Digital Alloys CEO Duncan McCallum, Joule Printing과 금속 3D 제조의 미래 논하다

지난해 금속 3D 프린팅의 부상은 잘 기록되어 있습니다. 새로운 기업들이 빠른 속도로 시장에 진입하는 가운데, Digital Alloys도 이 진화에 기여하는 기업 중 하나입니다. 2017년 설립된 Digital Alloys는 고속 금속 적층 제조를 위한 특허 기술인 Joule Printing을 개발했습니다. 이 기술은 더 빠른 생산 속도, 더 낮은 비용, 기존 제조 방식과 견줄 만한 고품질 부품을 약속합니다. 올해 1,290만 달러 규모의 시리즈 B 투자를 성공적으로 유치하며 금속 3D 프린팅 시장을 혁신할 궤도에 올랐습니다.

Digital Alloys의 CEO Duncan McCallum과 만나 Joule Printing과 금속 3D 프린팅의 미래에 대한 생각을 들어봤습니다.

최근 Digital Alloys가 Joule Printing 기술 관련 특허 두 건으로 주목받았습니다. 기술 작동 원리를 설명해 주시겠습니까?

우선 우리가 해결하려는 문제부터 말씀드리겠습니다. 현재 생산용으로 3D 프린팅을 쓰려면 마땅한 옵션이 많지 않습니다. 시스템이 너무 느리고, 생산 비용이 너무 높으며, 공정이 너무 복잡하기 때문입니다. 이로 인해 일관된 고품질 금속 부품을 얻기 어렵습니다.

우리가 이 문제들을 Joule Printing으로 해결하는 방식은 다음과 같습니다. 이 기술은 분말이나 다른 재료보다 저렴한 와이어를 사용합니다. 와이어는 정밀 모션 시스템과 정밀 와이어 공급 장치에 장착됩니다. 와이어 팁을 프린팅을 시작할 부품의 지점에 대고 접촉시킵니다. 그런 다음 와이어에 전류를 흘려 부품과 접촉된 상태에서 팁을 녹입니다. 물리학에서는 이를 저항 가열 또는 줄 가열이라 부르는데, 토스터의 코일과 같은 원리입니다.

Joule Printing 기술의 장점은 무엇입니까?

줄 가열을 사용하면 금속 내부에서부터 가열됩니다. 열 시정수가 없기 때문에 매우 빠르게, 그리고 매우 낮은 에너지로 금속을 가열할 수 있습니다. 즉, 열역학적 속도 한계가 없으며, 정밀하고 정확하게 움직일 수 있는 속도만큼 프린팅할 수 있습니다. 올해 말까지 시간당 5~10kg 달성을 목표로 합니다. 매우 높은 속도와 낮은 원자재 비용으로 전체 생산 비용이 크게 절감됩니다.

또한 용융 풀에서 정확히 무슨 일이 일어나는지 측정할 수 있습니다. 용융 풀의 위치, 투입되는 금속량, 가해지는 열량을 정확히 알 수 있습니다. 이 모든 파라미터를 실시간으로 제어해 타이트한 폐루프 시스템을 구현하고, 공정 데이터를 수집해 오프라인 분석도 가능합니다.

결과적으로 매우 빠른 속도와 고품질로 금속을 프린팅하면서, 많은 애플리케이션에서 기존 제조 방식보다 저렴하게 생산할 수 있는 시스템입니다.

시장의 다른 금속 AM 시스템과 Joule Printing은 어떻게 비교됩니까?

고려해야 할 세 가지 다른 기술 범주가 있습니다. 가장 대중적인 첫 번째는 분말 소결 방식(Powder-bed fusion)입니다. 금속 분말을 얇은 층으로 펴고 레이저나 전자빔으로 녹입니다.

분말 소결 방식의 과제는 분말이 매우 비싸고 공정 중 많은 양이 낭비돼 재료 비용이 매우 높다는 점입니다. 또한 분말을 녹이는 속도에 한계가 있습니다. 위에서 아래로 가열하기 때문에 열이 분말을 통과해 이동할 때까지 기다려야 합니다. 마치 칠면조 요리처럼 항상 몇 시간이 걸립니다. 더 강한 열을 가하면 칠면조 겉이 타버리듯, 분말 소결에서도 분말이 기화해버립니다. 전반적으로 부품을 만들기에 꽤 비싸고 복잡한 방식입니다.

두 번째 범주는 바인더 제팅(Binder Jetting)입니다. 바인더 제팅 시스템은 속도 문제를 겨냥합니다. 더 저렴한 저급 분말을 쓰지만 여전히 와이어보다는 비쌉니다. 시스템은 층층이 접착제를 분사해 '그린 파트'를 만듭니다. 그린 파트는 일반적으로 20%가 접착제입니다. 이 접착제를 화학 욕조로 제거하고 오븐에서 소결합니다. 이를 통해 20% 수축시켜 완전 밀도, 완전 강도의 금속을 얻으려 합니다.

이 공정은 작은 얇은 부품(야구공 크기 이하)에는 꽤 잘 작동합니다. 하지만 부품 벽 두께가 약 1cm보다 두꺼우면 열이 부품 내부로 충분히 전달되지 않아 완전 밀도로 수축시킬 수 없습니다. 또한 두꺼운 벽을 20% 수축시키려 하면 치수 변화가 커서 정밀도를 유지하기 어렵습니다. 결과적으로 이 기술은 벽 두께 1cm 이상이나 대형 부품에는 적합하지 않습니다.

세 번째 범주는 직접 에너지 증착(Direct Energy Deposition), 특히 와이어 기반 시스템입니다. 이 시스템들도 와이어를 쓰지만 보통 3mm 굵기의 두꺼운 와이어를 쓰고, 레이저, 전자빔, 아크로 녹입니다. 아크 용접과 비슷합니다.

이 시스템들은 꽤 높은 프린팅 속도를 낼 수 있지만, 해상도가 문제입니다. 녹은 금속이 방울지거나 분사되며 프린팅 라인에 쌓이므로 라인이 와이어보다 훨씬 굵어집니다. 따라서 거친 저해상도 부품만 프린팅할 수 있습니다. 또한 녹은 금속이 방울져서 돌출된 영역을 프린팅하기 어렵기 때문에 부품 형상에 제약이 있습니다. DED 장비도 금속을 그런 방식으로 녹이려면 많은 전력이 필요해 비쌉니다. 그래서 보통 동체 크기 같은 매우 큰 부품에 쓰이며, 고해상도 요구에는 덜 적합합니다.

즉, Joule Printing 기술의 동기가 이 모든 문제를 해결하기 위함이었습니까?

네. 속도, 생산 비용, 품질 문제를 해결하기 위함입니다.

속도, 비용, 부품 품질 외에 금속 3D 프린팅을 생산에 도입하려는 기업들이 직면한 다른 과제는 무엇입니까?

어떤 기술이 어떤 애플리케이션에 가장 적합한지 신중하게 판단하는 문제가 있습니다. 해결하려는 문제가 무엇인지 명확히 하고, 그 문제를 풀 적절한 도구를 선택하는 것이 중요합니다.

기존 제조와 같습니다. 모든 금속 부품이 같은 방식으로 만들어지지 않습니다. 어떤 것은 가공하고, 어떤 것은 단조, 프레스, 주조합니다. 모든 문제에 맞는 단일 접근법은 없습니다. 금속 3D 프린팅도 마찬가지입니다.

향후 5년간 금속 3D 프린팅이 어떻게 진화할 것으로 보십니까?

현재 금속 3D 프린팅이 약 20억 달러 산업이라면, 5년 뒤에는 300억 달러 산업이 될 것으로 봅니다.

이는 3D 프린팅의 세 가지 엄청난 이점 때문입니다. 첫째, 툴링 제작 없이 설계에서 바로 부품으로 갈 수 있어 시간을 크게 절약합니다. 둘째, 기존 제조로는 불가능한 흥미로운 형상을 구현할 수 있습니다. 셋째, 적절한 애플리케이션에 적절한 기술을 선택하면 생산 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

이 진화에서 Digital Alloys는 어떤 역할을 할 것입니까?

Digital Alloys는 큰 역할을 할 것입니다. 우리는 매우 많은 부품 범주에서 기존 제조보다 저렴합니다. 즉, 부품을 재설계하거나 다른 변경을 하지 않고도 우리 기술로 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 이는 고객에게 매우 매력적입니다.

Joule Printing으로 어떤 산업을 타겟팅합니까?

우리는 우선 프린팅 부품 공급자로 시작하며, 2020년 초 프린터 출하를 목표로 합니다. 초기 애플리케이션에서는 기존 제조 대비 생산 비용을 절감할 수 있는 분야에 집중합니다. 특히 가공하기 어려운 금속(티타늄, 공구강, 니켈 합금, 스테인리스강)으로 가공되는 부품에서 그렇습니다.

Joule Printing은 니어 넷 쉐이프(Near-net-shape) 부품을 프린팅해 스크랩과 황삭 가공을 없애 큰 비용 절감을 가져옵니다. 한 예로 항공우주, 의료기기, 해양 산업에 쓰이는 티타늄 부품이 있습니다. 두 번째는 툴링입니다. 공구강은 가공이 매우 어렵습니다. 하지만 3D 프린팅으로 툴에 냉각 채널을 추가할 수 있습니다. 예를 들어 내부 냉각 채널이 있는 다이캐스팅 인서트로 툴을 더 빠르게 냉각해 사이클 타임을 줄일 수 있습니다. 이 분야 고객은 자동차, 소비재, 항공우주입니다.

적층 제조 전반을 볼 때, 가장 기대되는 트렌드는 무엇입니까?

프로토타이핑에서 생산으로의 전환입니다. 그것이 현재 가장 큰 트렌드입니다.

Digital Alloys의 미래는 어떻습니까?

2019년 첫 공장을 짓겠습니다. 생산 현장에서 기술만 중요한 게 아닙니다. 운영자 채용과 교육, 공급망 구축, 품질 보증, 인증, 규제 승인 등도 알아야 합니다. 우리가 먼저 이 과정을 겪으며 고객이 따라오기 쉽게 만들겠습니다. 그 후 2020년 초 프린터 출하를 시작할 계획입니다.

Digital Alloys에 대한 자세한 내용은 https://www.digitalalloys.com/. 에서 확인하세요.