SLS 3D 프린팅으로 6개월 만에 음식 배달 로봇을 대량 생산하게 된 비결

역시 홍콩에 본사를 두고 있는 라이스 로보틱스는 음식 배달, 소독 및 검사 분야에서 사용되는 로봇 시스템을 설계 및 제조하는 회사입니다. 그때까지는 혁신적인 디자인을 소량으로 배포해 왔지만 라이스 로보틱스는 대량 생산 솔루션을 찾기 시작했고, 문제에 봉착하게 되었습니다. 

품질 관리, 라이스사와 이전 대형 계약 제조업체 간의 커뮤니케이션 문제, 의도한 설계와 최종 성형 제품 간의 차이 등이 모두 홍콩에서 파트너를 찾기로 한 결정에 영향을 미쳤습니다. 유일한 문제는 일정이 촉박했고, 새로운 제조업체는 첫 설계에서 대량 생산까지 6개월밖에 남지 않았다는 점이었습니다.

제품 디자인을 생산하기까지 라이스사의 시간이 반년밖에 남지 않은 상황에서 세이브우는 전통적인 제품 개발 프로세스로는 정해진 시간 안에 결과물을 내기가 불가능하다는 것을 알았습니다. 세이브오는 반복 설계부터 기능 테스트, 최종 실행 로봇의 최종 사용 구성 요소에 이르기까지 개발 및 생산의 모든 단계에서 Fuse 시리즈 SLS 프린터 제품군을 활용했습니다.

특히 금형 제조업체가 가깝고 매우 저렴한 홍콩과 중국 본토의 수많은 로봇 회사에서는 프로토타입용 공구와 사출 금형을 주문해도 실용적으로 반복 개발을 진행할 수 있습니다. 하지만 세이브우는 이들의 일정이 너무 짧아서 모든 작업을 기간 내에 완료할 수 있는 방법은 3D 프린팅 뿐이라는 것을 알고 있었습니다. 네 대의 Fuse 1+ 30W 프린터를 보유한 이들은 24시간 연중무휴로 프린팅할 수 있었습니다.

세이브우가 SLS 3D 프린팅을 도입하기로 한 후 완전히 새로운 가능성이 열렸습니다. Fuse 시리즈 SLS 프린터는 자체 지지형 분말 베드를 갖추고 있어 돌출부, 언더컷, 내부 채널 또는 기존 제조 방식으로는 비용이 많이 들고 작업도 어려운 기타 설계 피처가 있는 부품을 제작할 수 있습니다. 

세이브우는 이러한 복잡한 부품을 3D 프린팅하여 하룻밤 사이에 수정본을 제작할 수 있었을 뿐만 아니라 혁신적이고 유기적인 디자인을 통해 로봇 부품의 범위와 기능을 확장할 수 있었습니다. 세이브우의 R&D 수석 기계 엔지니어인 종(Zhong) 씨는 “기존 제조 방식으로는 저렴한 비용으로 생산할 수 없는 일부 부품 설계는 이제 SLS 3D 프린팅을 통해 쉽고 정확하게 구현할 수 있습니다."라며 만족감을 드러냈습니다.

이전 계약업체와 거래할 때 라이스사가 직면했던 주요 문제 중 하나는 설계, 프로토타입, 베타 테스트, 최종 사용 성형 부품 간의 일관성이 부족하다는 점이었습니다. 다양한 기술을 사용했고 제조업체의 명확한 커뮤니케이션이 부족했기 때문에 이러한 단계 사이에 치수 정확도가 부족했습니다. 또한 설계 과정에서 산업용 사출 성형 공정에서 발생하는 열, 시간, 팽창을 고려하기 위해 부품을 조금씩 변경해야 했기 때문에 의도한 설계와 최종 부품 간에 차이가 발생했습니다.

세이브우는 커뮤니케이션 라인의 규모가 작고 명확하고 개방적이어서 라이스사의 엔지니어들이 프린터와 관련하여 필요한 만큼 소통하고 참여할 수 있었습니다. 라이스사는 Fuse 프린터라는 생산 수단에 쉽게 접근할 수 있었기 때문에 부품을 적층 가공용으로 쉽게 재설계할 수 있었습니다. 또한 라이스사는 설계 시 금형을 고려할 필요가 없었기 때문에 3D 프린팅 프로토타입부터 최종 부품에 이르기까지 모든 공정 단계에서 부품 설계의 일관성을 유지할 수 있었습니다.

최종 부품 중 상당수는 Fuse 시리즈 프린터에서 프린팅한 것을 사용합니다. Nylon 12 Powder 부품의 강도와 내구성은 로봇 공학과 같은 견고한 분야에 잘 어울립니다. 나일론은 엔지니어에게 친숙한 소재이며 소재의 특성도 잘 알려져 있습니다. 라이스사의 입장에서는 세이브우가 대량 생산에 성공할 수 있다는 믿음을 가졌을 수도 있지만, 최종 나일론 부품이 사출 성형 플라스틱처럼 작동할 것이라는 확신은 가질 수 없었습니다. 

로봇 공학에는 여러 부품이 작동 조인트 또는 고정 힌지와 함께 결합된 기능성 어셈블리가 많이 필요합니다. 3D 프린팅은 어셈블리의 지속적인 당김, 압력, 토크, 마찰을 견딜 수 있을 만큼 강한 부품을 제작하는 데 항상 한계가 있었지만, SLS 프린팅을 이용하면 가능합니다. Fuse 1+ 30W에 프린트된 Nylon 12 Powder 부품은 미리 디자인된 나사산으로 프린트하거나 열 삽입 나사산으로 탭핑할 수 있습니다. 

세이브우는 이 기능을 활용하여 많은 부품을 결합함으로써 제작 방법과 소재의 다양성을 입증했습니다. 세이브오의 연구 개발 책임자인 첸 씨는 "Nylon 12 Powder는 경도, 인성이 충분한 데다 기계적 특성도 우수합니다. 3D 프린팅 부품에는 대부분 나사산이 있습니다. Nylon 12 Powder를 사용해 부품을 직접 프린트할 경우 나사를 여러 번 조이거나 풀 필요가 없습니다."라고 설명했습니다.

실내 음식 배달 로봇인 Rice 2의 경우, 골격과 쉘의 연결 부품을 Fuse 1+ 30W로 프린트했습니다. 이러한 커넥터는 로봇이 골격과 쉘을 안정화하면서 '보행'하는 동안 발생하는 지속적인 진동을 견뎌내야 합니다. Nylon 12 Powder는 유연하여 이러한 유형의 안정화 부품을 제작하기에 안성맞춤입니다. Rice 2의 다른 SLS 최종 사용 부품은 분무기 모듈(전체 PCB, 리프 팬, 조인트 버클), 공기 배출구, 중앙 처리 장치 시스템 및 충격 흡수 시스템의 고정입니다.

4대의 Fuse 1+ 30W SLS 프린터와 Fuse Sift 후처리 스테이션을 갖춘 세이브우의 사내 공장에서는 매주 50대의 Rice 2 로봇을 생산할 수 있을 만큼 충분한 최종 사용 부품을 생산할 수 있습니다. 더욱 중요한 것은 Fuse 1+ 30W로 부품을 3D 프린팅하면 성형에 필요한 고가의 공구를 재작업할 필요 없이 지속적으로 최적화할 수 있다는 점입니다.

기존 공장 모델로 작업하고 일정, 검증, 수정 및 기타 단계를 포함하는 사출 금형으로 생산해야 한다면 각 부품 및 수정마다 45~60일 사이의 리드 타임이 발생했을 것입니다. 이 프로젝트의 경우 긴 리드 타임과 높은 비용은 감당할 수 없는 위험을 의미했습니다. 

세이브우의 엔지니어들은 제품에서 확실한 요소와 불확실한 요소를 분류했습니다. Rice 2에서 확실성이 높은 대형 부품의 경우 금형을 설계하고 전통적인 제조 방식인 사출 성형을 사용했으며, 개발 과정에서 여러 번 변경해야 하는 불확실한 부품에는 3D 프린팅을 사용했습니다.

홍콩의 부동산은 저렴하지 않으며, 건물과 비즈니스 비용은 오르기만 할 뿐 내리지 않습니다. Fuse 시리즈 프린터의 크기와 규모 덕분에 세이브우는 시설을 변경하거나 더 넓은 부지에 투자하지 않고도 생산량을 늘릴 수 있었습니다. 첫 번째 장비를 구입한 후 빠르게 세 대를 더 추가하여 생산량을 늘렸습니다. 현재 4대의 Fuse 1+ 30W 프린터와 1대의 Fuse Sift를 운영 중인 이 회사의 R&D 및 제조 팀은 설계 프로세스의 각 단계를 빠르고 효율적으로 진행할 수 있습니다. 

Rice 2 로봇의 재설계부터 최종 양산에 이르는 전 과정을 짧은 시간 내에 진행한 덕분에 세이브우는 하이브리드 제조 공정이 성공할 것이라는 내부적인 확신을 얻었을 뿐만 아니라 홍콩의 혁신 기업에게 선도적인 솔루션을 제공하는 기업으로 자리매김할 수 있었습니다. 세이브우의 CEO, 딩(DIng) 씨는 “세이브우가 홍콩의 혁신과 기술의 요람이 되어 홍콩 인더스트리 4.0의 발전을 촉진할 수 있기를 바랍니다. 궁극적으로는 세이브우를 통해 홍콩산 명함이 다시 해외에서 유명해질 수 있기를 바랍니다.”라고 덧붙입니다.

Fuse 1+ 30W 프린터는 소규모 기업이 큰 성과를 거두는 데 도움이 될 수 있습니다. 경제적인 SLS 시스템은 접근 가능하고 사용하기 쉬운 워크플로, 신뢰할 수 있고 친숙한 재료 라이브러리, 사출 성형 부품의 공차 및 정확성을 제공합니다. 세이브우는 이러한 기계의 확장성을 활용하여 경쟁이 치열하고 혼잡한 시장에서 성공할 수 있었습니다. 

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