Figure Engineering이 국방부 납품용 고급 SLA 소재를 개발한 방법

미국 국방부(DoD)가 운영하는 제트기는 비행 시간이 1시간일 때마다 약 12시간 분량의 유지관리를 거쳐야 합니다. 각 항공기가 안전하게 운항되고 가능한 최고 수준의 성능을 발휘하도록 하기 위해서는 유지관리, 수리 및 점검(MRO) 작업이 필요하지만, 종종 수작업의 특성과 전통적인 공정으로 인해 작업이 길어지는 경우가 많습니다.

국방부는 항상 이러한 작업을 개선하고 워크플로를 보다 효율적으로 만들 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. Figure Engineering은 Formlabs의 새로운 개방형 에코시스템을 활용하여 혁신적이고 저렴한 솔루션을 개발했습니다.

Figure Engineering은 Formlabs의 Form 4 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 3D 프린터의 속도를 활용하여 전기 도금 공정에 사용되는 마스킹 및 툴링에 특별히 맞춰 제작된 새로운 소재를 개발했습니다. 프린트 설정 편집기와와 Open Material Mode 덕분에 Figure Engineering의 공동 창립자인 Jonathon McDaniels와 그의 팀은 소재 개발 프로세스를 조정하고 수백만 달러 규모의 문제에 대한 새로운 솔루션을 찾을 수 있었습니다.

Figure Engineering은 주로 DoD의 다양한 부서를 위한 계약자로서 첨단 제조 및 유지 관리 솔루션을 개발하지만, 민간 기업을 위한 계약이기도 합니다. 미국 공군, 해군, 육군과 상업 항공사가 운영하는 항공기의 경우, Figure Engineering은 유지보수 과정에서 간과되기 쉬운 부분, 즉 연마 분사, 페인팅, 도금 및 코팅을 집중적으로 다루도록 요청받았습니다. 

이러한 작업은 비공식적으로 '3D'로 분류됩니다. 즉, 더럽고, 지루하고, 위험하다는 뜻입니다. 이러한 명칭은 엔진 교체나 새로운 날개 끝 혁신과 같은 프로세스보다 덜 눈에 띄고 이해된다는 것을 의미하지만, 전반적인 항공기 성능에 있어서는 마찬가지로 중요할 수 있습니다. 비효율적인 업무 흐름으로 인해 프로세스에 너무 많은 시간이 걸리면 군의 준비 태세에 영향을 미치고, 상당한 운영 비용이 추가될 수 있으며, 종종 독성 화학 물질을 사용하므로 MRO 운영자의 안전에 영향을 미칠 수 있습니다.

Figure Engineering은 이러한 프로세스를 보다 안전하고 효율적으로 만들기 위한 혁신적인 솔루션을 찾는 데 주력하고 있으며, 수년간 미국 공군의 정비창과 협력해 왔습니다. McDaniels 씨는 “최고의 솔루션을 얻으려면 프로세스 소유자와의 많은 협력이 필요합니다. 그들은 자신이 겪는 어려움을 가장 잘 알 것입니다. 전기 도금 공정의 경우, 그들은 '이 비행기를 충분히 빨리 꺼낼 수 없고 많은 폐기물을 발생시키고 있다'고 했습니다.”라고 합니다. 

대형 랜딩기어 컴포넌트를 전기도금하는 작업은 항공기 유지관리, 수리, 점검(MRO) 공정 중 가장 어렵고 시간이 많이 걸리는 것에 속합니다. 워크플로에는 거칠고 극도로 연마성이 강한 화학 약품 욕조와 손으로 칠할 수 없는 래커를 칠하거나 섹션을 테이프로 막는 등 도금이 불가능한 부분을 가리는 데 수시간의 힘든 수동 작업이 길목을 지키고 있습니다.

“코팅을 원하는 곳에 도포하고 원하지 않는 곳에서는 도포하지 않기 위해 필요한 직접 작업량은 노동 집약적이고 지루하며 비쌉니다 수리 창고에서는 직접 작업하는 시간을 줄일 수 있는 방법을 원했고, 대신 클램프로 고정하거나 볼트로 고정할 수 있는 마스크를 개발했습니다."라고 McDaniels는 말합니다. 

하지만 Figure Engineering에서 전기 도금용 마스크를 설계하고 프로토타입을 제작하기 시작했을 때 복잡한 문제에 부딪혔습니다. McDaniels 씨는 “초기 연구를 수행했을 때 발견한 것은 전기 도금 공정의 엄격함을 견딜 수 있는 것이 아무것도 없다는 사실입니다. 재료는 높은 내화학성을 가져야 하며 매우 견고해야 합니다. 항상 떨어뜨리거나 망치로 맞기 때문에 충격에 상당히 강해야 합니다."라고 합니다. 

재료 외에도 올바른 프린트 하드웨어를 선택하는 것도 어려운 일이었습니다. McDaniels 씨는 "처음에는 모두 연기했죠. 사용하기 쉽고 신뢰할 수 있는 프린터를 찾아야 했으며, 다양한 창고에서 광범위한 지원을 받을 수 있도록 알려진 브랜드를 찾아야 했습니다."라고 합니다.

연구팀은 용융 적층 모델링 방식(FDM)과 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 3D 프린터로 여러 파트를 프린트해 본 후, 완전히 밀도가 높고 다공성이 없는 파트이 필요하다는 것을 깨달았습니다. 전기 도금 공정에 사용된 화학 물질이 FDM 및 SLS 방식으로 3D 프린팅한 파트에 스며들 수 있었으며, 욕조에서 꺼낸 후에도 표면에서 독성 화학 물질이 계속 새어 나왔습니다. 답은 레진 프린트였습니다. Figure Engineering에서는 여러 3D 프린터를 시도해 보았지만 그중 하나가 돋보였습니다.

McDaniels는 Form 3+부터 시작하여 Open Material Mode로 프린트 설정을 조정하고 사용자 정의 공식을 반복했습니다. Form 4가 출시되자 반복적인 프로세스가 더욱 가속화되었고 맞춤형 수지 제형 개발이 가속화되었습니다. 

“Form 4가 출시되자 우리가 겪었던 많은 문제가 하룻밤 사이에 사라졌습니다. Form 4 은 정말 프린트하기 어려운 자료를 프린트할 수 있는 능력을 제공한다는 측면에서 엄청난 변화를 가져왔습니다. McDaniels는 "우리는 폴리머 적층 제조에서 가능한 것의 경계를 넓혀 이러한 재료가 도금 공정에 견딜 수 있도록 하고 있습니다."라고 말했습니다.

Form 4의 빠른 프린트 속도 덕분에 Figure Engineering 팀은 이전보다 두 배 이상의 테스트를 수행할 수 있었지만, 새로운 완벽한 기능을 갖춘 기술적으로 진보된 소재를 만드는 것이 가능해졌습니다.

McDaniels 씨는 "Open Material Mode와 편집 프린트 설정 없이는 시작할 수 없었을 것입니다."라고 합니다. 새로운 재료를 개발하고 프린터 설정을 조정하려면 각 설정이 결과에 미치는 영향을 이해해야 합니다. McDaniels 씨의 화학 공학 분야 배경은 Formlabs 팀과 협력하여 특정 프로세스를 미세 조정하는 데 도움이 되었습니다. McDaniel는 “프린트 설정은 편집하기가 아주 간단했습니다. 프린터가 어떻게 작동하는지, 수지가 어떻게 첫 번째 레이어를 채우고 지지하는지, 그런 것들에 대한 지침이 있었습니다. 숫자가 적절한 범위에 들어오면, 모든 것이 제대로 프린팅되기 시작합니다. 이점만 이해하면 설정을 사용하기 쉬워집니다.”라고 합니다. 

전기 도금 마스킹 파트용 수지를 개발하려면 기존 시스템에서는 사용할 수 없는 고유한 재료 특성이 필요했습니다. Formlabs는 Figure Engineering에 연구 기반으로 사용할 수 있는 플랫폼을 제공했습니다. 즉, 빠르고 안정적인 3D 프린터, 프린트 설정 및 소프트웨어에 대한 액세스, 그리고 McDaniels와 팀을 지원하고 협업할 준비가 된 참여 팀입니다.

Figure Engineering에서 개발한 맞춤형 제품은 이미 미국 공군 MRO 창고 한 곳에 도입되었습니다. 마스킹 파트를 설계하고 프린트한 후, 마스킹 공정에 구현하면 항공기 구성품을 전기 도금으로 준비하는 데 걸리는 시간이 크게 줄어듭니다. McDaniels는 "전체적인 목표는 작업자가 이 과정에서 직접 작업하는 시간을 줄이고 화학 욕조에서 가능한 한 벗어나게 하는 것입니다."라고 말합니다.

3D로 프린트된 각 파트는 최대 20회의 전기 도금 주기 동안 재사용이 가능합니다. 래커와 테이프는 일회용인 반면, 도금 작업장에서는 매년 수백만 달러어치의 래커와 테이프를 사용합니다. 3D 프린팅을 위한 설계, 프린트, 후처리 작업에는 시간이 걸릴 수 있지만, 해당 설계를 여러 부서, 창고, 심지어 군대의 여러 지부 간에 공유할 수 있으므로 전기 도금이 필요한 구성 요소가 있는 모든 항공기에서 동일한 설계를 사용하여 필요에 따라 프린트할 수 있습니다. 또한, 3D 프린팅 마스크는 대량으로 생산할 수 있으며 필요할 때까지 보관할 수도 있습니다. 마스킹은 전기 도금 공정의 주요 병목 현상이며, 3D 프린팅 마스크로 전환하면 이 병목 현상이 제거됩니다.

Figure Engineering과 Formlabs의 협력은 협업을 통해 크고 복잡한 문제에 대한 해결책을 가장 빠르게 찾을 수 있다는 것을 보여주었습니다. Figure Engineering의 화학 엔지니어링 전문 지식과 현재 문제에 대한 깊은 이해가 핵심이었지만, 올바른 솔루션에 도달하기 위해서는 3D 프린터만으로는 부족했습니다. 강력한 3D 프린팅 플랫폼 내에서 액세스하고 지원할 수 있어야 했습니다.

Formlabs의 개방형 에코시스템과 Open Material Mode를 통해 McDaniels와 그의 팀은 DoD를 위한 완전히 새로운 소재와 워크플로를 만들어낼 수 있었으며, 그 결과 수백만 달러에 달하는 소재와 노동력을 절약하고 전국 MRO 창고의 기술자들의 안전을 개선할 수 있었습니다. McDaniels는 "Open Material Mode가 없었다면 작업이 불가능했을 것입니다."라고 말했습니다. 사실상 새 프로젝트 진행에 관한 사고방식을 바꿔 놓았으니까요. 이것이 저희가 마지막으로 제작하는 3D 프린팅 소재는 아닐 것입니다. 저희는 다른 국방 분야와 협업하고 있고 심지어 상업적인 민간 항공사와도 협력하고 있으니까요. Open Material Mode가 이런 기회를 얻게 되기까지 통로 역할을 했죠.”

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