독일항공우주센터(DLR), 산업용 연속섬유 3D 프린팅 플랫폼 '임파워액스(EmpowerAX)' 공개

독일항공우주센터(DLR)는 우주 발사체, 항공기, 디지털 기술, 차세대 모빌리티 등 모든 분야에서 혁신을 주도합니다. 복합소재 분야에서는 열가소성 복합소재 용접, 1차 항공구조물 액체 수지 인퓨전, 복합소재 4.0 지능형 생산 시스템 등 광범위한 기술을 발전시켜 왔습니다.

이제 DLR 복합구조 및 적응시스템 연구소(브라운슈바이크, 독일)가 연속섬유 복합소재 3D 프린팅의 산업화를 지원하고자, 적층 압출(Additive Extrusion) 기술 사용자와 공급자를 위한 수요 지향적, 산업 다각화, 글로벌 플랫폼 '임파워액스(EmpowerAX)'를 구축합니다.

DLR은 ITHEC 2020에서 임파워액스를 논의했으며, 저는 DLR의 크세니아 슈umpf(Xenia Stumpf)와 마익 티체(Maik Titze)와 후속 인터뷰를 진행했습니다. 여기서 제가 배운 내용을 공유합니다.

복합소재 3D 프린팅의 직접 섬유 통합 컨셉. 정보 출처: 알렉산더 마친스키(Alexander Matschinski), 뮌헨 공대 탄소복합소재 석좌(LCC) 주최 AFP·AM 버추얼 심포지엄, 2020년 9월. 사진 제공: "3D printing with continuous fiber: A landscape", CW 2020년 10월호.

왜 적층 압출인가?

"우리는 열가소성 수지를 이용한 섬유 함침 기술 개발로 더 산업적이고 비용 효율적인 생산을 추구합니다." DLR 복합구조 및 적응시스템 연구소에서 적층 제조를 담당하는 마익 티체가 설명합니다. "여기에는 자체 산업용 프린트 헤드 설계와 소재·공정 분석·시험 방법 개발이 포함됩니다." 그는 연속섬유 적층 압출이 강도·강성 향상뿐 아니라 센싱·전기 기능 통합 가능성도 제공한다고 덧붙입니다. 적층 압출은 열가소성 수지와 연속섬유를 결합해 고비용 툴링 회피, 생산 효율 향상, 신규 설계 구현을 가능하게 하는 다기능 구조물을 만듭니다.

"적층 제조가 모든 기존 복합소재 공정을 대체하진 않을 것입니다." 티체가 인정합니다. "하지만 자동 섬유 적층(AFP)이나 필라멘트 와인딩 같은 공정과 결합해 새로운 솔루션과 가치를 창출할 수 있습니다. 우리는 연속섬유 3D 프린팅만 다루므로 임파워액스는 매우 집중되어 있어 높은 수준의 성과를 낼 수 있습니다. 하지만 적층 압출 내에서는 기술 중립적입니다. 특정 기술을 밀어주지 않습니다."

글로벌, 다각화된 플랫폼

"현재 어떤 기술이 내 용도에 적합한지, 내 산업 환경과 용도에 맞게 어떻게 적응해야 할지 파악하기 어렵습니다." 티체가 계속합니다. "우리의 목표는 공급자와 사용자를 포함한 가용 스펙트럼을 살펴보고, 항공우주, 자동차, 의료, 산업 등 시장 섹터를 아우르는 다각화된 플랫폼을 구축하는 것입니다. 이 플랫폼 임파워액스를 통해 중립적 기술 평가가 가능해지고, 산업과 협력해 표준화와 자격 인증 방안을 개발해 기술 활용 편의성을 높일 것입니다. 기술 공급자·사용자와 새로운 규격을 만드는 게 아니라, 기술 평가를 어떻게 하고 어떤 성능 지표를 쓸지 합의하는 것이 핵심입니다."

임파워액스 회원가입은 자발적이며 글로벌합니다. 업무 언어는 영어입니다. 현재 30개 이상 회원사가 기술 공급자와 대형 기술 사용자로 구성되어 있습니다. "내부적으로 연간 최대 6명 인건비만큼 지원됩니다." 티체가 말합니다. "이들이 글로벌 플랫폼 유지에 필요한 작업을 지원합니다. 회원들은 정보를 공개하지 않고 임파워액스 회원끼리만 공유하는 조건으로 협력하기로 합의했습니다. 현재 회비는 무료지만, 이미 연속섬유 적층 압출에 관여하는 조직만 가입받습니다. 2021년 5월 이후 회원 가입을 더 확대할 예정입니다." 다른 유일한 요건은 "정보를 공유하고 기여할 의지가 있어야 합니다. 단순히 받아가기만 해선 안 됩니다. 수동적 회원은 없습니다."라고 티체가 덧붙입니다.

기술 스크리닝 단계

티체에 따르면 아이디어는 이미 복합소재를 쓰는 산업에 기술 이전만 하는 게 아니라, 임파워액스를 복합소재 시장과 용도 확대의 인에이블러로 삼는 것입니다. "예컨대 의료 산업에서 어떤 특수 요건이 필요할까요? 이를 충족하려면 무엇을 해야 할까요? 산업 생산 환경에서 필요한 품질을 어떻게 보장할 수 있을까요?"

이 질문들에 답하기 위해 임파워액스는 위 다이어그램과 같은 단계적 접근을 제안합니다. "첫 단계는 기술 스크리닝입니다." 티체가 말합니다. "잠재 사용자로서 기술이 내 용도에 맞는지 보려면 기하학적 제약, 생산 물량, 부품/기능 통합 요건 등을 살펴봅니다. 모든 회원이 사전 합의한 약 15개 파라미터(비강도, 비강성 등) 목록에 따라 각 기술의 적합성을 사전 식별합니다. 따라서 소재/기술 공급자와 협력해 표준 파라미터 데이터를 확보하고 사전 평가합니다. 소재/기술 공급자의 데이터시트로 표준 파라미터 데이터를 얻습니다. 예컨대 가용 10개 솔루션 중 1단계에서 3개로 압축한 뒤 데이터 평가를 시작합니다."

다음 단계는 구체적 요건 평가입니다. 예컨대 철도나 항공기 인테리어 용도라면 난연·연기·독성(FST) 성능 파라미터가 필요합니다. "이후 각 기술이 내 용도에 맞게 작동하려면 어떤 커스터마이징이 필요한지, 그에 드는 노력은 어느 정도인지 정의합니다."

목표는 주어진 용도에 대한 최종 후보 기술들이 기술적 타당성 측면에서 어떻게 평가되는지, 산업용으로 기술 이관하는 데 얼마나 많은 작업/시간/비용이 드는지 정량화하는 것입니다. "이 평가 단계를 거치면 각 기술을 내 용도에 적용하기 위해 필요한 단계가 무엇인지 쉽게 이해할 수 있게 됩니다." 티체가 설명합니다. "기술 공급자 입장에서는 신규 시장 기술 이관이 빨라지고 투자와 노력이 줄어듭니다. 또한 자신들의 기술 강점이 잘 맞는 진짜 비즈니스 케이스를 식별할 수 있습니다."

표준화와 자격 인증

임파워액스 비전의 또 다른 핵심은 적층 압출 기술의 표준화와 자격 인증을 지원해 성숙도를 높이는 것입니다. "이미 어떤 표준들이 있는지, 이 기술들에 어떤 게 적용될지 연구했습니다. 예컨대 ASTM, ISO, VDI(독일 정부 표준) 내에서요." 티체가 말합니다(위 애니메이션 이미지 참조). "표준 시험들을 살펴보고, 뭐가 되고 안 되고, 어떤 수정이 필요한지 봅니다. 이 작업은 대부분 기업이 피하고 싶어 하는 지루하고 시간 많이 들고 비싼 일입니다. 업계 전체가 이런 노력을 중복하지 않는 게 훨씬 낫습니다. 따라서 산업계로부터 폭넓은 입력을 받아 투명하게 산업계에 공개하며 더 빠른 표준 달성을 지원하는 게 우리 목표입니다."

"또한 특정 적층 압출 기술을 다른 공정 단계와 결합하면 통합하고 품질보증 표준을 구현해야 합니다." 티체가 지적합니다. "여기에는 비파괴 검사(NDT), 센서, 소프트웨어가 포함됩니다. 가능한 결함과 공정 편차 카탈로그 작성을 이미 시작했습니다. 어떻게 예방하고 탐지할까요? 발생 시 어떻게 시정할까요? 그러면 가능한 NDT와 공정 모니터링 옵션 데이터베이스를 구축할 수 있습니다."

임파워액스 타임라인

"첫 목표는 현재 산업적으로 가용한 것에 대한 프레임워크를 제공하는 것입니다." 티체가 말합니다. "시스템 스펙트럼을 더 열려는 게 아니라, 현재 뭐가 있고 어떻게 쓸 수 있는지 보여주려 합니다. 체계적 테스트와 평가만으로도 개선이 있을 거라 봅니다. 현재 기술로 가능한 것을 보여주는 것에도 이점이 있습니다. 또한 장애물을 식별해 이를 극복하는 논의를 통해 기술 추가 성숙과 성공적 산업 적용을 이끌어낼 것입니다."

"적층 압출은 오토클레어나 수지 인퓨전 공정 대비 복합소재 초보자 기업에 더 쉬운 길이 될 수 있습니다." 티체가 덧붙입니다. "산업적 결과물에도 잘 맞습니다. 임파워액스는 적층 압출 복합소재 활용을 막아온 장애물을 살펴보고 산업적 용도를 다루는 것이기도 합니다. 예컨대 현재 단점은 공정 반복성과 안정성입니다. 기술이 상대적으로 빨리 시장에 나왔기에 아직 널리 쓰일 성숙도에 못 미친 영역들이 있습니다. 그게 바로 우리가 하는 일입니다. 무엇을 할 수 있고 무엇을 해야 하는지 보여주고, 협력적으로 그 작업을 완수해 기술과 산업 성공 사례를 함께 발전시키려 합니다."

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