아레보 2018: 산업 생산을 위한 연속 섬유 3D 프린팅 개척

CW는 2014년부터 아레보(미국 캘리포니아주 산타클라라)를 취재해 왔다. 고성능 열가소성 폴리머인 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 사용으로 알려졌으며, 3D 프린팅용 폐루프 로봇 제어 개발을 주도해 Z 방향과 3D 곡선을 따른 섬유 배치를 가능케 했다. 회사는 레이저 가열을 사용하는 직접 에너지 증착(DED) 공정으로 생산 속도를 100배 향상시키는 등 새로운 개발을 이어가고 있다.

신임 CEO 및 시리즈 B 투자 유치

짐 밀러(Jim Miller)가 3개월 전 아레보 CEO로 합류했다. 초기 아마존 직원이었으며 구글에서 8년, 최근에는 전 세계 운영 부문 VP를 역임했다. "내 커리어 대부분을 젊은 기업의 스케일업 돕는 데 썼습니다."라고 밀러는 말한다. "아레보의 복합소재 3D 프린팅 접근 방식에 매료됐고, 복잡한 구조물을 설계하고 제작하는 방식을 세상 곳곳의 다양한 애플리케이션에서 바꿀 거대한 기회를 봤습니다."

회사는 시리즈 B 파이낸싱을 완료해 1,250만 달러를 조달했으며, 아사히 글라스(AGC, 일본 도쿄)가 라운드를 리드했다. "세계 최대 자동차 유리 제조사입니다."라고 밀러는 말한다. "자동차 업계와 좋은 관계를 맺고 있으며 자동차 애플리케이션에서 새로운 복합소재 기술의 큰 기회를 보고 있습니다." 다른 투자자로는 인큐텔(In-Q-Tel, 미국 버지니아주 알링턴), 스미토모 코퍼레이션(일본 도쿄), 레슬리 벤처스가 있다. 밀러는 스미토모가 세계 최대 일본 대기업 중 하나로 석유·가스 기술 선도 기업이라며, 아레보의 3D 프린팅 기술을 건설, 운송, 인프라, 에너지 등 산업 전반에 적용하는 데 관심이 있다고 전했다.

열가소성 복합소재의 산업 생산

"새 제조 셀은 표준 산업용 로봇, 회전 빌드 플랫폼, 레이저 가열을 사용합니다."라고 밀러는 설명한다. "이 공정을 직접 에너지 증착(DED)이라 부릅니다." 레이저 안전 제조 셀 내부에 로봇이 있으며, 프린트헤드 엔드 이펙터에 독자적인 열 관리 장비, 커스텀 전자장치, 비전 시스템을 갖춰 인시투 검사를 가능케 한다. "공정은 대부분 핸즈오프/라이트아웃 방식입니다."라고 밀러는 말한다. "이 새 셀들은 생산 속도를 100배 이상 향상시킵니다." CTO 위너 몬데시르(Wiener Mondesir)는 "레이저가 무제한 에너지를 제공합니다. 이를 제어해 더 빠르게 산업 생산 속도를 달성할 수 있습니다."라고 덧붙인다. 하지만 밀러는 "기계가 얼마나 빠르게 움직이느냐, 얼마나 많은 소재를 적층하느냐의 문제가 아닙니다. 기존 복합소재 대비 4분의 1 비용으로 복잡한 구조용 복합소재를 제작하는 것입니다."라고 지적한다.

"대규모 열가소성 복합소재 부품의 경제적으로 실행 가능한 제작을 추구합니다."라고 밀러는 말한다. "비전통적 복합소재 관점에서 제조에 접근합니다." 그러나 프린트헤드는 통합 성형 기능을 갖췄으며 부품은 여전히 전통적 복합소재 품질 요건을 충족한다. "열가소성 복합소재 부품의 보이드 함량 1% 미만을 달성할 수 있습니다."라고 밀러는 증언한다. "아레보는 공정을 지속적으로 개선해 조만간 1차 구조 요건의 기계적 물성을 충족할 것입니다."

패스파인더 소프트웨어

밀러가 위에서 언급한 "비전통적 복합소재 관점"의 일부는 아레보의 디지털 설계 및 공정 소프트웨어 투자다. "전체 워크플로를 소프트웨어로 통합했습니다."라고 밀러는 말한다. "부품의 완전한 3D 분석을 제공하고 적층 FEA(AFEA) 모듈을 사용해 최적화된 섬유 배향을 개발합니다. 우리 성공의 많은 부분이 소프트웨어와 부품 생산 시뮬레이션에 의해 주도됩니다. 컴퓨터 생성 설계를 공정 시뮬레이션 소프트웨어로 돌리면 온도, 프린트 경로, 휨, 프린트 소재 수축, 잔류 응력 등 공정 파라미터가 나옵니다. 이를 통해 공정을 진정으로 이해하고 최적화해 매우 고품질의 부품을 생산할 수 있습니다."

그는 제조된 부품 물성이 시뮬레이션 물성의 5% 이내라며, 이는 기본적으로 테스트 측정 오차 범위 수준이라고 증언한다. 아레보가 머신러닝을 독특한 방식으로 활용하고 있다고도 덧붙인다.

가능성 입증

한 달 전 아레보가 시애터 이벤트(4월 19~22일, 미국 캘리포니아주 몬터레이)에서 세계 최초 3D 프린팅 자전거라고 믿는 것을 선보였다. "우리 소프트웨어와 공정이 무엇을 달성할 수 있는지 보여주는 것이 목표였습니다."라고 밀러는 설명한다. "콜로라도 기반 산업 디자인 회사 스튜디오 웨스트(Studio West)와 캔틸레버 자전거 프레임 디자인을 개발했습니다." 스튜디오 웨스트는 자전거 업계에서 잘 알려져 있으며 탑 제조사들과 협력한다. "처음엔 매우 전통적인 프레임 디자인을 줬습니다."라고 밀러는 말한다. "하지만 아레보가 연속 섬유를 새로운 방식으로 적용할 수 있음을 보여주고 싶어 여러 반복 작업을 거쳤습니다." 아레보 팀은 자전거 프레임의 강성과 플렉처를 최적화하고 싶었을 뿐 아니라 적층 제조 기술로 가능한 새로운 심미성도 보여주고 싶었다. "매우 독특한 자전거 디자인이 나왔습니다."라고 밀러는 말한다. 자전거 프레임은 연속 12K CF 토우와 PEEK로 제작됐지만 나일론 사용도 가능하다고 한다.

자전거 프레임만이 아레보의 복합소재 적층 제조 성과는 아니다. "소형 로봇 회사들이 대형 프레임 로봇을 만들고 있는데, 우리가 기존 소재 대비 훨씬 저렴한 비용으로 경량화를 돕고 있습니다."라고 몬데시르는 말한다. 아레보는 임펠러 및 프로펠러 애플리케이션도 강조하며, 보고된 이점은 다음과 같다:

• 재고 비용 관리를 위한 온디맨드 생산
• 금속 구조 대비 높은 효율
• 서비스 환경에 대한 내구성
• 기존 제조로는 불가능한 복잡한 형상

산업 생산으로의 경로

밀러는 2018년 첫 목표로 8개 DED 제조 셀 설치와 생산 부품 백로그 대응을 위한 캐파 구축을 꼽았다. "올해 볼륨 생산 출하를 시작하겠습니다."라고 확언한다. 회사는 전략적 고객들과 주요 애플리케이션 및 제품 개발에도 협력 중이다. "세 번째 주요 초점은 증착 공정 지속적 개선으로 품질과 수율을 유지하며 속도 증가입니다."라고 밀러는 말한다. "다른 섬유와 토우 크기로 만든 부품도 시연하겠습니다." DED 공정은 가변 토우 형상과 직경을 처리할 수 있으며 최대 24K 토우까지 가능하다. "PEKK, PAEK, PPS, 유리 및 아라미드 연속 섬유로도 프린팅 가능합니다."라고 밀러는 덧붙인다.

와이어와 광섬유를 다기능 복합 구조물로 프린팅하는 것은 어떤가? "그건 본질적으로 우리에게 또 다른 섬유일 뿐입니다."라고 밀러는 말한다. 지금까지는 랩에서 시연됐다. "지적 재산권과 이 분야의 지속적인 R&D를 검토 중입니다."

"여러 토우와/또는 테이프 사용도 배제되지 않습니다."라고 밀러는 주장한다. "프린트 크기에 제한이 없습니다." 항공우주사를 위해 2.5m x 1.5m 부품을 제작 중이며 여러 로봇 동시 사용도 검토 중이다. 회사는 DED 제조 셀을 모듈러하게 개발해 마감 등 2차 작업 통합이 가능해 고품질 표면 생산이 가능하다.

어떤 산업용 로봇에도 프린트헤드를 장착할 수 있어 기존 공정에 통합하거나 완전히 새로운 공정을 만들 수 있다. "아레보는 프린터 사업을 하는 게 아니지만, 이 적응성이 기회를 엽니다." 회사는 55개 특허를 보유(등록, 출원 중, 진행 중 포함)하고 있다.

생성적 설계(Generative Design)는 어떤가? 아레보가 이 새로운 설계 및 제조 접근법 실현의 주체가 될 것으로 보는가? "생성적 설계는 우리가 하는 것과 매우 다릅니다. 제조하기 어려운 설계를 만들어 비용을 올리기 때문입니다."라고 밀러는 답한다. "우리 접근법은 제조 최적화를 선행적으로 포함하는 것입니다."