음향 모니터링 – 레이저 기반 적층 제조 상용화의 핵심일까?

적층 제조 시장이 성장하고 있습니다. 산업 연구 추정치에 따르면, 2020년에 71억 7천만 유로로 평가된 전 세계 금속 및 폴리머 적층 제조 시장은 2026년까지 192억 3천만 유로로 확대될 것으로 예상됩니다. 이 성장 궤적은 6년 동안 거의 3배 증가함을 시사합니다.

다양한 산업 분야가 생산 목표 달성을 위해 적층 제조를 활용하고 있습니다. 특히, 항공우주, 터빈, 헬리콥터 부문이 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 그 뒤를 의료 산업이 크게 따르고 있습니다.

시장의 규모가 커지고 적용 분야가 확대됨에 따라, 적층 제조는 형태와 적용 가능성 모두에서 크게 다양화되었습니다. 이 영역에서 눈에 띄는 발전은 레이저 기반 적층 제조입니다. 다음 섹션에서는 그 상업적 잠재력과 음향 모니터링이 성공적인 적용에 기여할 수 있는 중요한 역할을 살펴보겠습니다.

하지만 이러한 측면을 깊이 탐구하기 전에, 레이저 기반 적층 제조가 실제로 무엇을 의미하는지 먼저 이해하는 것이 중요합니다.

레이저 기반 적층 제조란?

MIT Sloan School of Management는 적층 제조를 “한 번에 한 층씩 물체를 만드는 과정”이라고 정의합니다. 이는 고체 재료 블록을 절삭하여 최종 제품을 완성하는 전통적인 감산 제조와는 반대됩니다.

정의에 따르면, 적층 제조는 무언가를 쌓아 올려 제품을 만드는 모든 과정을 의미할 수 있습니다. 그러나 실제로는 3차원 프린팅을 가리킵니다.

3D 프린팅의 역사를 살펴보면, 1977년 Wyn Kelly Swainson이 액체 플라스틱에 잠긴 트레이에 레이저를 조사해 상단에 고체 플라스틱 층을 융합하는 방식을 특허받은 것이 시작점입니다. 1999년 Wake Forest Institute for Regenerative Medicine 연구진이 3D 프린팅으로 방광을 제작했으며, 이는 인류 역사상 최초의 3D 프린팅 장기가 되었습니다. 최초의 기능성 3D 프린팅 가구는 2005년에 등장했으며, 대규모 산업용 3D 프린팅 사례로는 보잉이 FAA 승인을 받은 787 드림라이너용 티타늄 부품을 3D 프린팅한 것이 있습니다.

적층 제조가 시작된 이래로 레이저는 핵심 요소였습니다. Laser Systems Europe는 산업용 레이저 시스템을 재료 가공에 사용하는 통합자와 사용자를 위한 케임브리지 기반 출판물로, 레이저 적층 제조를 “레이저 빔을 사용해 와이어 또는 파우더 재료의 연속적인 층을 융합하거나 녹여 3D 물체를 만드는 과정”이라고 정의합니다.

이 기술은 고강도 금속 합금부터 열가소성 플라스틱 및 수지에 이르기까지 다양한 재료에 적용됩니다. 복잡한 형상을 높은 정밀도로 제작할 수 있습니다.

기술이 발전함에 따라 레이저는 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 레이저는 통신, 방위, 의료, 청정 에너지·핵융합 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 레이저 기반 적층 제조도 마찬가지로 다양한 적용 분야와 많은 장점을 가지고 있습니다.

클릭하면 레이저가 향후 수십 년간 기술 발전과 함께 핵심 역할을 할 것이라는 내용을 확인할 수 있습니다.

레이저 기반 적층 제조의 유형 및 장점

레이저 기반 적층 제조는 파우더 베드 퓨전, 직접 에너지 증착, 소재 분사, 시트 라미네이션, 스테레오리소그래피 등 다양한 유형이 있습니다.

가장 두드러진 장점 중 하나는 최적화된 기하학적 구조를 가진 복잡한 형태를 제작할 수 있다는 점입니다. 기존 적층 제조 기술은 이러한 수준의 정밀도를 달성하지 못합니다.

레이저 기반 적층 제조가 제공하는 정밀성은 후처리 필요성을 크게 줄여줍니다. 재료 폐기물을 최소화하고 전통적인 제조 공정에 비해 에너지 소비를 크게 감소시킵니다.

레이저 기반 적층 제조 공정은 자동화와 맞춤화가 용이합니다. 정밀성과 자동화 특성이 결합되어 빠른 프로토타이핑을 현저히 낮은 비용으로 구현할 수 있는 효율적인 솔루션이 됩니다.

레이저 기반 적층 제조는 조립이 필요 없기 때문에 수요에 정확히 맞춰 제작할 수 있으며, 필요한 재료만 사용해 과잉이나 폐기물을 없앱니다. 또한 물류·운송·폐기물 관리에서 발생하는 탄소 발자국을 감소시켜 환경에도 긍정적인 영향을 미칩니다.

레이저 기반 적층 제조 적용 분야

레이저 적층 제조의 적용 범위는 매우 넓습니다. 예를 들어 항공우주 산업에서는 고성능이면서 경량인 부품 제작에 필수적입니다. 이 기술은 자동차 산업에서도 엔진, 변속기, 배기 시스템, 브레이크 등 핵심 부품 생산에 활용됩니다.

또한 의료 분야에서는 환자 맞춤형 복잡 설계 제작에 중요한 역할을 합니다. 여기에는 고관절·무릎 임플란트와 치과 임플란트 등 다양한 보철 솔루션이 포함됩니다.

전자 분야에서는 레이저 적층 제조의 정밀성을 활용해 고정밀 PCB를 제작합니다. 이를 통해 안테나·센서·트랜지스터 등 미세 부품을 포함한 전자 제품을 생산할 수 있습니다.

이 기술은 마이크로전기기계시스템(MEMS) 제조에서도 그 잠재력을 보여줍니다. 여기서는 가속도계·자이로스코프와 같은 정교한 부품을 만들 수 있습니다.

에너지 분야에서는 가스·풍력 터빈 부품 수리에 레이저 적층 제조가 유용합니다. 또한 임펠러·밸브·열교환기와 같은 부품 제조에도 핵심적인 역할을 합니다. 그러나 레이저 적층 제조는 아직 충분히 상용화되지 않았습니다.

레이저 적층 제조: 상용화 부족

2016년 연구에서는 레이저 적층 제조의 상용화 수준을 실증적으로 분석했습니다. 이 조사에 따르면 모든 레이저 소스를 포함한 전 세계 산업용 레이저 시장 규모는 약 US$33억으로 추정되며, 그 중 적층 레이저 소스는 단지 US$1억에 불과했습니다. 비율로 보면 레이저 소스는 전체 시장 가치의 3%에 불과합니다.

이 수치는 산업 관계자로부터 받은 정성적 정보와도 일치합니다. 예를 들어 항공우주 산업에서는 규제 환경 때문에 레이저 적층 제조가 주로 프로토타이핑에만 제한되어 상업용 항공기에 적용되지 못하고 있습니다. 자동차 산업에서도 레이저 적층 제조 부품의 인증 사용이 최근에야 시작되었습니다.

따라서 레이저 적층 제조의 향후 성장은 대규모 제조 산업에서의 활용을 찾는 데 달려 있습니다. 또한 기존보다 더 두드러진 잠재력을 강조하는 혁신이 필요합니다.

음향 모니터링: 레이저 적층 제조의 게임 체인저

레이저 기반 적층 제조가 기대만큼 빠르게 확산되지 못한 핵심 이유는 예기치 않은 결함 문제와 연결됩니다. 이러한 결함은 열영상이나 머신러닝 알고리즘과 같은 기존 방법으로는 감지하기 어렵습니다.

따라서 실시간으로 결함을 효율적으로 감지할 수 있는 능력이 중요합니다. 이 능력은 레이저 적층 제조가 진정한 상업적 잠재력을 실현하는 데 크게 기여할 수 있습니다.

간단히 말해, 음향 모니터링을 통한 결함 감지는 완벽한 출력과 결함·불규칙이 있는 출력 사이의 소리 차이를 실시간으로 분석하는 솔루션입니다.

음향 모니터링이 레이저 적층 제조 결함 감지 수단으로서 갖는 중요성을 언급하며, EPFL 공학 학교 열기계 금속학 연구소 책임자인 Roland Loge 교수는 다음과 같이 말했습니다:

“우리 연구는 그 중요성을 확인할 뿐만 아니라 기존 방법에 비해 우수한 장점을 강조합니다.”

이 과정은 특히 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 제품 품질 향상에 비용 효율적입니다. 레이저 파우더 베드 퓨전 공정에서는 파우더 층을 빌드 플랫폼 위에 펼친 뒤, 레이저 빔으로 특정 영역을 선택적으로 녹입니다. 융합이 완료되어 고체 물체가 형성되면 다시 새로운 파우더 층을 얹어 동일 과정을 반복합니다. 이러한 층‑층 반복이 최종 제품이 완성될 때까지 지속됩니다.

클릭하면 주요 적층 제조·3D 프린팅 주식 목록을 확인할 수 있습니다.

음향 모니터링을 통한 결함 감지 기술

EPFL 팀은 Paul Scherrer Institute(PSI)와 스위스 연방 재료 과학·기술 연구소(Empa)와 협력해 설계를 고안했습니다.

목표 달성을 위해 팀은 프린팅 챔버 내부에 초고감도 마이크를 설치했습니다. 이 마이크는 공정 전환 시 음향 신호의 뚜렷한 변화를 포착하고, 궁극적으로 제조 결함을 식별하는 데 도움을 주었습니다.

이 연구는 레이저 적층 제조 분야에 가치를 제공했으며, 연구 결과가 항공우주·정밀 제조 등 레이저 적층 제조의 산업 적용에 크게 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

많은 레이저 적층 제조 기업이 다양한 제품과 솔루션을 제공하고 있으며, 이들은 이제 연구 결과를 활용해 자체 공정에 통합하려는 단계에 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 혁신적이고 선도적인 레이저 적층 제조 기업들을 살펴보겠습니다.

레이저 기반 적층 제조를 상용화하는 주요 기업

#1. IPG Photonics Corporation

두 가지 레이저 적층 제조 공정이 IPG 레이저를 사용합니다: LMD(레이저 메탈 디포지션)와 SLM(선택적 레이저 용융). SLM은 기계적 특성이 향상된 완전 치밀 금속 부품을 생산하는 데 중요한 역할을 하며, LMD 공정은 노즐을 통해 파우더를 레이저 초점에 동축으로 공급해 완전 치밀 기능성 금속 부품을 제작합니다.

이러한 공정을 향상시키는 데 IPG 섬유 레이저가 핵심 역할을 합니다. 특히 다중 킬로와트 전력 수준에서 더 빠른 파우더 적층·증착 속도를 달성하는 시스템 및 공정 개발에 필수적입니다.

IPG 레이저 적층 제조 공정과 호환되는 재료 범위는 매우 다양하며, 예시로는:

• 폴리머
• CoCr
• 알루미늄
• Ti 합금
• 스테인리스 스틸
• 공구강

이러한 기술 진보의 성공을 입증하듯, IPG Photonics Corporation은 2022년 12월 31일 종료된 회계연도에 강력한 재무 실적을 보고했습니다. 회사는 14억 달러 이상의 매출을 기록했으며, 보통주당 순이익(기본)은 2.17달러였습니다.

#2. Laser Melting Innovations (LMI) 

혁신적인 레이저 적층 제조 솔루션 제공업체인 LMI는 모든 규모와 유형의 기업이 기술을 활용할 수 있도록 하는 비전을 가지고 있습니다.

주력 제품인 Alpha 140은 200W 전력을 갖춘 공랭식 섬유 레이저를 사용하며, 스테인리스 스틸, 니켈 합금, 공구강 합금 및 알루미늄 합금 가공에 적합합니다. 140 µm 초점 직경은 정밀한 출력과 미세 디테일, 얇은 벽을 구현합니다. 스핀들 구동 축 시스템은 높은 위치 정확도와 반복 정밀도를 제공합니다.

시스템의 1.75 m × 0.95 m 크기는 연구실 및 실험실 환경에서 공간 효율성을 높여줍니다. Alpha 140이 생산한 부품은 기존 LPBF 기계가 만든 부품과 강도와 밀도 면에서 동등합니다.

LMI는 1996년에 설립되었으며, 2020년에는 자동차, 의료, 항공우주 등 다양한 산업에 적층 제조 솔루션을 제공하는 기계 제조업체 Kurtz Ersa와 협력해 Alpha 140을 전 세계 유통망과 24시간 서비스를 통해 판매하기 시작했습니다.

#3. Prima Additive 

Prima Additive는 Prima Industries spa의 사업부로, 레이저 파우더 베드 퓨전(LPBF) 또는 선택적 레이저 용융 솔루션을 제공하며, 레이저의 열 에너지를 이용해 물체의 특정 부분을 금속 파우더 층과 융합합니다.

Prima Additive의 레이저 솔루션은 복잡한 형상, 소량 배치 생산 시스템, 프로토타입 제작에 효과적이며, 총 다섯 가지 솔루션을 보유하고 있습니다.

Print Sharp 150은 강철, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 코발트 크롬 합금 등 다양한 재료 가공을 위한 R&D 적용에 적합합니다.

다른 모델인 Print Genius 150은 다중 레이저 기술의 다재다능함이 특징이며, Print Green 150은 녹색 레이저를 사용해 순구리, 구리 합금 및 고반사 재료 가공에 특히 유리합니다.

대규모 생산을 위한 300 Family 솔루션은 고생산성 시나리오에 최적화되어 중·대형 부품 제조에 적합합니다.

마지막으로 Print Genius 400은 최대 1 m 높이의 대형 부품을 자동화된 방식으로 생산할 수 있는 옵션을 제공합니다.

재무적으로는 Prima Industries Spa(Prima Additive의 모회사)가 2022년 9월 30일 종료된 9개월 동안 3억 2,700만 유로 이상의 순매출을 기록했으며, 이는 2021년 동일 기간 2억 8,100만 유로 대비 크게 증가한 수치입니다.

음향 모니터링 및 기타 기술과 함께하는 레이저 적층 제조의 미래

혁신이 지속되는 한, 레이저 적층 제조가 진정한 상업적 잠재력에 도달하는 것은 시간 문제입니다. 그 사이 음향 모니터링은 핵심 도구로 부상하고 있습니다. 이 기술은 제조 기술을 보다 일관되게 만드는 데 기여할 것이며, 결함을 조기에 감지하고 수정함으로써 가까운 미래에 제품 품질을 크게 향상시킬 것으로 기대됩니다.