오를리콘(Oerlikon) AM 책임자 매튜 도노반 인터뷰: 항공우주 분야 3D 프린팅

글로벌 기술·엔지니어링 그룹 오를리콘은 항공우주·방산 등 최고 안전성이 요구되는 산업에 서비스를 제공합니다. 적층 제조는 점점 더 핵심 역량이 되어 올해 초 미국에 5,500만 달러 규모의 혁신 허브 및 첨단 부품 생산 시설을 설립했습니다.

이번 전문가 인터뷰에서는 오를리콘 적층 제조 수석 엔지니어 매튜 도노반과 만나 엔드투엔드 AM 생산 시설 구축 현황, 주목할 AM 트렌드, 표준이 업계 미래에 중요한 이유를 들어봅니다.

오를리콘에 대해 소개해 주세요.

오를리콘은 표면 솔루션과 인조 섬유 두 부문에서 글로벌 제조 리더입니다. 표면 솔루션 부문 산하 오를리콘 AM은 금속 분말부터 프로토타이핑, 양산까지 적층 제조 솔루션을 제공합니다.

적층 제조에 처음 관여하게 된 계기는?

제 배경은 항공우주입니다. 오를리콘 합류 전 20년간 가스 터빈 엔진, 고온 부품, 연소실 부품을 주로 다뤘습니다. 항공우주 가스터빈용 연료 공급 시스템뿐 아니라 산업용 가스터빈과 연료전지 리포머도 담당했습니다. NASA 등과의 다양한 R&D 협업 경험도 있습니다. 매우 까다로운 환경에서 고강도·고온 소재를 다루는 경험을 쌓았습니다.

제조 엔지니어로 시작해 부품 제조·조립의 세부를 익혔고, 품질 엔지니어로 현장 조사를 수행했습니다. 2006년 첨단 제조 분야에 진입해 기존 제조로 불가능한 복잡한 형상과 부품을 마주했습니다. 당시 모리스 테크놀로지스(Morris Technologies)와 금속 3D 프린팅 부품을 개발했고, 연료 분사기에 AM을 적용하기 시작했습니다.

수년간 AM으로 몇 가지 부품을 개발했습니다. 유나이티드 테크놀로지스에서 전사 차원의 AM 기술 개발·구현을 지원했으며, 주로 비행 인증 하드웨어에 집중했습니다. 이 과정에서 부품 제작·인증 방법에 대한 표준이 전무하다는 큰 격차를 발견했습니다.

항공우주 비용의 상당 부분은 부품 자체가 아닌 인증에 있습니다. 우리가 만드는 모든 부품에 완전한 추적성을 제공해야 합니다. 이를 위한 표준 개발과 구현이 큰 과제였습니다.

2009년경 ASTM F42와 AM 표준 작업을 시작했습니다. 몇몇 표준 초안 작성을 돕고 위원회에서 활동했습니다. ISO/TC 261과 ASTM F42와 함께 레이저 분말 베드 퓨전용 설계 가이드 ISO ASTM 52911을 공동 집필했습니다. 유나이티드 테크놀로지스에서 많은 유능한 인재, 풍부한 자원과 협력해 AM 금속 분말 베드 분야의 여러 혁신과 선도적 제품을 개발했습니다.

오를리콘에서의 역할은?

2017년 오를리콘에 합류해 현재 AM 수석 엔지니어를 맡고 있습니다. 역할은 생산 가능한 AM 금속 기술의 구현과 개발에 집중돼 있습니다. 표면 솔루션 그룹의 스타트업 사업부로 시작해 노스캐롤라이나 헌터스빌에 신규 시설을 건립해 1년 전에 입주했습니다.

120,000평방피트 규모 시설에 현재 18대 금속 분말 베드 시스템을 운영 중입니다. 현장에 HIP(열간 등방압), 진공로, 후처리, 분말 취급, 검사 설비를 갖췄습니다.

목표는 공급망의 모든 측면을 통제해 진정한 엔드투엔드 AM 생산 워크플로를 구축함으로써 고객에게 추적성을 제공하는 것입니다.

내 역할은 주로 기계 인증입니다. 기계 OEM과 긴밀히 협력해 기계 설치·자격 부여를 진행하고, 부품 간 교차 역량을 포함한 기계 역량 인증을 수행합니다. 이를 통해 개별 기계의 기하 공차 생산 능력과 기계 간 차이를 파악하고 튜닝해 여러 기계에서 동일 제품을 공급할 수 있게 합니다.

표준화는 항공우주 같은 산업에서 큰 화두였습니다. 그동안 어떻게 발전했으며 현재 AM 표준화 현황은?

상당히 좋은 진전이 있었습니다. 항공우주뿐 아니라 의료, 원자력, 에너지 등 안전 중요 분야에서 표준은 필수입니다. 표준의 핵심은 모두가 같은 언어로 소통하고 제품 역량을 이해하게 하는 것입니다.

표준이 없던 시절에는 모두가 비슷한 방식으로 작업했지만 동일한 방식은 아니었습니다. 용어 혼란이 흔해 같은 용어로 전혀 다른 공정을 뜻하거나, 다른 용어로 같은 공정을 지칭했습니다. 표준 개발로 '자격 빌드', '피드스톡', '기계 자격 수준' 등을 언급할 때 공통 이해가 가능해졌습니다.

항공우주에서는 부품을 인증할 표준, 즉 기계적 특성·성능·공차를 식별하고 원자재 로트부터 화학적 조성까지 추적할 수 있는 다중 표준이 없으면 항공 플랫폼에 탑재할 수 없습니다. AM으로 물리적으로 불가능한 복잡 형상과 부품을 만들 수 있고 중량·시간·소재·비용을 절감할 수 있습니다. 설계·제조 자유도는 명확합니다. 하지만 부품을 만들 수 있어도 좋은 부품임을 입증 못 하면 소용없습니다.

표준이야말로 부품을 제조·판매하고 항공우주 생산에 활용할 수 있게 해주는 선입니다.

항공우주 표준은 양산 전 핵심 퍼즐 조각입니다. 오랫동안 여러 개발 기구가 이 분야에 매진했습니다. 저는 ASTM 표준에 약 10년간 자원봉사로 참여하며 혜택을 목격했습니다. 티타늄 분말 베드 퓨전 최초 표준에 기여했는데, 검증에 2년 이상 걸렸습니다. 이후 추가 표준은 절반 시간에 완료했습니다. 이제 정말 가속화되고 있습니다. ASTM이 오번 대학과 협력해 앨라배마 오번에 우수 센터를 설립했습니다. 표적 R&D 자금과 협력으로 표준을 신속히 확보하려는 목적입니다. 업계와 정부 기관 협력으로 인식된 격차를 메우는 작업이 진행 중입니다. ANSI 로드맵도 들어보셨을 겁니다. 업계 기여로 주요 격차를 식별한 훌륭한 문서입니다. 최신 버전에 91개 격차가 확인됐고, 상당수가 고우선순위 표준 분야입니다. ASTM 우수 센터가 이 격차 해소 R&D 수단으로 활용됩니다. 또 다른 영역으로 SAE 인터내셔널의 항공우주 소재 사양(AMS)이 있습니다. 니켈 합금 625용 분말 베드 퓨전 최초 사양인 AMS 7000, 7001, 7002, 7003이 최근 발표됐습니다. 이들은 훌륭한 작업물로 우리 중 많은 이가 이미 양산 부품 개발에 활용 중입니다.

AM 도입 경험에 비추어 내부 통합 과제는 무엇이었고 어떻게 극복했나?

오를리콘 AM은 항공우주, 의료 등 최고 요구 산업에 부합하는 AM 솔루션 제공을 목표로 합니다. 각 시설에 AS9100(항공우주), ISO 13485(의료) 등 적절한 품질 시스템을 갖췄습니다. 하지만 엔드투엔드에 필요한 모든 시스템을 통합하는 건 과제였습니다. 단일 솔루션으로 모든 측면을 커버하는 건 없지만, 공급망 각 부분을 커버하는 좋은 도구들은 많습니다. 서로 다른 측면을 커버하는 솔루션을 식별해 필요한 것을 도입하고 통합하는 게 과제입니다. 예컨대 재무·재고는 잘 관리하지만 제조 워크플로는 약한 솔루션, 제조 워크플로·생산 계획은 잘하지만 빌드 시간 추정, 자재 검토, 기하 부품 이슈(도면·3D 모델)는 약한 솔루션 등 다양합니다. 이 조각들을 통합해 매끄러운 엔드투엔드 솔루션을 만드는 게 과제이며, 현재는 꽤 수동적이지만 자동화를 향해 나아가고 있습니다.

양산 적용 성공 사례를 공유할 수 있나?

고객 승인 없이 구체적으로 언급하긴 어렵지만, 여러 부품이 활발히 양산 중입니다. 생각나는 몇 가지는 항공우주·방산 관련 부품입니다. 하나는 군용 헬기 미션 시스템의 비행 부품으로 2년간 양산해 200대 이상 납품했습니다. 또 다른 부품은 지상 센서용으로 80개 개별 부품을 단일 모놀리식 부품으로 통합한 것으로, 거의 2년간 양산 중입니다. 오일·가스 및 해저 탐사용 해저 로보틱스 부품도 여러 고객사에 활발히 공급 중입니다.

향후 5년간 적층 제조가 기술과 산업 전반에서 어떻게 진화할 것으로 보나?

향후 5년간 다중 레이저 시스템 확산으로 부품 생산 속도가 빨라져 부품 비용이 낮아질 것입니다. 이는 AM 부품 채택을 더욱 가속화할 것입니다.

부품 비용은 핵심 요소이며 레이저 시간이 AM 부품 비용의 주된 동인입니다. 더 많은 레이저를 부품에 투입하고 다중 레이저 시스템으로 부품을 인증할 수 있다면 같은 부품을 더 빨리, 더 저렴하게 제작할 수 있습니다. 또 다른 진화는 더 나은 공정 내 모니터링 시스템입니다. 현재 여러 제조사에서 다양한 시스템을 제공하지만, 진정한 양산 속도에서 구현할 수준에는 아직 미치지 못한다는 인상입니다. 머지않아 진정한 공정 내 모니터링으로 공정 중 상황을 관찰하고 부품이 기계를 떠나기 전 이슈를 식별할 수 있길 바랍니다. 이상적으로는 이슈를 식별하고 엔지니어링 지원으로 실시간 보정하는 지능형 소프트웨어, 더 나아가 24/7 무결점 가동하는 견고한 기계가 최상이겠습니다.

기대되는 트렌드는?

언급한 공정 내 모니터링 시스템이 하나입니다.

새로운 소재 개발과 출시도 기대됩니다. 우리는 몇몇 신소재를 개발 중인데, 이를 통해 고객이 매우 혁신적인 부품을 만들 수 있게 될 것입니다.

또 다른 기대 요소는 전 세계 제조사 다변화입니다. 초기엔 유럽 소수 국가에서 AM 기계가 생산됐지만, 이제 여러 신규 제조사와 국가가 새로운 접근법으로 기계를 만듭니다. 기계 가격을 낮추고 업계 사용 피드백으로 운영자 친화적으로 개선합니다. 초기 몇 년간 기계는 매우 예민해 많은 관심과 '보살핌'이 필요했고, 기계 설계도 제조 친화적이지 않았습니다. 이제는 사용자 피드백으로 사용자 친화성이 기계에 내재화되고 있습니다. 전 세계 제조사 간 경쟁 증가가 시스템 혁신을 촉진하고 비용을 낮추며 사용성을 높이는 데 기여한다고 봅니다.

오를리콘의 다음 단계, 특히 귀하가 감독하는 시설의 계획은?

단기 목표는 구매한 모든 장비를 설치·인증하는 것입니다. 현재 18대 금속 분말 베드 시스템이 온라인 운영 중이며 다수에서 양산 하드웨어를 생산 중입니다. 다음 단계는 전 기계·전 소재 시스템의 물성 데이터와 데이터셋 완성이지만, 이는 매우 시간과 비용이 많이 듭니다. 다행히 소재, 야금, 엔지니어링 경험이 풍부한 훌륭한 인재들이 많아 자랑스럽습니다. 또 다른 목표는 진정한 엔드투엔드 양산 시설을 위한 나머지 장비 구축입니다. 최근 HIP로와 진공로를 온라인화해 인증 중입니다. CNC 장비도 도입했고, 후처리용 추가 로와 CNC 장비도 다수 도입 예정입니다. 모든 장비를 설치·인증·운영 통합해 완결된 통합 제조 시스템을 만드는 게 목표입니다.

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