dotty idea

2015년 DeMuth는 이 기술을 상용화하기 위해 Seurat Technologies를 공동 설립했다. 메사추세츠에 본사를 둔 이 회사는 점으로 그림을 만드는 점묘화라고 불리는 그림 스타일을 개척한 후기 인상주의 화가 조르주 쇠라의 이름을 따서 지어졌다. 자동차 브랜드인 GM과 폭스바겐, 독일 대기업 계열사인 지멘스 에너지, 일본 대기업 부품 회사인 덴소 등 여러 회사가 쇠라와 제휴하여 쇠라의 첫 번째 시제품 국지인쇄 기계의 사용을 모색하고 있다.

이 프로토타입은 분말 층에 패턴화 할 수 있는 일련의 작은 정사각형을 생성한다. 이 정사각형은 소재에 따라 사이즈가 달라진다. 알루미늄은 15mm, 티타늄은 13mm 정사각형이 필요하다. 강철은 10mm가 필요하다. 이 정사각형 하나하나는 작아 보일 수 있다. 그러나 초당 정사각형 40개가 한 번에 인쇄되기 때문에 넓은 면적도 신속히 커버할 수 있다. 프로토타입은 레이저의 크기와 소비되는 에너지의 양을 실제 수준으로 유지하기 위해 해당 스케일로 작동토록 설계되었다.

240만 화소씩 투영된 각 사각형을 가지고 프린터는 두께 25미크론(1밀리미터)짜리 층을 쌓아가며 부품을 인쇄한다, 시간당 3kg의 속도로. 이는 동일 해상도에서 일반 l-pbf 머신보다 10배 빠른 속도라고 DeMuth는 말한다. 국지 프린터의 상용 버전은 현재 제작되고 있으며, 차세대 프린터는 100배 더 빨라질 것으로 예상된다.

DeMuth에 의하면 이는 곧 가공(machining), 스탬프(stamping), 주조(casting) 등과 같은 대량 생산 공정과 국지 인쇄가 경쟁할 수 있음을 의미한다. 예를 들어 그는 2030년까지는 은 식기를 킬로당 25달러에 생산할 수 있을 거라 본다(이 금액은 현재 스테인리스강으로 제조될 때의 가격과 유사). “말인 즉슨,우리가 은식기를 찍어내는(stamp them out) 것보다 더 싸게 찍어낼(print) 수 있음을 의미합니다.”라고 그는 덧붙였다.

다른 레이저 기반 3D 프린터도 속도가 빨라지고 있다. 예를 들어, 복잡성 때문에 마구잡이로 수를 늘린 순 없지만, l-pbf 기계는 여러 개의 빔을 장착할 수 있다. 그리고 레이저를 활용하지 않는 다양한 인쇄기법도 개선이 이루어지고 있다. 건물에서 다리, 비스킷에 이르기까지 다양한 품목을 모든 종류의 재료를 사용해 만들어 낼 정도이다. 어떤 식으로든, 3D 프린팅은 마침내 전통적인 공장들에게 돈을 벌 수 있는 기회를 줄 준비가 된 것 같다.

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제가 재미있게 읽었던 이코노미스트지의 기사들 중 일부를 번역해서 올리고 있습니다. 이 기사를 재미있게 읽으셨다면 아래 기사도 한 번 읽어보세요: The Economist 3월 19일 주간호의 기사입니다.

THE ECONOMIST Mar 19th 2022 | 새로운 유형의 3D 프린팅이 주류로 등장할 수 있다 (현재 글)

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