코로나19가 산업 전반의 3D 프린팅 채택을 가속화하는 방식

전례 없는 혼란 속 3D 프린팅의 순간

몇 주 만에 코로나19 팬데믹은 전 세계의 삶을 뒤집어놓았고, 그 영향은 날마다 더 심각해지고 있습니다. 현대 역사에서 유례없는 신속함과 광범위함으로 혼란이 닥치며, 바이러스 확산을 막기 위해 경제 전체가 멈춰 섰습니다. 사회는 혼란에 빠르게 적응해야 했고, 많은 경우 자체적인 파괴적 잠재력으로 오랫동안 칭송받아온 기술로 눈을 돌렸습니다.

공급망에서 적층 제조(3D 프린팅)가 마침내 그 순간을 맞이했습니다.

의료 공급망의 위기와 3D 프린팅의 대응

산업 전반에 걸쳐 공급망이 공장 폐쇄나 생산 제한으로 큰 타격을 입었습니다. 그러나 의료 공급망만큼 긴장된 곳은 없습니다. 마스크, 장갑 같은 보호 장비뿐만 아니라 인공호흡기 같은 생명을 구하는 필수 장비 수요가 폭증했습니다. 병원은 곧 수용 능력과 물자 한계에 직면할 것입니다. 이 전례 없는 도전에 직면하여 적층 제조가 격차를 메우기 위해 나섰습니다.

공급업체들이 생명을 구하는 인공호흡기 밸브의 급증하는 수요를 충족하지 못했을 때, 북부 이탈리아에서 가장 큰 타격을 입은 지역 중 하나인 브레시아의 한 병원은 적층 제조로 눈을 돌렸습니다. 지역 기업 Issinova, Lonati SpA, The FabLab과 긴밀히 협력하여 병원은 인공호흡기 밸브 설계를 역설계했습니다. 6시간 이내에 현장에서 3D 프린팅으로 새 밸브를 제작하여 생명을 구했습니다.

이후 몇 주간 전 세계 3D 프린터가 병원 공급을 위해 쉴 새 없이 작동했습니다. Formlabs와 MatterHackers 같은 제공업체들은 병원과 3D 프린터를 공유하려는 고객을 연결하는 온라인 허브를 구축했습니다. SmileDirectClub부터 폭스바겐까지 기업들이 적층 제조 역량을 자원하여 필수 보호 장비와 인공호흡기 부품을 공급했습니다. 한편, 성장하는 온라인 메이커 커뮤니티가 CAD 설계와 아이디어를 공유하며 팬데믹에 대응했습니다.

제가 개인적으로 지원하는 이니셔티브 중 하나는 MasksOn으로, 고위험 환경의 임상의에게 5만 개의 재사용 및 살균 가능한 안면 마스크를 제공하는 것을 목표로 합니다. 이 이니셔티브는 전면 스노클 마스크를 재사용 가능한 안면 보호대로 변환하고, 3D 프린팅으로 의료용 호흡 필터 어댑터를 대량 생산합니다. (코로나19 팬데믹에 전념하는 3D 프린팅 커뮤니티 리소스와 프로젝트 전체 목록은 여기에서 확인할 수 있습니다.)

글로벌 공급망 취약성 노출과 미래 전망

이 위기에서 적층 제조 커뮤니티의 대응은 고무적입니다. 그러나 팬데믹이 드러낸 것은 글로벌화된 공급망의 근본적 취약성입니다. 조직들은 원거리 또는 해외 공급업체에 대한 의존도를 재고해야 했습니다.

3D 프린팅이 아직 모든 것을 위한 현지화 제조 규모로 이용 가능하지는 않지만, 팬데믹 대응의 초기 결과는 유망한 미래를 가리킵니다. 팬데믹이 공급망에서 적층 제조로의 광범위한 전환을 위한 촉매제가 될 수 있을까요?

미래가 가질 수 있는 모습은 다음과 같습니다:

주문형, 현장, 적시 생산

공급망 혼란은 팬데믹에 국한되지 않습니다. 자연재해, 무역 정책, 노동 파업 모두 공급 흐름을 중단시켜 중요한 운영을 지연시킬 수 있습니다. 적층 제조는 브레시아 병원이 보여주듯 부품을 주문형으로, 현장에서 프린팅하여 격차를 메울 수 있습니다. 결과적으로 해외 생산과 배송을 우회하여 운영 중단을 단축하거나 제거할 수 있습니다.

심해 유정에서 파이프라인이 파손되는 경우를 생각해 보십시오. 교체 부품을 기다리는 데 며칠이 걸릴 수 있으며, 유정 운영이 중단되고 수익이 보류됩니다. 3D 프린터로 유정 엔지니어들이 패치 클램프를 빠르게 설계하고 프린팅하여 공급업체가 장기 교체품을 배송할 때까지 펌핑을 재개할 수 있습니다.

브레시아에서 적층 제조를 위해 인공호흡기 밸브를 역설계한 메이커들은 이제 병원의 원래 인공호흡기 밸브 공급업체로부터 특허 침해 소송 가능성에 직면해 있습니다. 향후 지적재산권 분쟁을 완화하기 위해 제조업체들은 고객에게 설계를 라이선스하여 예상치 못한 공급 격차를 메우기 위해 교체 부품을 현지에서 프린팅할 수 있게 할 수 있습니다. 이는 제조업체가 제조 비용을 고객에게 '아웃소싱'함으로써 절감을 이끌어낼 것입니다.

비전문가도 가능한 설계

브레시아의 3D 프린팅 인공호흡기 밸브가 보여주듯, 특정 부품 설계 경험이 거의 또는 전혀 없는 엔지니어도 빠르게 기능적 설계를 엔지니어링하고 적층 제조로 만들 수 있습니다. 다른 제조 기술과 달리 적층 제조의 유연성은 엔지니어와 디자이너가 제조 가능성의 제약에 맞춰 설계를 조정하는 데 수년간의 경험이 필요하지 않음을 의미합니다.

적층 제조의 경험 없는 디자이너 권한 부여는 생성적 설계(Generative Design), 즉 AI 지원 설계로 더욱 발전할 것입니다. 오늘날 소프트웨어는 다양한 제조 기술에 대해 자동으로 최적화하여 설계와 제조 사이의 시간을 단축합니다. 적층 제조를 위한 설계 최적화는 공급망 함의뿐만 아니라 더 나은 설계를 잠금 해제할 수 있기 때문에 특히 가치가 있습니다.

생성형 AI는 수천 번의 시뮬레이션을 실행하여 디자이너의 모든 목표와 제약을 충족하는 최상의 가장 효율적인 설계를 찾으며, 중량, 강도, 열적 특성, 유체 역학 등을 최적화합니다. 대부분의 경우 결과는 인간 디자이너가 끌리는 딱딱한 직선과 다면체와는 달리 복잡하고 유기적인 기하학을 포함합니다. 밝혀진 바와 같이, 이러한 유기적이고 불규칙한 형태는 적층 제조로 가장 효과적으로 생성될 수 있습니다.

부품 통합(Part Consolidation)

생성적 설계의 또 다른 장점은 여러 구성요소로 구성된 어셈블리 설계를 통합하여 적층 제조로 프린팅할 수 있다는 것입니다. 부품을 위한 분산 공급망을 갖고 사내에서 조립하는 대신, 전체 어셈블리를 현장에서 프린팅할 수 있습니다.

부품 통합은 제조업체에 상당한 절감을 가져올 수 있습니다. 깎아내는 감산 제조와 달리 적층 제조는 설계에 필요한 재료만 사용하여 폐기물과 재료 비용을 줄입니다. 부품 배송 비용도 제거되고, 조립할 부품이 줄어들어 조립 비용도 절감됩니다.

복잡한 어셈블리 통합은 팬데믹 동안 부족할 중요한 생존 장비에 특히 가치가 있을 수 있습니다. 이미 수요 급증에 대응하기 위한 새로운 설계를 개발하는 엔지니어들이 있습니다. CoVent-19 챌린지는 병원의 호흡 곤란 환자 관리 능력 증대를 위한 혁신적이고 신속하게 배치 가능한 인공호흡기 개발을 크라우드소싱하고 있습니다.

Jesse Coors-Blankenship은 PTC의 선진 개발 수석부사장입니다.