100배, 1000배 빠른 3D프린팅 기술

▲ 기존보다 생산속도가 월등히 빠른 연속액체계면생산(CLIP: Continuous Liquid Interface Production) 공정. (이미지 제공: 카본, Carbon)

25년 전, 제임스 카메론 감독은 단 몇 초 만에 자유롭게 모습을 바꾸는 액체 금속 로봇을 보여줬다. 물론 이 로봇이 등장하는 <터미네이터 2>는 영화일 뿐이다. 그런데 이처럼 원하는 형태의 물체를 즉각적으로 만들어내는 비현실적인 컨셉을 실현한 3D 프린터가 등장했다.

실리콘 밸리의 스타트업 기업인 카본(Carbon)이 개발한 M1 프린터가 그 주인공이다. 먼저 프린팅 공정을 살펴보자. M1 프린터는 출력물을 제작하기 위해 먼저 평평한 제작판(Build Platform)를 액상 수지 탱크에 담근다. 그 후 아래쪽에서 자외선 LED 프로젝터가 수지 탱크의 반투명한 컨테이너 바닥면을 통해 2D 이미지(출력할 3D 물체의 단일 레이어)를 제작판에 비춘다. 자외선이 비춰지면 수지가 제작판에서 경화되기 시작한다. 점차 형태를 갖추어 가는 물체에 연속적으로 원료가 공급되면서 제작판이 위쪽으로 이동한다. 카본은 이 방식을 연속액체계면생산(CLIP: Continuous Liquid Interface Production) 공정이라고 부른다.

이 기술이 실행되는 영상(아래)은 인터넷 상에서 열광적인 호응을 얻었고, 유명 투자자들의 관심을 끌어 모았다. 업계의 선두기업들은 카본이 3D 프린팅 기술의 새로운 장을 열 것이라고 믿으며 투자를 진행하기 시작했다. 최근에는 GE, BMW 그룹, 니콘(Nikon), JSR 등이 투자자 명단에 이름을 올렸다. 이 기업들은 카본의 시리즈 C 펀딩에 8,100만 달러 이상을 투자함으로써, 현재까지 총 2억 2,200만 달러의 외부 투자금이 조성됐다.

JSR의 노부 코시바(Nobu Koshiba) 사장은 이렇게 말한다. “소수의 예외를 제외하면 현 3D 프린팅 시장은 프로토타입 제작 시장이라고 봐도 무방합니다. 카본은 3D 프린팅이라는 기술과 잠재력에 대해 굉장히 다른 관점에서 접근했습니다. 카본은 M1 프린터와 CLIP 기술을 통해 진정한 제조 혁명을 일으킬 수 있는 솔루션을 제시했습니다”

카본의 CEO이자 공동 창립자인 조셉 드시몬(Joseph DeSimone)은 이렇게 말한다. “3D 프린팅은 디지털을 물리적 현실로 구현하는 과정으로, 제대로 실행하면 모든 분야에서 진정한 설계의 자유를 얻을 수 있습니다. 카본은 사물을 제작하는 전 세계적 판도를 근본적으로 바꾸겠다는 대담한 비전을 제시했으며, 그 동안 미국 시장에서 이 비전을 실행에 옮기기 위해 노력해왔고, 이제는 글로벌 시장으로 나아갈 준비가 되었습니다”

일반적인 3D 프린터는 고온의 플라스틱 또는 소결 금속 분말을 적층하여 원하는 형태를 만드는 방식으로서, 카본의 프린터와 비교했을 때 같은 물체를 만드는 데 최소 2~3 시간 이상이 더 소요된다. 드시몬은 카본의 3D 프린터는 기존의 기계보다 이미 100배 빠르고 향후 최대 1,000배까지 속도를 높일 수 있다고 설명했다.

더 중요한 사실은 이 연속 공정으로 생산된 결과물의 기계적인 특성에 놀랍다는 점이다. M1 프린터의 반투명 컨테이너 바닥은 단순히 광투과성일 뿐만 아니라 산소까지 투과할 수 있다. 빛과 산소로 새로운 광화학 반응을 일으켜 얻은 결과물은 재료 전반의 균일성, 강도, 탄성, 진동흡수성 등 여러 물성 측면에서 기존 공정으로 제작된 결과물과 동일한 수준이다.

이러한 특성 덕분에, 엔지니어들은 복잡한 부품을 플라스틱 사출성형 공정에 사용하는 재료로 신속하게 제작할 수 있으며, 카본의 3D 프린팅 공정은 고속 부품 제조라는 목표에 한 발 더 다가섰다. 카본은 이미 자동차, 의료, 의류, 가전 등의 분야에서 완성 부품 제조에 자사 기술을 적용되고 있다고 전한다. 드시몬은 2015년 테드 강연(TED Talk)을 통해 “완성품에 사용될 수 있는 수준의 물성을 가진 부품을 엄청난 속도로 제작한다는 것은 곧 제조업계의 판도를 완전히 뒤바꾸는 것을 의미한다”고 말했다.

카본의 CLIP 공정은 재료가 핵심이다. 카본은 현재 다섯 가지 종류의 수지를 제공하고 있으며 각각 다른 특성을 지니고 있다.

경질 폴리우레탄(RPU)은 인성과 강성이 높다. 연질 폴리우레탄(FPU)은 인성이 높은 동시에 내충격성 및 내마모성이 강하다. 또 탄성 폴리우레탄(EPU)은 탄성이 높고, 늘어나거나 휘었다가 본래 제작된 형태로 복원된다. 시아네이트 에스테르(CE)는 강도와 내열성이 우수하다. 또 다른 종류의 수지(PR)는 일반적인 프로토타입 제작에 사용된다. 카본의 재료 과학자와 화학 전문가들은 투자 기업들의 연구진들과 협업하며 더 다양한 물질을 활용할 방안을 연구하고 있다.

카본과 2년 이상 협의를 진행해 온 스티브 토브(Steve Taub) GE벤처 첨단제조담당 전무이사는 GE벤처가 카본에 투자한 이유에 대해 이렇게 말한다. “카본의 기술이 가치가 높을 뿐만 아니라 카본이 적층제조 사업 모델의 혁신을 추진하기 때문입니다.” 토브는 카본의 고속 적층제조 공정에 관심을 보이는 여느 제조업체들과 마찬가지로 GE 역시 어느 사업에서 카본의 기술을 적절히 활용할 수 있을지 고민하고 있다고 전했다. 카본의 CEO 드시몬은 TED 강연을 통해 M1 프린터와 CLIP 공법이 풍력터빈 제조부터 항공기 제조 및 맞춤형 임플란트까지 어떻게 다양한 공정을 개선할 수 있는지 보여줬다.

토브는 “카본의 3D 프린터를 이용하면 제품 개발부터 출시까지의 시간을 단축할 수 있고, 더 많은 설계 자유도를 얻을 수 있다”며, “GE 내에서 카본의 기술을 어떻게 활용할지 고민 중이며, 투자기업은 고객기업과는 다른 방식으로 카본의 기술에 접근할 수 있다는 장점이 있다”고 말한다.

[출처] GE리포트코리아

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