적층 제조
3D 프린팅 메타물질이 자동차 안전을 재정의할 수 있다
금속 디자인 만들기
Metallurgy는 초기 문명의 원시 금속 공예 이후 지속적으로 진화해 온 기술입니다. 최근까지 대부분의 금속 가공은 몰딩(금속을 녹여 빈 형태로 만들기)이나 포징(금속을 두드려 형태를 만드는)과 같은 기술에 의존했습니다.
금속 재료를 처리할 수 있는 3D 프린팅 기술의 등장으로 금속 부품을 생산하는 완전히 새로운 방법이 추가되었으며, 우리는 아직 그 잠재력을 실현하는 초기 단계에 있습니다.
예를 들어, 새로운 티타늄 합금, 수소 주입 3D 프린팅, 또는 진동을 흡수하는 기하학적 프린팅이 있습니다.
영국 글래스고 대학교, 이탈리아 마르케 폴리테크닉 대학교, 그리고 이탈리아 국립핵물리연구소 연구진은 이제 3D 프린팅을 이용해 자동차 충격 흡수 장치를 대체할 수 있는 새로운 형태의 비틀린 메타물질을 만들었습니다.
그들은 Advanced Materials1에 “적응형 비틀림 메타물질”이라는 제목으로 결과를 발표했습니다.
내장형 충격 흡수
자동차가 처음 만들어졌을 때는 충돌에 대한 보호가 거의 없었습니다. 이후 초기 충격 흡수 장치인 크래시 박스와 범퍼는 차량 충돌 시 발생하는 모든 상황에 대해 단일 힘‑변위 반응을 제공했습니다.
현대 자동차는 충돌 시 차체가 대부분의 운동 에너지를 흡수하도록 설계되어 승객에게 전달되는 에너지 양을 제한합니다.
“점점 더 엄격하고 종종 상충되는 안전 기준을 충족해야 하는 필요성이 증가함에 따라, 희생 부품의 구조 최적화에 초점이 맞춰졌으며, 이는 기계 설계 철학을 진전시켰습니다.”
시트벨트의 광범위한 채택과 함께, 이 혁신은 지난 수십 년간 자동차 충돌 사망자를 크게 감소시키는 주요 동력이 되었습니다.
출처: Haug Farrar
이는 주로 구조 기하학을 수정하거나 검증된 에너지 흡수 장치에 서로 다른 재료를 결합해 에너지 소산을 향상시킨 덕분에 이루어졌습니다.
하지만 에너지 흡수는 시나리오와 관계없이 일정하게 유지됩니다(예: 보행자와의 충돌 또는 벽과의 충돌). 이는 힘‑변위 반응이 고정되어 있기 때문입니다.
압축–비틀림 결합 기계식 (CTCM) 메타물질
현재 충격을 흡수하는 방법에 대한 유망한 대안은 CTCM 메타물질(Compression–Torsion Coupling Mechanical)입니다.
이 메타물질은 재료 축을 둘러싼 압력을 비틀림 움직임, 즉 코르크스크류와 같은 회전 운동으로 변환시켜 충격 에너지를 흡수하도록 설계되었습니다.
이는 단순히 압력 하에 압축되는 금속 격자보다 한 단계 앞선 기술입니다.
이 재료들은 3D 프린팅 제조의 능력을 최대한 활용해 매우 복잡한 형태와 구조를 만들 수 있으며, 이는 다른 어떤 방법으로도 구현할 수 없습니다.
힘 의존 반응
이전의 충격 흡수 재료는 기본적으로 구부러지거나 구부러지지 않았습니다. 따라서 큰 충격을 견디기 위해서는 작은 충격을 견뎌야 하는 경우가 많았습니다.
“오늘날 대부분의 차량에 사용되는 보호 재료는 정적이며, 특정 충격 시나리오에 맞춰 설계되어 변하는 조건에 적응하지 못합니다.”
Professor Shanmugam Kumar – University of Glasgow
대신, STCM 메타물질의 복잡한 형태는 특정 요구 사항에 맞게 미세 조정될 수 있습니다.
연구진은 작은 충격에도 많은 에너지를 흡수하면서도, 이후 고속·고에너지 충격에 대해서도 보호를 제공할 수 있는 형태를 설계했습니다.
첫 번째 붕괴 밴드(즉, 초기 붕괴 응력) 이후, gyroid‑sheet 재료의 연성은 파괴적인 실패 없이 안정적인 압축 반응을 가능하게 했습니다.
이는 STCM 메타물질이 기존의 일반 폼이나 크럼플 존보다 우수하다는 것을 의미합니다. 무거운 충돌에 대해서는 더 강직한 저항을, 가벼운 충격에 대해서는 부드러운 완충을 제공할 수 있습니다.
새로운 충격 흡수 장치 만들기
이 결과는 고도로 다공성인 gyroid 격자 형태를 만들고, 3D 프린팅으로 실제 부품을 제작한 뒤 CT 스캔으로 CAD 모델과 비교 분석함으로써 달성되었습니다.
실제 재료는 CAD 모델과 다소 차이가 있었는데, 일부 영역에서 금속 축적이 더 두꺼워(밀도 11.8% 증가) 실제 충격 저항성은 정확히 예측되었습니다.
압축을 가하면, gyroid 격자는 이를 비틀림으로 전환하고, 경계 조건을 변경함으로써 에너지 흡수 특성을 조정할 수 있습니다.
이 재료들은 충격 유형과 강도에 따라 자체 특성을 변화시켜 영향을 완화할 수 있습니다.
응용 분야
현재 금속 3D 프린팅은 초기 금속 3D 프린터의 높은 비용 때문에 주로 항공 및 우주 산업에 국한되어 왔습니다. 그러나 기술이 성숙하고 생산 규모가 확대되면서 상황이 빠르게 변하고 있습니다.
“우리는 이 재료가 향후 자동차와 항공우주 안전 분야 모두에 적용될 수 있을 것으로 보고 있으며, 필요에 따라 다양한 요구에 적응할 수 있는 새로운 재료 클래스를 제공할 것입니다.
또한 충격을 회전 운동 에너지로 전환함으로써 새로운 형태의 에너지 수확을 지원할 수도 있습니다.”
따라서 몇 년 안에 비틀림 gyroid 구조를 통해 조절 가능한 에너지 흡수, 붕괴 응력 및 강성을 제어하는 새로운 적응형 충돌 방지 재료 클래스를 볼 수 있을 것입니다.
스와이프하여 스크롤 →
| 특징 | 기존 흡수 장치 | CTCM 메타물질 |
|---|---|---|
| 반응 유형 | 고정된 힘‑변위 | 적응형, 조절 가능한 압축‑비틀림 |
| 재료 구성 | 폼, 벌집 구조, 금속 시트 | 3D 프린팅된 gyroid 격자 |
| 에너지 흡수 효율 | 보통, 일정함 | 높음, 충격마다 가변 |
| 제조 방법 | 주조 또는 포징 | 적층 제조 |
| 잠재적 활용 | 범퍼, 크래시 박스 | 적응형 충돌 보호, 항공우주 패널 |
초기에는 응용 분야가 철도, 항공우주 및 방위 산업에 국한될 가능성이 높으며, 이후 고급 모델에서 보급형 모델에 이르기까지 자동차 부문 전반으로 확대될 것입니다.
3D 프린팅에 투자하기
Nano Dimension
Nano Dimension은 처음에 3D 프린팅 전자제품에 집중했습니다. 여기에는 전도성 또는 유전체 잉크 및 세라믹과 같은 매우 특수한 기술이 포함됩니다. 이러한 기술은 예를 들어 광학 또는 무선 부품을 제작하는 데 사용될 수 있습니다.
이는 우리가 “Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization”에서 추가로 탐구한 3D 프린팅의 나노스케일 적용 사례 중 하나입니다.
(NNDM )
특히 Nano Dimension은 인수와 내부 R&D를 병행하며 성장해 왔습니다. 이 전략은 2024년 Desktop Metal 인수를 통해 새로운 정점을 찍었습니다.
두 회사가 합쳐지면 전자제품부터 대형 산업 장비 및 항공우주까지 모든 규모의 금속 및 세라믹 3D 프린팅 분야에서 훨씬 강력한 입지를 확보하게 됩니다. 이는 SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronic 등 고객 기반을 통합함으로써 규모의 경제도 창출합니다.
또한 두 회사는 지리적으로 서로 다른 지역에서 주로 활동했으며, Nano Dimension은 유럽, Desktop Metal은 미국에 기반을 두고 있어 영업팀을 통합함으로써 시너지 효과를 낼 수 있습니다.
회사는 제조 과정에서 탄소 배출량을 94%, 물 사용량을 100%, 재료 사용량을 98%, 화학 물질 사용량을 82% 감소시켜 환경 발자국을 크게 줄일 수 있다고 주장합니다. 전반적으로 이러한 성과는 Nano Dimension을 3D 프린팅 분야의 기술 리더 중 하나로 부상시켰습니다.
출처: Nano Dimensions
또 다른 인수 는 Markforged를 1억 1500만 달러에 인수한 사례였습니다. 복합재 및 금속 적층 제조 장비에 집중하는 Markforged 인수는 Nano Dimension의 금속 3D 프린팅 시장 입지를 더욱 강화합니다.
“이 합병의 아름다움과 Markforged와 그들의 기술 세트의 아름다움은 우리 기술과 겹치지 않는다는 점입니다. 시너지는 유사한 기업들을 위한 응용 분야에 있습니다.”
Yoav Stern- Nano Dimension CEO
회사는 또한 인수와 내부 개발을 통해 3D 프린팅 소프트웨어 분야에서도 리더로 성장하고 있습니다.
하지만 투자자들은 3D 프린팅 산업 전체가 아직 현금 흐름이 마이너스 상태임을 인식해야 하며, 따라서 회사는 비용을 절감하거나 충분히 성장하여 향후 수익을 내야 할 필요가 있습니다.
(또한 우리의 보다 상세한 Nano Dimension 투자 보고서를 읽어볼 수 있습니다.)
최신 Nano Dimension (NNDM) 주식 뉴스 및 개발
참고 연구:
1. Mattia Utzeri, Maria L. Gatto, Edoardo Mancini, Donato Orlandi, Daniele Cortis, Marco Sasso, Shanmugam Kumar. . 적응형 비틀림 메타물질. Advanced Materials. 2025년 10월 22일. https://doi.org/10.1002/adma.202513714
