오늘 소개해 드리는 SPEE3D는 조금 특별합니다. 국내에서는 다소 생소한 이 3D 프린터는 기존 방식과 상당히 차별화되어 있는데요, 전 세계에서 유일무이하게 콜드 스프레이를 활용합니다. 콜드 스프레이, 이름만으로는 아무래도 조금 이해가 어려우시리라 판단이 됩니다. 여러분들이 더 손쉽게 이해하실 수 있도록 다소 재밌는 이미지를 직접 제작해 왔으니 이미지를 함께 보시며 자세히 알아보겠습니다.

먼저 여러분께 간단한 질문을 하나 드리겠습니다. 3D 프린터에 대해 얼마나 알고 계신지요?

혹여 잘 모르시더라도 괜찮습니다. 지금부터 3D 프린터의 역사를 요약해서 설명드리겠습니다. 지금은 세계적으로 널리 퍼진 생산 기술 중 하나이지만 예전에는 그렇지 못했습니다. 이 기술이 개발된 지 얼마 안 됐다고 알고 계신 분들도 많이 계신데요, 놀랍지만 사실 3D 프린팅 기술이 세상에 등장한 것은 자그마치 40년 전이었습니다.

이야기는 1980년대 초반으로 거슬러 올라갑니다. 위 사진에 계신 노신사의 성함은 척 헐(Chuck Hull), 현 3D Systems의 창립자이자 처음으로 적층 제조의 개념을 개발하신 분입니다. 즉, 현존하는 모든 3D 프린터의 기술 기반을 처음 개발하신 분이죠. 척 헐이 창립한 3D Systems는 현재 3D 프린터 시장을 주름잡고 있습니다.

3D 프린팅 기술이 세상에 모습을 드러낸 후 현시점까지, 강산이 무려 네 번이나 바뀔 긴 시간 동안 3D 프린터 역시 적층 제조 방식을 기반으로 끊임없는 발전을 이루어 왔습니다. 적층, 층을 쌓아 올려 기존의 2D 출력이 아닌 입체적으로 원하는 형상을 출력한다는 기본 베이스를 바탕으로 다양한 기술이 개발되었죠. 물론 사용 가능한 소재의 선택지 역시 가장 익숙한 플라스틱부터 시작해서 금속, 왁스 등등 상당히 넓어졌습니다.

하지만 최근 3D 프린터 시장을 보면 마치 오래 고인 물처럼 안타깝게도 눈에 띄는 변화가 없었던 것도 사실입니다. 분명 소요 기간 단축, 비용 절감이라는 이점을 가져다주었지만 사람들은 더 빠른 속도를 원했죠.

시장에 나와있는 전형적인 3D 프린터는 소프트웨어에 입력된 데이터를 아주 미세한 레이어로 쪼갠 후 각 레이어의 정보를 원하는 소재로 출력했습니다. 그 예시로 필라멘트 등을 녹여서 한 층씩 쌓아 올리거나 빛 혹은 레이저를 활용해서 각 층의 모양을 그려 굳히는 프로세스를 채택해 왔습니다.

이때 시장에 긴장감이 돌게 만든 뉴 페이스가 등장합니다. 바로 콜드 스프레이 메탈 적층 제조 기술이라는 타이틀과 함께 나타난 SPEE3D 입니다. 출시 이후 몇몇 선진국 군 기관의 관심을 한몸에 받은 그 장비, 핵심 원리부터 특징까지 자세히 분석해 보았습니다.

SPEE3D는 왜 특별할까요? 먼저 간단하게 원리를 풀어서 소개하는 시간을 가지도록 하겠습니다. 그러기 위해서는 이름부터 면밀히 분석해 볼 필요가 있는데요, 콜드 스프레이라는 단어를 주목해 주시기 바랍니다.

Cold Spray는 아마 익숙하실 겁니다. 핵심이 되는 원리는 초음속으로 금속 분말을 공기와 함께 3D 프린터 베드로 쏘면 금속 분말과 출력이 되고 있는 출력물이 서로 부딪히며 운동 에너지가 생기게 되고 그 에너지를 풀로 활용하여 금속 분말과 출력물이 붙게 되는 것입니다. 당연하지만 소프트웨어에 입력된 각 레이어의 모양대로 발사를 합니다.

위 사진을 보면 우뚝 솟아 있는 못 같은 형상이 하나 보입니다. 이것이 금속 분말을 초음속으로 발사하는 장치인 로켓 노즐입니다. 로켓 노즐은 발사용 부품으로써 마치 동네의 큰 나무처럼 굳건히 자리를 지킵니다. 그렇다면 어떻게 원하는 모양대로 출력을 할 수 있는 걸까요? 로켓 노즐이 가만히 있으니 대신 출력물이 출력되는 프린트 베드가 움직이게 됩니다. 그 프린트 베드를 움직이는 것은 로봇 팔이고요. 이 로봇 팔은 소프트웨어에 입력된 각 레이어의 모양에 맞춰 프린트 베드를 움직입니다. 여러분이 알고 계시던 전형적인 3D 프린터와 많이 다르죠?

로켓 노즐은 소모품이기 때문에 약 12달을 주기로 교체를 해야 하지만 규격에 맞는 부품을 직접 사서 따로 교체할 수 있고 아니시라면 저희에게 문의하여 기기의 소모품을 한꺼번에 교체할 수도 있습니다. 기존 장비의 경우 고출력 레이저 등이 고장 났을 시에 발생하는 유지 보수 비용이 적지 않게 발생하여 아무래도 부담감이 꽤 컸었는데요, 속된 말로 관리비가 적게 나가는 것은 상당한 장점입니다.

아직 어렵다면 적절한 비유를 보며 소개를 이어나가겠습니다. 대한민국의 건장한 남성이라면 꼭 지켜야 하는 의무가 있죠? 네, 국방의 의무입니다.

선배님들도 가장 꽃다운 나이에 추울 땐 춥고 더울 땐 진절머리나게 더운 지역에서 각자 치열하게 복무를 마치셨을 텐데 예비군 훈련까지 포함하여 가장 기억에 남는 것이 있다면 아마 사격이 아닐까 생각됩니다.

자, 그럼 마음속에 그렇게 열심히 광이 나도록 닦았던 총기를 떠올려 보시겠습니다. 군대를 다녀오지 않으신 분들은 아저씨, 오징어 게임 등 영화나 드라마에 꼭 빼놓지 않고 등장하는 총격전 장면을 복기해 보셔도 좋겠습니다.

우리는 지금 사로에 서있습니다. 부사수가 뒤에 있고 방송으로 설명이 흘러나옵니다. 노리쇠 후퇴 고정, 조정간 안전, 탄알집 인계, 탄알집 결합, 노리쇠 전진, 조정간 단발, 준비된 사수로부터 사격 개시...... 빵!! 총알이 빠르게 총구에서 발사되어 표적에 명중합니다.

또 다른 예시로 찰흙을 연상해도 됩니다. 찰흙을 손에 꼭 쥐고 류현진, 오타니 쇼헤이가 된 듯 힘껏 벽에 던지면 찹! 소리가 나면서 붙겠죠? 사격, 찰흙과 비슷한 원리로 금속 분말을 프린트 베드에 출력되고 있는 출력물에 강하게 쏘게 되고 서로 부딪히며 생기는 운동 에너지로 금속 분말과 출력물이 서로 붙게 되는 것입니다. 이 과정을 반복하다 보면 최종 부품이 출력되고요!

그렇다면 지금까지 잘 사용해 오던 방식을 내버려 두고 굳이 새로운 금속 3D 프린터를 도입해야 하는 이유가 있을까요? 기존 방식과 SPEE3D의 콜드 스프레이 적층 제조 기술은 어떻게 다른 걸까요?

한국기술에서 분석을 한 결과, 속도와 비용에서 꽤 명확한 차이가 난다는 사실을 발견했습니다. 적층 제조가 최초 등장하고 각 산업에서 활발하게 사용되기 전후는 눈에 띄는 차이가 존재합니다. 이전엔 약 8주에서 12주가량 걸렸던 공정을 자그마치 2~3일로 단축시킬 만큼 말이지요.

SPEE3D는 여기서 한 걸음 더 나아갔습니다. 메탈 파우더를 쏘는 콜드 스프레이를 접목시켜 속도를 더 끌어올린 것입니다. 몇 시간, 일 단위로 끊기던 기간이 분 단위로 내려왔습니다! 또한 가성비가 뛰어난 재료를 활용하기 때문에 경제적인 측면도 신경을 썼습니다.

어떻게 이런 성과를 얻을 수 있었을까요? 소프트웨어가 입력된 데이터를 미세한 레이어로 나눠서 정교하게 그리던 전형적인 3D 프린터와 달리 단번에 분사를 하여 얻은 결과입니다. 물론 장점과 단점은 공존하기 마련입니다. 장점은 신속하게, 더 저렴하게 필요한 부품을 얻어서 공정이 딜레이 되는 현상을 줄일 수 있다는 점입니다. 반면 단점은 여타 3D 프린터와 달리 섬세하게 출력물을 그려내지 않기 때문에 다소 투박한 형상에 더 적합하고 높은 정교함을 요구하는 인체 삽입형 임플란트 등 분야에는 살짝 적합하지 않습니다. 이런 경우에는 굉장히 뛰어난 정교함을 지닌 DMP 장비를 적극 추천드립니다.

그럼 SPEE3D와 궁합이 좋은 산업은 어디일까요? SPEE3D는 군과 오지 산업에 집중하는 면모를 보였습니다. 두 분야가 공통적으로 가지는 특징이 하나 있죠, 본부나 본사, 혹은 내륙 지방과 멀리 떨어진 곳에서 근무를 하기 때문에 최전방 GP, GOP에서 근무하는 병사들이 황금 마차로 물품을 조달 받는 것처럼 물품 조달에 큰 어려움이 있다는 것입니다.

예를 들어 작전 수행 중에 탱크의 한 부품이 고장이 나서 탱크가 제기능을 발휘하지 못한다고 가정해 봅시다. 혹은 바다 한가운데서 석유를 구하는 장비가 사소한 부품 때문에 가동이 안되는 상황도 있겠습니다. 정말 그 사소한 손잡이가 없어서 맷돌을 돌리지 못하는 것처럼 어이없는 손실이 발생합니다. 기계가 돌아가지 않아 초래된 경제적 손해, 나아가 무기가 고장 나서 생기는 인명 피해, 모두 무시하기 어렵습니다.

SPEE3D는 여기서 아이디어를 얻었습니다. 이렇게 긴박한 상황에 필요한 임시방편, 심지어는 오래 쓰기 위한 최종 파트를 장소에 구애받지 않고 필요한 순간에 즉시 뽑아서 쓸 수 있다면 어떨까 고민을 했고 연구를 진행했습니다. 그렇게 세상에 모습을 드러낸 후에는 뜻밖의 제안을 받게 됩니다. 호주 군에서 연락을 취한 건데요, 어디서는 부품을 출력한다는 아이디어를 극대화하기 위해 금속 3D 프린터 본체와 집진기 등 필수 부대 장비가 전부 담긴 이동형 3D 프린터를 개발하자는 것이었습니다.

결과적으로 SPEE3D는 호주 군과 함께 연구를 이어나간 끝에 쉽게 이동 가능한 모델을 출시합니다. 이동형 장비를 어떻게 구현할까 고민한 끝에 컨테이너화된 장비를 만들자는 아이디어를 떠올린 것인데요, 컨테이너 안에 모든 필요 장비가 들어있기 때문에 마치 컨테이너를 옮기듯 이동이 자유로워졌습니다. 이는 3D 프린터를 선박 위, 사막 등 특수 환경에서도 설치하여 운용할 수 있도록 만들었고 앞서 언급한 군, 석유 등 분야에 매우 적합했습니다.

컨테이너 안에 프린터와 필요 장비를 담은 모델은 XSPEE3D라는 이름이 붙었습니다. XSPEE3D는 현재 미국과 영국 군에서 운용되고 있으며 최근에는 독일의 한 대학교, 일본에도 SPEE3D의 장비가 들어갔을 정도로 SPEE3D는 현재 시장의 관심을 독차지하는 루키 중에 루키라고 할 수 있겠습니다.

시간이라는 소중한 자원을 절약하며 일분일초가 아까운 사람들에게 도움을 주고 있는 콜드 스프레이 메탈 적층 제조 솔루션, 기존 것들과 다르다는 점에서 알아보는 재미가 있었습니다. 역시 신선한 변화를 맞이하는 것은 늘 즐거운 것 같습니다. 세상 이치상 고인 물은 항상 썩기 마련이니까요.

성공하는 기업은 늘 한 박자 빠르게 움직입니다. 변화를 두려워하는 기업은 고이게 되고 결국은 시장의 관심이 떨어지기 마련입니다. 반면 변화를 반가워하고 적극적으로 활용한다면 남들보다 빠르게 좋은 위치를 선점할 수 있습니다.

SPEE3D의 수식어는 다양합니다. 전 세계 유일무이한 콜드 스프레이 적층 제조 방식, 세상에서 가장 빠른 금속 3D 프린터, 특허를 취득한 호주 기업, 3D 프린터계의 치타(?) 등등......  그들의 콜드 스프레이 금속 3D 프린터는 2023년 6월에 개최된 군수산업발전대전 전시회와 같은 기간 동일한 장소에서 열린 세미나를 시작으로 국내 시장에 공식적으로 합류했습니다.

한국에서는 현재 (주)한국기술에서만 만나보실 수 있으니까요~ 궁금하신 내용들 전부 편하게 문의해 주시면 성심성의껏 답변해 드리겠습니다! 감사합니다.