이안 캠벨 교수 인터뷰: 러프버러 대학에서 적층 제조를 위한 설계(DfAM) 개척

이안 캠벨(Ian Campbell) 교수는 러프버러 대학의 선도적 연구자로, 적층 제조를 위한 설계(Design for Additive Manufacturing, DAM) 프로그램이 복잡한 부품의 구상과 생산 방식을 재정의하고 있습니다. 40편 이상의 동료 심사 논문 저자이자 Rapid Prototyping Journal 편집위원, 2014년부터 월러스 어소시에이츠 컨설턴트로 활동 중입니다.

이 인터뷰에서는 적층 제조(AM)의 진화, 자동화의 역할, 대량 맞춤화와 하이브리드 생산의 약속을 탐구합니다.

Q: 어떻게 처음 AM에 관여하게 되셨나요?

1993년 워릭 대학 석사 과정 중 스테레오리소그래피가 아직 초기 기술이었을 때 시작했습니다. 그해 말 노팅엄 대학으로 옮기며 캠퍼스 스테레오리소그래피 머신에 접근할 수 있게 되었고, 박사 연구에서 설계와 신속 시제품 제작의 관계에 집중했습니다.

내 전제는 신속 시제품 제작이 풀스케일 생산 공정으로 진화할 것이라는 점이었습니다. 1990년대엔 상상하기 힘든 비전이었죠. 그게 사실이라면 설계자들은 그것을 위해 특별히 설계하는 법을 배워야 합니다. 그게 제 박사 연구의 핵심이 되었습니다.

Q: 아이러니하게도 오늘날 DfAM은 거대한 화두입니다. 현재 어디까지 왔고, 어떤 진전이 더 필요할까요?

진전은 불균일합니다. 특히 항공우주 같은 특정 기업들은 이미 AM 강점을 경량화, 복잡한 내부 지오메트리, 위상 최적화에 활용합니다. 그러나 많은 설계자가 여전히 AM 역량을 깊이 이해하지 못하고 워크플로를 AM 중심으로 재구상할 기회를 갖지 못했습니다.

설계 커뮤니티 전반에 눈에 띄는 지식 격차가 있습니다. 신입 졸업생들은 이제 AM을 포함한 교육을 받지만, 베테랑 전문가들은 기술에 노출되어야 그 혜택을 열 수 있습니다.

이 격차는 우리가 최근 론칭한 새로운 석사 프로그램의 핵심 초점으로, 학생들에게 이론적 지식과 실무 경험을 모두 제공합니다.

Q: 5년 후 DfAM은 어디에 있을까요?

5년 후면 AM이 실행 가능한 생산 루트로 더 폭넓게 인식되어 DfAM 원칙 채택이 확산될 것으로 봅니다. 특히 기술에 첫날부터 훈련될 차세대 설계자들 사이에서요.

설계 자동화 급증도 예상됩니다. 위상 최적화 같은 도구는 이미 존재하고, 새로운 소프트웨어가 격자 구조를 자동 생성해 수동 지오메트리 생성 병목을 해소합니다. 더 풍부한 자동화 도구 생태계가 AM 잠재력 완전 활용에 필수적일 것입니다.

궁극적으로 포괄적인 자동 설계 도구 스위트가 컨셉부터 완제품까지 전체 워크플로를 간소화할 것입니다.

Q: 자동화는 현재 AM의 핵심 트렌드입니다. AM 자동화가 어떻게 진화할 것으로 보시나요?

현재 AM 공정은 여전히 수작업에 크게 의존합니다. 자동화는 부품 배치 최적화, 빌드 타임 예측, 방향 기반 표면 마감 시뮬레이션을 할 수 있습니다. 미래 시스템은 폐루프 피드백을 갖추고 빌드 중 파라미터를 자동 조정해 품질을 개선할 것입니다.

최근 소프트웨어는 설계자가 중요 제약(접점, 하중)을 입력하면 CAD 시스템이 자율적으로 지오메트리를 성장시키게 합니다. 이는 재료를 제거하는 전통적 위상 최적화를 보완합니다.

아이디어부터 후가공까지 가치 사슬 전반으로 자동화를 확장할 상당한 기회가 있습니다.

Q: 현재 자동차 산업 맞춤화 연구 프로젝트를 이끌고 계십니다. 자세히 말씀해 주시겠어요?

루마니아 공급사들과 협력해 자동차 응용 맞춤형 부품을 탐구합니다. 파일럿 연구는 기능적 맞춤화(주행 스타일별 서스펜션 튜닝)와 심미적 맞춤화(인체공학적 핸들, 대시보드 윤곽)를 다룹니다.

Q: 파일럿 연구에서 무엇을 달성하길 원하시나요?

목표는 제조사가 표준 부품을 제공하면 최종 사용자가 파라미터를 조정해 공동 창조 제품을 만드는 대량 맞춤화 툴킷 개발입니다. 인터페이스 설계, 파라미터 한계, 소비자 인지 가치를 조사 중입니다.

제조사가 베이스 또는 미완성 설계를 제공하고 고객이 마무리하는 방식으로 설계 프로세스를 전환해 사용자 참여와 제품 소유감을 키우는 것을 목표로 합니다.

Q: 이러한 '공동 창조(Co-creation)' 형태가 3D 프린팅 미래에 더 일반화될까요?

공동 창조는 이미 제한적 형태로 존재합니다(예: 미니의 제품 맞춤 옵션). 그러나 완전히 맞춤화 가능한 기능성 부품은 여전히 드뭅니다. 제조사가 안전성, 기능성, 비용 효율성을 보장해야 하기 때문입니다. 그 간극을 메우기 위한 지속적 연구가 필요합니다.

자동차 같은 분야에서 사용자가 부품 형상을 변경하게 하려면 엄격한 검증이 필요합니다. 일부 기업은 제한적 변형을 수용하지만, 다른 기업은 맞춤화를 전면 제한할 수도 있습니다.

손 크기에 맞춘 헤어드라이어 핸들 같은 맞춤형 인체공학은 정서적 애착을 깊게 하고 제품 수명 연장을 유도해 지속가능한 설계 목표와 부합합니다.

Q: 러프버러 대학이 '하이브리드 및 멀티 시스템 AM'이라 부르는 것을 개척 중입니다. 이게 무슨 뜻인가요?

하이브리드 제조는 단일 머신 내에서 적층과 절삭 공정을 합칩니다. 러프버러에서는 금속과 폴리머 시스템 모두를 탐구합니다.

Q: 금속 시스템에서 하이브리드 제조 접근은 어떻게 작동하나요?

마쓰우라(Matsuura)와 DMG 모리(DMG Mori) 같은 기업들이 소재 증착 후 CNC 밀링 툴로 전환해 마무리하는 머신을 제공합니다. 이 사이클을 필요만큼 반복해 추가 가공 단계 없이 정밀한 내부·외부 표면을 얻습니다.

하이브리드 금속 AM은 원스톱 생산을 지원: CAD 파일을 단일 머신에 입력하면 완성 부품이 나옵니다. 항공우주에선 부품 수 감소, 조립 비용 절감, 연료 소모 줄이는 경량화로 직결됩니다.

Q: 폴리머 하이브리드 제조 공정은 꽤 다른가요?

원리는 동일합니다(증착 후 가공). 하지만 폴리머 공정은 더 낮은 온도에서 작동합니다. 우리 목표는 기하학적 자유도와 고정밀도, 비용 효율성을 일상 제품에 결합하는 것입니다.

Q: 러프버러 대학에서 다가오는 다른 연구 프로젝트는 무엇인가요?

복합 소재 적층 제조로 확장 중이며, 섬유 방향 제어로 강도, 강성, 중량 향상을 도모합니다. 여러 국제 파트너가 참여합니다.

Q: 러프버러 대학 새 석사 프로그램에 대해 더 말씀해 주시겠어요?

1년 3학기 '적층 제조를 위한 설계' 프로그램은 학생들을 AM 기초, 고급 CAD 도구, 실전 프로젝트에 몰입시킵니다. 커리큘럼에 위상 최적화, 복셀 모델링, 캡스톤 프로젝트(제품 재설계 또는 처음부터 생성) 포함.

Q: 마지막으로, 가장 기대되는 AM 다음 트렌드는 무엇인가요?

흥미로운 발전 중 하나는 AM 머신 규모입니다. 빌드 볼륨이 하프 미터 큐브를 넘어가며 건축 파사드부터 대형 항공기 부품까지 응용 범위가 확대되고 있습니다. 이 확장성이 새로운 설계 가능성을 엽니다.

메타머티리얼(자연에 없는 특성을 갖도록 설계된 소재)도 또 다른 프론티어입니다. 복잡한 지오메트리로 압축 시 측면 팽창하는 오세틱 구조나 열 구배에 예측 가능하게 반응하는 부품 설계가 가능합니다. 열 같은 자극으로 형상 변화가 일어나는 4D 프린팅은 우주나 소비자 제품용 적응형 부품을 가능케 할 수 있습니다.

러프버러 대학 적층 제조 연구 그룹(AMRG)에 대해 더 알아보려면 여기를 클릭하세요. 러프버러 대학 리처드 버스웰(Richard Buswell) 박사 최근 인터뷰도 확인하세요.