적층 제조, 대형 해양 구조물의 유연성과 효율성 향상

비용이 많이 드는 전용 공구 개발이나 구매 없이 다양한 부품 반복 제작이 가능하다는 점이 적층 제조(AM)가 시제품 제작에 자주 사용되는 이유다. 그러나 소재와 프린팅 기술이 지속적으로 개선되면서, 더 많은 기업이 AM의 속도와 다용성을 최종 사용 부품으로 확장하고 있다. 특히 신속한 신규 설계 생산이 강점인 소량 생산이나 일회성 애플리케이션에서 그렇다.

최근 두 기업이 복합소재 AM 기술이 자율 무인 잠수정(AUV)과 모터보트 같은 대형 해양 구조물 맞춤화에 구현 솔루션이 될 수 있음을 입증했다.

대형 포맷 3D 프린팅으로 맞춤형 AUV 생산 실현

자율 무인 잠수정은 보트나 인간 조종사의 원격 제어 없이 수중을 이동할 수 있는 무인 로봇 차량으로, 방어, 해양 연구, 해양 조사 등 다양한 용도로 카메라나 센서를 장착한다. 일반적으로 AUV 외피는 하나의 큰 금속 내압 용기이거나 열성형 플라스틱 또는 복합소재로 제작된다. 하지만 두 옵션 모두 전용 공구 개발과 구매가 필요해 비용이 많이 들고 AUV 고객 맞춤화를 제한한다. AUV 제조사 다이브 테크놀로지스(Dive Technologies, 미국 매사추세츠주 퀸시)는 복합소재 3D 프린팅이 기존 제조의 많은 한계를 해결함을 발견했다.

2018년, 다이브 테크놀로지스 공동 창업자 빌 레보(Bill Lebo), 제리 스고보(Jerry Sgobbo), 샘 루소(Sam Russo)는 고객 요구인 장시간 운항과 대용량 페이로드를 충족하는 새롭고 더 강력한 AUV를 설계하고 출시하기 위해 회사를 설립했다.

그들이 개발한 것은 다이브-엘디(DIVE-LD)로, 길이 19피트(약 5.8m), 직경 4피트(약 1.2m) 상업용 AUV로, 수심 6,000m 잠수와 500마일(약 800km) 항속, 최대 1입방미터 페이로드 탑재가 가능하다. 처음엔 최종 구조물 외피에 열성형 플라스틱을 사용할 계획이었다. 설계 탐색과 테스트를 위해 다이브 테크놀로지스는 오크리지 국립연구소(ORNL, 미국 테네시주 오크리지)에 3D 프린팅을 이용한 신속 프로토타이핑을 문의했다. ORNL을 통해 다이브 팀은 대형 포맷 적층 제조(LFAM) 전문 기업 애디티브 엔지니어링 솔루션(AES, 미국 오하이오주 애크론)을 소개받고 AUV 선체 폼 제조 공정 개발에 착수했다.

3D 프린팅 시제품 작업 과정에서 다이브 테크놀로지스는 LFAM이 시제품뿐만 아니라 완제품 부품도 신속 생산할 잠재력이 있음을 깨달았다. 3D 프린팅 시제품 부품이 예상보다 부품 요구사항을 더 잘 충족했을 뿐만 아니라, 생산 차량에 AM을 채택하면 공구 비용 절감, 기존 방식보다 빠른 최종 제품 생산, 고객을 위한 새로운 차원의 신속 맞춤화가 가능해진다.

다이브-엘디의 외피는 AES의 신시내티(Cincinnati Inc., 미국 오하이오주 신시내티) BAAM(Big Area Additive Manufacturing) 3D 프린터 4대 중 하나로 프린팅된 9개의 튜브형 페어링으로 구성된다. 이 페어링은 사빅(Sabic, 사우디아라비아 리야드) 공급 다진 섬유 충전 ABS로 프린팅된다. AES 공동 창업자이자 부사장 앤드류 베더(Andrew Bader)에 따르면, AES는 완전한 선체용 모든 부품을 이틀 이내에 프린팅할 수 있다. 다이브에 인도되면 3D 프린팅된 페어링은 페어링당 4개 패스너로 기계적으로 체결되고, 매끄러운 유체역학적 외피 표면을 위해 코팅된다. 2020년 초기 테스트 성공 후, 다이브는 올봄 첫 고객용 차량을 제작하여 2021년 6월 첫 주문 납품 예정이다.

루소에 따르면 AM은 다이브 테크놀로지스 미래 차량과 제품의 가치 제안 핵심 요소가 되었다. 다이브와의 파트너십은 AES와 복합소재 3D 프린팅에도 큰 진전이다. 베더는 "보통 3D 프린팅하면 시제품, 지그, 공구를 떠올리는데, 이 기술이 그 이상을 할 수 있음을 보여줍니다."라고 덧붙인다.

다이브 테크놀로지스와 AES에 대한 더 자세한 내용은 "대형 포맷 3D 프린팅, AUV 무공구 신속 생산 실현"을 참조하세요.

연속 섬유 AM과 자동화로 다재다능한 모터보트 설계 실현

2015년 연속 섬유 제조(CFM) 공정 특허 이후, 모이 컴포지츠(Moi Composites, 이탈리아 밀라노)는 로봇 팔, UV 경화, '하이브리드' 제조(3D 프린팅 구조 코어 위에 전통적인 복합소재 적층)를 특징으로 하는 자사의 증착 기반 연속 섬유 3D 프린팅 CFM 기술의 다양한 응용 분야를 탐구해왔다. 최근 이 회사는 데모용 모터보트 맘보(MAMBO)를 통해 CFM 기술이 더 비용 효율적이고 빠르며 혁신적인 해양 구조물 설계 솔루션이 될 수 있음을 입증했다.

모이 컴포지츠 공동 창업자 가브리엘레 나탈레(Gabriele Natale)에 따르면, 그와 동료 공동 창업자 미켈레 토니초(Michele Tonizzo)는 2017년 제노바 보트 쇼에 참석하여 많은 보트 선체에 사용되는 공구 비용과 전통적인 유리섬유 인퓨전 공정이 보트 디자이너의 새롭고 복잡한 설계 탐구 능력을 제한함을 깨달았다. 자사의 무금형 연속 섬유 3D 프린팅 기술이 구현 솔루션이 될 수 있음을 인지한 나탈레는 "그때부터 계획을 세우고 해양 업계 파트너들과 만나기 시작했습니다."라고 말한다.

그 결과 탄생한 맘보 보트는 길이 6.5m, 너비 2.5m, 건조 중량 약 800kg으로, 내비게이션 시스템, 코르크 바닥, 흰색 가죽 시트, 115마력 엔진을 장착했다. 모이 컴포지츠는 해양 설계 엔지니어링 스튜디오 미카드(MICAD, 이탈리아 레체)와 보트 구조 설계 컨셉을 협업했는데, 소니 레비(Sonny Levi)의 유명한 아치디아볼로(Archidiavolo) 쌍동선에서 영감을 받은 유기적 형태를 구조 요소에 결합했다. 오토데스크(Autodesk, 미국 캘리포니아주 산 라파엘) 퓨전 360 CAD와 넷팹(Netfabb) 적층 제조 소프트웨어가 부품 설계와 유체 역학 분석에 사용되었다.

보트 선체와 데크는 오웬스 코닝(Owens Corning, 미국 오하이오주 톨레도) 공급 단방향 E-유리섬유와 비닐 에스테르 수지로 프린팅되었으며, 크기가 다양한 50개 개별 섹션으로 제조되도록 설계되었다. 절반은 모이 컴포지츠 밀라노 시설에서, 나머지 절반은 파트너 오토데스크의 버밍엄 첨단 제조 시설(ACF, 영국)에서 프린팅되었다. 두 시설 모두 모이 컴포지츠 CFM 3D 프린팅 기술과 듀얼 쿠카(Kuka, 독일 아우크스부르크) 로봇이 사용되었다. 오토데스크 적층 제조 팀 연구 매니저 도미니크 뮐러(Dominique Müller)에 따르면, 오토데스크 기술 센터의 CFM 시스템으로 보트를 신속히 프린팅할 수 있었고, 오토데스크 소프트웨어를 사용하여 모이가 원격으로 구동하는 기술을 더 잘 이해할 수 있었다. 총 프린팅 시간은 약 2개월 소요되었다.

프린팅된 부품은 이탈리아 미지아노의 캣마린(Catmarine) 조선소로 운송되어 조립되고 접착제로 본딩되었다. 모이가 보철물과 다른 부품에 사용한 것과 유사한 하이브리드 제조 공정으로, 선체 전체를 PVC 폼 코어된 추가 유리섬유/폴리에스터 층으로 핸드 레이업 라미네이팅했으며, 나탈레에 따르면 구조에 따라 두께가 달라진다. 선체와 데크가 완전히 조립, 샌딩, 젤코팅된 후, 모이 컴포지츠 파트너들이 추진, 내비게이션 등 시스템을 장착하여 보트를 완성했다.

2020년 가을 초기 해상 시험과 안정성 테스트에서 맘보가 최대 26노트 달성; 모이 컴포지츠는 2021년 여름까지 해상 시험을 계속하며 보트 인증을 목표로 한다.

"적층 제조, 디지털화, 자동화는 새로운 컨셉과 미래 지향적 프로젝트 생성을 가속화할 수 있습니다. 보트마다 새로운 금형을 만들어야 하기 때문입니다. 이 기술로 3D 모델을 쉽게 수정하고 다시 프린팅할 수 있습니다. 이는 특히 소량 생산이나 일회성 보트에 완벽합니다."라고 나탈레는 말한다.

맘보에 대한 더 자세한 내용은 "맘보, 대형 해양 구조물 3D 프린팅의 물살을 가르다"를 참조하세요.