플로리다 국제대학교,

복합소재 및 금속 합금 연구 위해 콜드스프레이 금속3D프린터 도입!

 

SPEE3D는 플로리다 국제대학교(FIU)가 WarpSPEE3D 금속 3D프린터를 도입했다고 발표했습니다.

 

 

이 SPEE3D의 콜드스프레이 기술은 FIU 공과대학 캠퍼스 내의 콜드스프레이 및 고속 증착 연구실의 대형 제조 핵심 장비로 활용됩니다.

이번 도입을 통해 FIU는 첨단 제조 연구 역량을 강화하고, 콜드스프레이 기술을 활용한 대형 복합소재 및 금속 합금 연구 분야의 선도 기관으로 자리매김할 것입니다.

 

“FIU 기계·재료공학과의 연구실에서는 콜드스프레이 적층제조를 활용해 공정-구조 상관관계를 탐구하고, 대형 부품을 위한 로봇 경로를 최적화하며,

전통적 가공 기술 대비 소재 성능을 평가하는 데 집중하고 있습니다. SPEE3D의 기술이 금속 및 복합소재 적층제조 연구를 한층 발전시키는 계기가 되길 기대합니다.”

 

— 타나지 폴 박사, 플로리다 국제대학교 조교수

 

WarpSPEE3D 프린터는 SPEE3D의 독자적인 콜드스프레이 적층제조 기술을 활용하며,

구리, 알루미늄 합금, 스테인리스강 등 다양한 금속 소재로 대형 고품질 부품을 신속하게 제작할 수 있는 개방형 연구 플랫폼을 제공합니다.

 

FIU 연구진은 이 기술의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해 공정 파라미터와 3D프린팅 구조적 거동 간의 상관관계,

복잡 형상을 위한 로봇 경로 개발, 콜드스프레이 금속 특성과 기존 제조 방식 간의 비교 평가를 중점적으로 연구했습니다.

 

 

“WarpSPEE3D는 현재 사용 가능한 몇 안 되는 대형 콜드스프레이 적층기술 중 하나로, 첨단 금속 제조 연구에서 새로운 발견을 이끌 잠재력을 지니고 있습니다.

또한 개방성과 유연성을 갖춘 플랫폼 덕분에 우리의 연구 목표가 제약받지 않습니다.

WarpSPEE3D의 역량을 기반으로, 연구와 혁신의 산업 적용, 그리고 교육훈련까지 확장할 수 있기를 기대합니다.”

 

— 타일러 돌메치(Tyler Dolmetsch) 박사, 플로리다 국제대학교 연구조교수

 

 

SPEE3D의 특허 기술이 적용된 WarpSPEE3D 프린터는 비용 효율성과 확장성이 뛰어난 장비로, 음속 이상의 속도로 피드스톡 입자를 분사해 고밀도 금속 부품을 제조합니다.

이 공정은 기존 주조보다 우수한 금속학적 특성을 갖는 부품을, 최대 무게 90파운드(약 40kg), 크기 1m × 0.7m까지 제작할 수 있습니다.

이를 통해 다양한 산업 분야에서 프로젝트 기간을 수주에서 수시간으로 단축하고, 내구성 있는 완제품 수준의 금속 부품을 빠르게 공급할 수 있습니다. 

 

 

유럽 순회 실시간 제조 투어 – Expeditionary Manufacturing Unit (EMU) 현장 배치

 

 

SPEE3D의 콜드스프레이 금속 3D프린팅 기술이, 중요 군수 부품을 수주가 아닌 수 시간 내에 생산할 수 있음을 실시간으로 시연했습니다.

콜드스프레이 금속3D프린터는 금속부품을 단 수시간내에 생상할 수 있기때문에 국방 산업에서 많은 주목을 받고 있습니다.

SPEE3D는 Expeditionary Manufacturing Unit (EMU)의 유럽 투어 개시를 발표하며,

지난 몇 달 동안 유럽 주요 도시의 현지 파트너들과 협력하여 EMU 시스템을 활용한 실시간 제조 시연회를 진행했습니다.

 

 

이 행사에서는 첨단 제조 기술이 금속 부품 공급망 및 MRO(정비·수리·운영)를 어떻게 지원하는지에 대한 워크숍이 함께 열렸으며,

참가자들은 XSPEE3D 장비가 알루미늄 6061과 같은 내식성 소재를 사용해 육·해상 플랫폼용 부품을 제조하고, SPEE3Dcell에서 후처리, 가공, 시험까지 현장에서 수 시간 내에 완료하는 과정을 직접 확인했습니다.

“그동안 사람들은 저희 기술을 보기 위해 공장을 방문하거나 전시회에 참석하거나, 혹은 방위군이 현장에 장비를 가져갈 때만 볼 수 있었습니다.

이번에는 현지 산업 리더들과 협력하여 유럽 내 방위군, OEM, 국방 연구기관들에게 직접 기술을 선보임으로써 EMU의 신속한 임무 핵심 부품 생산 능력을 직접 평가할 수 있도록 했습니다.”

— Byron Kennedy, SPEE3D CEO

 

 

SPEE3D의 EMU는 야전 환경에서 미국 및 영국 군대에 의해 검증된 바 있으며, 일본 육상자위대(JGSDF)와 우크라이나군 등 세계 각국의 국방 조직에서도 활발히 사용되고 있습니다.

EMU는 2개의 20피트 컨테이너로 구성된 완전한 이동식 제조 솔루션으로, 민간 트럭으로 손쉽게 운반됩니다.

내부에는 XSPEE3D 금속 3D프린터(최대 0.9m × 0.7m, 무게 40kg까지의 부품 생산 가능)와 SPEE3Dcell 후처리 시설(열처리, 가공, 공구 제작, 시험 기능 포함)이 통합되어 있습니다.

투어는 스웨덴의 Lasertech, 네덜란드의 Perron038, 폴란드 등으로 이어졌습니다.

각 행사에서는 실제 응용 사례가 소개되었으며, SPEE3D 엔지니어 및 현지 전문가들과의 교류 기회도 제공되었습니다.

 호주 금속 적층제조(AM) 전문 기업 SPEE3D는 시드니대학교 내 Sydney Manufacturing Hub(SMH) 에 WarpSPEE3D 시스템을 설치했다고 발표했다.

 

 

WarpSPEE3D는 최대 1m x 0.7m 크기, 40kg 무게의 대형 부품을 출력할 수 있는 장비로, SMH의 대형 적층제조 연구소(Large-Format Additive Manufacturing Lab)에 새롭게 도입된 최신 기술이다. 

이번 장비는 콜드 스프레이 적층제조(CSAM: Cold Spray Additive Manufacturing) 분야의 혁신적인 소재 연구를 지원·가속화하고, 산업 파트너와의 협업을 가능하게 할 예정이다.

SPEE3D 최고기술책임자(CTO) 스티븐 카밀레리(Steven Camilleri) 는 다음과 같이 말했다.

 

“시드니대학교와 협력하게 되어 매우 기쁩니다. WarpSPEE3D가 그들의 매뉴팩처링 허브의 핵심 장비로 자리 잡게 된 것은 CSAM 연구 진전을 위한 흥미로운 진일보입니다.

이번 협력을 통해 지역 및 국가 산업의 요구를 충족하는 혁신적인 솔루션을 마련하고 실질적인 성과를 도출할 수 있을 것입니다.”

 

 

SMH는 시드니대학교 기계공학과 건물 내에 위치한 핵심 연구 시설(Core Research Facility)로, 적층제조, 소재 가공, 산업 디자인 분야의 전문성을 제공한다. 

이곳은 응용 연구와 기초 연구를 모두 지원하며, 산업 전문가와 학계 연구자들의 협업을 적극적으로 환영한다. 주요 서비스로는 AM 및 후처리, 특성 분석, 열처리 및 용융 가공 등을 제공하며, 

이미 금속·세라믹·고분자 3D 프린터 12종 이상을 보유하고 있다. 예를 들어, Arcam Spectra H, DeltaWASP 40100 Clay, Prusa i3 MK3S, AON M2+, Formlabs Form 3+ 등이 있다.

 

 

WarpSPEE3D는 SMH의 대형 적층제조 연구소에 설치되어 시드니대학교 연구진, 산업 파트너, 기타 학술 기관에서 활용할 수 있다. 

이 장비는 SPEE3D의 독자적인 CSAM 기술을 적용해 고밀도 금속 부품을 초음속 속도로 출력할 수 있으며, 기존 제조 방식으로는 구현하기 어려운 속도를 제공한다. 

또한 알루미늄, 구리, 동-니켈 합금, 스테인리스강 등 다양한 금속 분말을 사용할 수 있어 소재 연구에 유연성이 뛰어나다. 이를 통해 연구자들은 산업 관련 응용을 위한 새로운 소재 실험을 손쉽게 진행할 수 있으며, 

시드니대학교는 CSAM 연구의 선도적 기관으로 자리매김할 수 있을 전망이다.

 

 

SMH의 수석 엔지니어 브루스 맥린(Bruce McLean) 은 다음과 같이 언급했다.

“WarpSPEE3D는 콜드 스프레이 적층제조 연구 역량을 크게 강화해줄 것입니다. 학계와 다양한 산업 간 협력을 가능하게 하며, 연구와 실제 산업 적용을 연결하는 플랫폼을 제공합니다.”

 

한편, SPEE3D 장비는 군사 분야에서 자주 사용되지만, 학술 기관에 설치된 것은 이번이 처음이 아니다. 

지난해에는 미국 뉴저지 혁신연구소(NJII) 에 WarpSPEE3D를 공급해 학부생을 위한 COMET(Operationalized Manufacturing Engineering Training) 프로그램에 활용되었고, 

2023년에는 UC 어바인(UC Irvine) 과 협력해 CSAM 기반 소재 응집 연구에 WarpSPEE3D를 도입한 바 있다.

  

SPEE3D의 최고영업책임자(CSO) 폴 말로니(Paul Maloney) 가 과거 RAPID 전시회에서 밝힌 바에 따르면, 이러한 산업-학계 협력은 여러 측면에서 이점을 제공한다. 

학생들에게는 현장 실습을 통한 인력 양성 기회를 제공해 졸업 후 취업 경쟁력을 높여주고, 나아가 창업의 기반이 될 수도 있다. 동시에, 공동 연구를 통해 기술 개발을 더욱 발전시키는 상호 이익도 창출된다.

 

 

 

 

정밀주조 공정에 SLA 3D 프린팅 패턴을 채택해야 하는 이유

제품 수명 주기의 단축, 주조 인력 부족, 그리고 더욱 복잡한 형상의 요구에 대응하기 위해 주조업체들은 

3D 프린팅 기반의 적층 제조 기술을 도입하여 캐스팅 패턴을 출력하고 있으며, 이로써 증가하는 시장 수요에 효과적으로 대응하고 있습니다.

 

 

1. 비용 

3D 프린팅된 인베스트먼트 주조 패턴을 활용하면 비용을 획기적으로 절감할 수 있습니다.

소형부터 중형 크기의 패턴 수백 개를 전통적인 금형 제작 및 가공 방식보다 더 빠르고 저렴하게 확보할 수 있습니다.

2. 시간

3D 프린팅된 인베스트먼트 주조 패턴으로 비교할 수 없는 빠른 납기를 경험해보세요. 

왁스 패턴 제작에 걸리던 수주일의 시간을 절약하고, 제품 출시 기간을 단축할 수 있습니다. 

생산성을 높이고 부품 제작 속도를 향상시켜 고객에게 더 빠르고 고급스러운 서비스를 제공할 수 있습니다.

3. 더 높은 설계 복잡성 구현

복잡한 형상의 부품도 빠르고 손쉽게 제작 가능하며, 이는 오직 적층 제조(Additive Manufacturing) 공정을 통해서만 실현됩니다.

 

4. 리드타임의 획기적 단축, 설계 유연성

시간 손실이나 추가 금형 비용 없이 언제든지 패턴 설계를 수정하거나 변경할 수 있습니다.

 

 

5. 확장 가능한 생산

추가적인 3D 프린터 도입만으로 캐스팅 패턴 생산 능력을 손쉽게 확장할 수 있으며, 소프트웨어가 이 모든 과정을 매끄럽게 지원합니다.

 

 

6. CAD 그대로의 정밀한 패턴 정확도

소량 생산, 브릿지 툴링, 또는 단발성 설계 검증 등 어떤 용도이든 3D 프린팅된 인베스트먼트 캐스팅 패턴은 부드러운 표면과 CAD 도면 그대로의 정밀도를 유지하며 높은 품질의 주조 결과를 제공합니다.

 

 

 

 

결론

▶ 적층 제조가 주조 응용 분야를 변화시키는 방법:

속도 – 몇 시간 만에 견고하고 정확한 패턴 제공

무제한 패턴 형상 – CNC 또는 밀링으로는 불가능한 설계로 성공

취급 용이성 – 크고 가벼우며 안정적이며 배송 가능한 패턴 생산

▶ QuickCast Diamond가 고급 성능을 지원하는 방법:

해부학이 필요 없는 새로운 초저점도 3D 프린팅 재료로 더 나은 패턴 배출

새로운 QuickCast Diamond 빌드 스타일로 재료 효율성 향상

더 가벼운 패턴을 위한 제작 시간 단축(최대 20% 빨라짐)(무게 최대 30% 감소)

부품의 후처리 및 접합을 용이하게 하는 토털 주조 솔루션으로 더 큰 주조 패턴이 가능합니다.

모터스포츠 산업의 3D 프린터 : 3D 프린팅 생산성으로 알핀 F1 팀의 R&D 촉진 

포뮬러 원 경주는 끈질긴 혁신에 힘입은 인내의 엔지니어링 스포츠입니다. 팀은 끊임없이 변화하는 최고 성능에 도달 및 능가하기 위해 지칠 줄 모르고 일하며 그 정신 또한 알핀 F1 팀 (구 르노 F1 팀)과 다를 바 없습니다.

이곳의 연구 및 개발 장비는 결코 멈추지 않으며 기술 파트너의 공헌은 조직이 목표를 달성할 수 있도록 돕는데 중요한 역할을 합니다.

 

 

 

 

R&D 파트너십

영국 엔스톤에 있는 알핀 F1 팀은 1998년부터 3D Systems의 기술을 그 핵심 작업에 사용하고 있습니다. 

원형 제작용 3D 프린팅을 일찍 채택한 이 레이싱 팀은 3D 프린팅 기술 궤적을 따라 3D 프린팅을 사용해왔습니다. 초기에는 기능 및 설계 정합도 확인과 정확한 조립을 위한 지그와 고정장치용도에 사용했습니다. 

3D Systems의 응용 엔지니어들은 알핀 F1 팀이 활용할 수 있는 기회, 재료 및 방법을 이해하고 포착할 수 있도록 도왔습니다. 이 팀이 풍동 설비에 필요한 것을 얼마나 충족할 수 있는지에 따라 

3D Systems와의 파트너십은 물론 매몰 주조용 3D 프린팅과 DMP(direct metal printing) 연구를 통한 신이 결정되는 상황이었습니다.

Chester는 “그 과정에서 포물러 원 팀이 3D Systems로부터 받은 지원은 계속 진화했습니다. 

되돌아보면 재료 특성이 개선될 때마다 팀은 해결이 필요한 엔지니어링 문제에까지 재료를 사용해보고 싶어 했습니다. 

적층 제조로 생산되는 차량 구성품 수가 매해 증가하며 설계 활용성과 생산 시간 및 비용 절감의 측면에서 팀은 상당한 이점을 얻었습니다”라고 말합니다.

 

 

 

▶그림1. 3D Systems의 SLA를 사용해 알핀 F1 팀은 엔지니어링 문제에 신속하게 대처할 수 있습니다.

▶그림2. 3D로 프린팅되는 매몰 주조 패턴을 통해 크고 복잡한 금속 부품을 더 빨리 손에 넣을 있습니다.

▶그림3. 3D Systems와의 파트너십 덕분에 DMP(Direct Metal Printing)에서 탐색하며 차량 부품의 혁신을 구현할 수 있습니다.

 

 

                        ▶ 광조형(SLA) 프린터                                           ▶ 선택적 레이저 소결(SLS) 프린터

 

 

현재 알핀 F1 팀에서 사용하는 3D Systems 프린터에는 광조형(SLA) 프린터 여섯 대와 선택적 레이저 소결(SLS) 프린터 세 대가 있습니다. 

사용되는 소재에는 지그와 고정장치, 유체 흐름 지그, 매몰 주조 패턴 및 풍동 부품을 제작하는 Accura® 범위와 전기함과 냉각 덕트 같이 차량에서 사용되는 부품용 DuraForm® PA 및 DuraForm GF이 있습니다. 

맞는 재료를 찾아 설계 전체 과정의 작업 효율을 높이기까지, 알핀 F1 팀과 3D Systems는 파트너십을 통해 트랙 안팎에서 성능을 개선하고 있습니다.

 

 

매일 진화하는 경주 차

알핀 F1 팀은 규정 변화와 차량 성능 개선에 목표를 둔 R&D 주기에 따라 매해 신차를 설계하고 제작합니다. 

포뮬러 원 규정 변화에 따라 수반될 수 있는 문제의 예를 들자면, 2017년 시즌 업데이트로 더 크고 무거운 타이어, 더 넓은 프론트 윙, 더 낮고 넓은 리어 윙, 더 높은 디퓨저가 포함되면서 2017년 부품을 2016년에 사용하지 못하게 되었습니다. 

경주 시즌이 시작되면 그 부담이 계속 가중됩니다. 다음 경주까지 단 일주일 만에 엔지니어링 변경을 완료해야 하는 경우도 있습니다. 특정 용도의 서킷에서 울퉁불퉁하고 구불구불한 도로 트랙까지 각 경주마다 엔지니어들은 

구조, 온도, 아스팔트 유형과 관련된 문제를 해결해야 합니다.

이 팀은 각 서킷별 문제에 끊임없이 대비하며 경주 사이에도 거의 쉬지 않고 연구 결과물을 차량과 장비에 배치합니다. 

3D 프린팅의 속도와 정확성이 이 개발 경주에 가치를 더해줄 수 있다는 사실은 말할 것도 없습니다. 알핀 F1 팀의 고급 디지털 제조 책임자인 Patrick Warner는 "경주 시즌 중에도 차량은 매일 진화합니다. 

트랙마다 새 부품이 필요하기 때문에 적층 제조가 주는 이점은 더욱 중요해지고 있습니다"라고 말합니다.

 

 

 

▶ SLA 프린터로 제작된 풍동 

 

 

신속한 설계 검증

고속 원형 제작용 3D 프린팅은 처음부터 경주차의 내부 부품을 조밀하게 채워 넣고 공기역학 서피싱 패널링의 제한을 받는 스포츠에서 유용하다는 것이 입증되었습니다. 

알핀 F1 팀의 공기역학 전문가들은 정합도와 기능 테스트에서 3D 프린팅 기술의 가능성을 바로 알았습니다. 3D Systems 프린터로 복잡한 구성품을 생산할 수 있는 것을 확인했기 때문이었습니다. 

그 결과 3D 기술 사용이 증가하면서 고속 원형 제작에서 풍동 모델 제조까지 점차 확대되었습니다.

Warner는 “풍동 시험에서 공기역학은 경험 과학입니다. 우리는 새로운 아이디어를 설계하고 비교하며, 따라야 할 지침을 선택합니다.

더 많은 아이디어를 비교하고 평가할수록 경주에서 성공할 가능성이 커집니다”라고 말합니다. 부품 품질, 프린터 가동 시간 및 처리량의 측면에서 3D Systems의 SLA는 경주 팀의 생산성을 높여줍니다.

풍동 확장에 따른 공기역학 개선

알핀 F1 팀의 공기역학 부서는 최근에 크게 성장하며 현재는 공기역학 전문가, 풍동 기술자, 모형 제작자를 포함해 직원 수가 120 명입니다. 

Warner는 이러한 성장이 3D Systems 적층 제조 기술 사용이 늘면서 가속화되었다고 말합니다. 

Warner는 3D Systems 기술을 사용한 주된 이유로 복잡한 내부 채널을 풍동 시험 모형 설계에 통합할 수 있다는 점과 더 많은 압력 값을 판독할 수 있다는 점을 듭니다.

Warner는 "풍동 내 차량 모형에는 복잡한 압력 센서망이 있습니다. SLA 기술을 사용하기 전에는 드릴로 금속과 탄소 섬유 구성품에 압력 탭을 만들어 배치했습니다. 

이제는 내부 채널이 복잡하게 얽혀 있는 복잡한 고형물을 생산할 수 있는 능력으로 이러한 센서를 배치하고 그 수를 늘릴 수 있게 되었습니다. 공기역학 전문가들의 꿈이 실현된 것입니다”라고 말합니다.

Warner는 풍동 시험에서만 매주 600개의 적층 제조 부품을 생산해야 하는데 이 모두를 고급 디지털 제조(ADM) 부서의 엔지니어 다섯 명이 해낸다고 말합니다.

Warner는 "기존 방식으로는 어림 없는 일입니다. 소도시 규모의 기계 공장이 있어야 가능한 일입니다. 3D Systems 덕분에 한 번에 해결할 수 있습니다. 

필요한 장비와 재료, 바로 서비스를 제공해주는 애플리케이션 엔지니어들의 전문성을 모두 갖추게 되었습니다"라고 말합니다.

차량 부품의 제조 속도와 정밀도

생산성과 효율성 측면에서 3D 프린팅 덕분에 알핀 F1 팀은 계속 새롭게 바뀌는 경주 환경에서 접하게 되는 어려움에 대응할 수 있는 능력을 획기적으로 강화할 수 있었습니다. 

SLA 와 SLS, 복잡한 지그와 고정장치, 유체 흐름 리그, 차량 구성품을 생산하는 시간을 몇 주에서 몇 시간으로 단축할 수 있어 3D 기술은 포뮬러 원의 물류 문제를 해결하는 데 적합합니다.

풍동에서 매월 실시되는 대량의 구성품 시험 외에도 알핀 F1 팀은 많은 경주 차 부품을 직접 제작합니다. 

알핀 F1 팀의 최고 운영 책임자인 Rob White는 "3D Systems의 기술로 새로운 제조 공정이 효과적으로 가동됨에 따라 사이클 시간과 비용이 절감되면서 팀에게 큰 이점이 되었습니다. 

풍동에서 동일 부품을 여러 번 반복 시험할 수 있으며, 매해 실제 차량의 소결 부품 수가 증가하고 있습니다”라고 말합니다.

3D 프린팅으로 포뮬러 원 팀은 부품 무게를 줄이면서 속도를 높이고 연비를 개선하는 것은 물론 정확하고 효과적인 유동 시험으로 엔진 성능은 개선하고 마모는 줄일 수 있게 되었습니다. 

설계가 완료되면 선택한 재료와 함께 포뮬러 원 팀의 ADM 부서로 보내 생산하게 됩니다. SLA와 SLS를 사용하여 복잡한 자동차 구성품을 더 빨리 생산할 수 있으며, 시스템을 통해 설계도가 전달되기 전에도 부품 검사 준비가 완료되는 경우도 있습니다.

SLA를 사용하여 3D로 프린팅한 매몰 주조 패턴도 엔스톤에서 변속기와 서스펜션 구성품 같은 용도에서 점차 많이 사용됨에 따라 

포뮬러 원 팀의 엔지니어들은 복잡도의 제한이 없어지면서 보다 창의적으로 부품을 설계할 수 있습니다. SLA 공정이 매우 정확해 프론트엔드 패턴 생산은 물론 최종 주조물의 백엔드 검증 가공에 걸리는 시간이 절감됩니다.