금속 3D 프린팅 하드웨어를 혁신하는 10대 선도 기업

금속 3D 프린팅은 역사상 독특한 시기에 진입했습니다. 하드웨어, 소프트웨어, 소재의 발전이 새로운 애플리케이션을 열고 높은 신뢰성의 제품 생산을 지속하게 합니다.

오늘 우리는 금속 적층 제조(AM)를 이끄는 혁신 기업들을 탐구하는 기사 시리즈를 시작합니다. 첫 번째는 하드웨어 분야입니다.

금속 3D 프린팅이 진화하면서, 새로운 하드웨어 제조사들이 시장에 진입해 새로운 공정이나 기존 공정의 창의적 재해석으로 현재 과제들을 해결하고 있습니다.

최근 유망한 금속 AM 기술을 상용화했거나 곧 상용화할 기업들, 그리고 기존 강자들과 함께 금속 3D 프린팅의 미래를 형성할 기업들을 소개합니다.

레이저 분말 소결 방식(LPBF)

레이저 분말 소결 방식(PBF) 기술은 여전히 가장 대중적이고 진보된 금속 AM 공정 중 하나입니다. 하지만 높은 하드웨어 비용, 느린 출력 속도, 독점 시스템에서 기인한 한계 등을 고려할 때 개선의 여지가 큽니다.

PBF 시장 내 여러 기업들이 더 빠르고, 개방적이며, 유연한 금속 PBF 시스템으로 이러한 문제들 중 일부를 해결한 것으로 보입니다.

1. Aurora Labs

하루 1톤의 금속을 출력한다는 전망이 너무 좋아 사실 같지 않게 들릴 수 있지만, 호주 금속 3D 프린터 제조사 Aurora Labs는 이를 달성할 태세입니다.

2014년부터 Aurora Labs는 금속 3D 프린팅을 훨씬 더 빠른 속도로 가능케 하는 새로운 기술을 개발해왔습니다. 2018년 Formnext에서 처음 공개된 다중 동시 출력(MCP™)은 친숙한 분말 소결 기술을 기반으로 하지만 반전이 있습니다.

기존 분말 기술이 한 번에 한 층씩 출력하는 것과 달리, MCP는 단일 패스로 여러 층을 동시에 출력합니다.

기술은 어떻게 작동할까요? MCP 기술의 두 핵심 요소는 격자형 리코터 메커니즘과 다중 레이저 빔입니다. 출력이 시작되면 여러 호퍼를 가진 리코터 장치가 출력 베드 위를 미끄러지며, 각 호퍼가 단일 패스로 서로 다른 층의 분말을 증착합니다.

한 층이 증착되면 특수 리코터 간격을 통해 레이저가 분말에 도달해 용융시킵니다. 같은 패스 동안 후속 층들이 증착되고 레이저들에 의해 연속적으로 용융됩니다.

본질적으로 이는 단일 패스로 여러 층을 출력할 수 있음을 의미해 출력 공정을 크게 가속화합니다.

작년 9월, Aurora Labs는 MCP 기술로 구동되는 RMP1 3D 프린터가 일일 350kg 출력 속도에 도달했다고 보고했습니다. 이는 2018년 9월 약 15kg/일에 비해 상당한 이정표입니다.

이러한 개선을 고려할 때, Aurora Labs는 잠재적으로 시간과 비용 측면에서 전통적 제조 공정과 경쟁할 수 있는 가장 빠른 금속 PBF 시스템 중 하나를 시장에 선보일 좋은 위치에 있습니다.

2. Open Additive

많은 기존 3D 프린터 제조사가 독점 시스템을 제공하는 반면, 소수 기업만 개방형 시스템 접근을 채택했습니다.

그중 하나가 Universal Technology Company(UTC)에서 스핀오프한 Open Additive입니다. 다양한 환경과 니즈에 적합한 산업화 솔루션 개발이 목표입니다.

그래서 회사는 PANDA 3D 프린터라는 합리적 가격의 레이저 PBF 시스템을 개발했으며, 개방형 기계 아키텍처와 소재, 개방형 파라미터와 센서 기술 등 다양한 커스터마이징 옵션을 제공합니다.

Open Additive는 개방형 시스템의 핵심 이점 중 하나가 기업이 새로운 첨단 기술이 개발됨에 따라 더 많은 역량을 추가하거나 시스템을 조정함으로써 노후화 위험을 줄일 수 있다고 믿습니다.

이러한 개방형 하드웨어와 소재 접근은 오늘날 AM에서 특별히 흔하지 않지만, 업계는 이러한 발전에 점점 더 수용적으로 변하고 있습니다. Open Additive의 노력처럼, 기업들에게 혁신을 주도할 더 많은 옵션을 주는 유연하고 구성 가능한 적층 기술의 비전에 가까워지고 있습니다.

3. Sharebot

엔트리 레벨 금속 3D 프린팅 세계가 빠르게 채워지고 있으며, Sharebot의 MetalONE 3D 프린터 출시는 이 트렌드의 또 다른 예입니다.

핵심 플라스틱 3D 프린팅 공정을 포트폴리오에 포함한 Sharebot이 금속 분야로 진출하는 것은 시간 문제였습니다.

MetalONE의 경우, 이 기계는 4년 전 출시한 Sharebot의 열가소성 분말용 SnowWhite SLS 기계에서 진화한 프로젝트의 결과물입니다.

작년 데뷔한 이 기계는 65 x 65 x 100mm의 비교적 작은 빌드 엔벨로프를 가집니다. 하지만 작은 풋프린트에도 불구하고 회사에 중요한 진전을 의미했습니다.

12만 달러 미만 가격으로, MetalONE은 Xact Metal의 XM200, OR Laser의 ORLAS Creator 같은 다른 엔트리 레벨 금속 3D 프린터와 같은 가격대에 있으며, 모두 PBF 기술 기반입니다.

이러한 시스템은 모두 더 큰 PBF 기계로 스케일업하기 전 소재나 부품 설계를 테스트하기에 이상적이지만, 소규모 주얼리와 치과 제작에도 적합할 수 있습니다.

기초 데스크톱 3D 프린터 개발사로 시작한 Sharebot이 수년간의 연구 끝에 첫 금속 3D 프린터에 도달하며, 이미 잘 발달된 생태계를 활용해 중소기업에 금속 3D 프린팅을 더 접근 가능하게 만들 태세입니다.

직접 에너지 증착(DED)

직접 에너지 증착(DED) 분야의 발전은 특히 풍부합니다. 이 기술은 빌드 플랫폼에 추가되는 금속 분말이나 와이어를 녹이기 위해 집중된 열원을 사용합니다.

DED 하드웨어 기업들이 점점 더 등장하고 있으며, 특히 와이어 아크 적층 제조(WAAM) 영역에서 흥미로운 발전이 있습니다. 아래에서 WAAM과 분말 기반 DED 공정의 유망한 하드웨어 제조사들을 살펴봅니다.

4. WAAM3D

2020년 기준 WAAM 시장은 여전히 작으며, 이 금속 3D 프린팅 기술을 적극 개발하는 기업은 소수입니다.

WAAM3D는 이 분야에서 덜 알려진 이름일 수 있지만, 기술을 시장에 내놓기 전 Cranfield 대학의 WAAM 분야 지적재산권에 대한 광범위한 연구를 수행했습니다.

WAAM3D는 2018년 Cranfield 대학의 WAAM 분야 지적재산권을 상용화하기 위해 설립되었습니다.

회사에 따르면, 소프트웨어 도구, WAAM 전용 하드웨어, 원자재, 교육, 서비스 등 공급망의 부재가 입증된 비즈니스 혜택에도 불구하고 WAAM 공정의 마땅한 산업 채택을 가로막았습니다.

회사는 그러한 공급망을 구축하고 항공우주·방위, 석유·가스, 에너지·원자력 산업 전반에 WAAM 활용을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

현재까지 WAAM3D는 기술의 여러 성공적 애플리케이션을 발표했습니다. 하나는 Thales Alenia Space를 위해 제작된 1m 길이의 티타늄 압력 용기 부품입니다. WAAM으로 이 부품을 생산해 개당 200kg 이상의 소재를 절약하고 용기의 두 부분을 하나로 통합했습니다.

올해 초, WAAM3D는 첫 시리즈 A 펀딩 라운드를 완료해 WAAM 기술 상용화를 더욱 진전시킬 예정입니다.

5. AML3D

AML3D도 Cranfield 대학에서 영감을 받아 설립되었습니다. AML3D의 전무이사 Andrew Sales는 Cranfield에서 공부하며 기술 잠재력에 매료되어 2014년 호주에서 WAAM 서비스 뷰로를 설립했습니다.

2019년, 회사는 글로벌 해운 업계 인증 기관인 Lloyd's Register로부터 인증을 획득했습니다. 인증 확보 후 AML3D는 첫 부품을 해양 고객에게 납품했습니다: 마르텐사이트계 스테인리스강 마모 링 세트.

올해 초, AML3D는 항공우주·방위 선두기업 ST Engineering에 첫 WAAM 기반 3D 프린터인 Arcemy 납품을 준비 중이라고 밝혔습니다. Arcemy 시스템은 용접, CAD 소프트웨어 설계, 로봇 기술을 결합해 산업 품질의 대형 완전 치밀 금속 부품을 생산합니다.

AML3D는 자사 3D 프린팅 기술이 해양 부문 등에 혜택을 주어 리드타임 단축과 조선 및 수리 촉진에 기여할 것으로 기대합니다.

6. Big Metal Additive

대형 포맷 3D 프린팅을 앞당기겠다는 아이디어가 Big Metal Additive(BMA) 설립에도 영감을 주었습니다. 이 스타트업은 와이어 공급 아크 기반 AM 공법을 개발해 알루미늄으로부터 대형 복잡 설계 구조물을 만듭니다.

15입방피트 이상의 빌드 볼륨과 시간당 최대 5파운드(약 2.27kg)의 증착률로, BMA 기계는 트러스, 자동차 섀시, 인클로저, 툴링과 고정구, 빔, 건축 요소를 만드는 데 최적화되어 있습니다.

BMA 시스템의 또 다른 차별화 요소는 소재입니다. 대부분의 금속 3D 프린터는 쉽게 녹고 통합되는 특수 합금만 사용합니다. Big Metal은 8가지 상용 알루미늄 아크 용접 합금을 사용하며, 이는 훨씬 저렴합니다. 향후 스테인리스강, 공구강, 초합금, 티타늄 추가도 예상합니다.

"우리가 설계한 공정이 널리 퍼지길 바랍니다. 핫로드 숍부터 유지보수, 프로토타입 설계 숍까지 어디에나 있길 원합니다."라고 창업자 겸 사장 Slade Gardner가 ASME 인터뷰에서 말했습니다.

회사의 계획은 대형 포맷 제조 영역으로 금속 AM을 이끌려는 기업으로서 야심차지만 자연스럽습니다.

7. CHIRON Group

몇 달 전, 글로벌 CNC 장비 제조사 CHIRON GROUP이 첫 DED 3D 프린터인 AM Cube 개발로 AM 세계에 진출했습니다.

그렇다면 무엇이 이러한 큰 걸음을 3D 프린팅 분야로 이끌었을까요?

AM 기술을 제품 포트폴리오에 추가함으로써 CHIRON은 완전한 제조 솔루션 패키지를 제공하고자 합니다. 대형 복잡 부품을 겨냥한 AM Cube는 금속 가공과 자동화에 초점을 맞춘 기존 핵심 역량을 확장합니다.

항공우주, 에너지, 공구 제조 등 산업의 애플리케이션을 타겟으로, 시스템은 니어넷셰이프 부품을 3D 프린팅할 뿐만 아니라 코팅과 수리도 가능합니다.

AM Cube의 흥미로운 특징 중 하나는 모듈러리티입니다. 3D 프린터는 활성 출력 또는 코팅 공정 중 최대 3개의 프린트 헤드를 교체할 수 있도록 설계되었습니다.

또한 Chiron은 분말과 와이어 모두 사용 가능하게 해 기계 유연성을 높였습니다. 분말 코팅은 많은 산업 현장에서 흔히 쓰이는 공정인 반면, 와이어 기반 DED는 더 나은 안전성과 폐기물 감소를 제공합니다.

현재 CHIRON은 새 3D 프린터로 장기 조달 기간과 높은 소재 가격이 드는 대형 부품을 생산할 시설을 구축 중입니다.

8. Formalloy

Formalloy는 2016년 초부터 존재했지만, 그 4년 동안 DED 금속 3D 프린팅 기업으로서 상당한 명성을 쌓았습니다.

Formalloy의 수상 기술은 시장에서 가장 포괄적인 금속 합금 리스트 중 하나로 출력 가능하다고 알려졌습니다. 또한 DED 시스템에 블루 라이트 레이저 기술을 장착해 직경 1mm~1m의 니어넷셰이프 부품을 시간당 최대 15파운드 증착률로 제작합니다.

최신 X-시리즈 시스템에는 Formfeed 분말 공급 장치가 탑재돼 그래디언트/이종 금속 구조 출력이 가능합니다.

공정 내 모니터링 트렌드에 맞춰 Formalloy는 X-시리즈에 폐루프 제어 기술을 구현해 빌드 품질과 정확도를 실시간 모니터링할 수 있게 했습니다.

대형 부품 제조와 부품 수리 능력 덕분에 Formalloy의 3D 프린터는 NASA의 여러 R&D 프로젝트에 채택돼 대형 포맷 AM의 확장성을 조사했습니다.

비용 절감과 소재 유연성을 겨냥한 솔루션 개발로, Formalloy는 이제 막 더 붐비는 기술 카테고리가 된 DED 시장의 일부를 차지하려 합니다.

금속 광중합

9. Incus

오스트리아 세라믹 3D 프린터 벤더 Lithoz의 스핀오프인 Incus GmbH가 2019년 Formnext에서 새로운 금속 광중합 3D 프린팅 공정을 데뷔시켰습니다.

새 3D 프린터 뒤의 기술은 SLA와 DLP 같은 VAT 중합 기술에 기반하며, 액체 레진 소재를 사용합니다. 반면 Incus는 강력한 라이트 프로젝터를 사용해 광반응성 금속 충전 소재를 경화시키는 공정을 개발했습니다. 이 기술로 3D 프린팅된 부품은 최종 물성을 얻기 위해 탈지와 소결을 거쳐야 합니다.

이 공정이 다른 금속 AM 기술 대비 가질 잠재적 이점으로는 '비용접성' 금속 작업 가능, 공기 중 분말 회피로 안전성 향상, 정확도 향상, 광학 기반이라 더 빠른 빌드 속도 등이 있습니다.

이 기술은 2019년 말 Hammer 시리즈 3D 프린터로 상용화되었으며, 현재 여러 베타 고객이 운용 중입니다. Incus는 기술을 지속적으로 다듬고 의료, 자동차, 항공우주, 주얼리 분야로 애플리케이션 확장을 모색하고 있습니다.

재료 분사(Material Jetting)

10. Tritone

거의 모든 3D 프린팅 공정은 실제 객체 출력에 초점을 맞추는데, 주조용 금형 3D 프린팅이 한 가지 예외입니다.

이스라엘 스타트업 Tritone은 일반적인 3D 프린팅 공정의 아이디어를 비트는 독자적인 MoldJet 기술을 개발했습니다. 원하는 객체를 3D 프린팅하는 대신, Tritone의 3D 프린터는 먼저 금형을 만들고 금속이나 세라믹 페이스트로 채우며, 정밀 블레이드가 여분 소재를 닦아내 매끄러운 층을 남깁니다.

소재는 경화를 위한 열처리 단계를 거친 뒤 층 품질 분석을 위한 검사를 받습니다. 완료되면 파트를 트레이에서 꺼내 초음파 욕조에 넣어 금형 소재를 녹여내 견고한 그린 파트를 남기고, 최종 소결 단계로 이어집니다.

MoldJet을 다른 3D 프린팅 공정 대비 사용할 때의 핵심 이점 중 하나는 표준 금속 분말 사출 성형(MIM) 분말을 사용할 수 있어 소재 비용을 낮출 수 있다는 점입니다. MIM 소재는 다용도이며 어디서나 상품 가격 수준으로 구할 수 있습니다.

또한 Tritone은 파트가 MIM 부품과 유사한 품질로 최대 99% 밀도를 제공할 수 있다고 말합니다.

현재 Tritone은 MoldJet 기술로 구동되는 기계의 추가 개발과 테스트에 집중하고 있습니다. 올해 말 금속 3D 프린터 상용화 출시를 계획 중인 이 새로운 기술이 시장에서 어떻게 받아들여질지 기대됩니다.

금속 3D 프린팅 하드웨어 발전

금속 3D 프린팅은 오늘날 가장 빠르게 성장하는 기술 중 하나이며, 그 성장의 이유 중 하나는 지속적인 진화입니다.

AM 산업에 합류하는 새로운 하드웨어 제조사들이 이 진화의 원동력 중 하나로, 기존 기계들의 과제들을 극복하는 공정 개발을 목표로 합니다.

금속 3D 프린팅 시장의 경쟁 심화가 혁신을 촉진합니다. 그러나 혁신적인 금속 AM 하드웨어를 최대한 활용하려면 소재와 소프트웨어 개발 같은 다른 영역의 발전도 뒷받침되어야 합니다.

금속 AM의 신뢰할 수 있고 반복 가능한 사용을 지원하는 생태계를 조성해야만 스타트업과 기존 기업 모두 금속 AM을 가치 있는 제조 솔루션으로 만들 수 있습니다.

다음 기사에서는 금속 3D 프린팅 소재 분야의 라이징 스타들을 살펴보겠습니다.