JAM-5200EBM 개발 궤적 - 전자빔 금속 3D 프린터의 미래

JEOL Ltd.는 금속 3D 프린터의 새로운 분야에 도전하여 제조의 미래를 개척하고자 합니다. 이러한 노력의 중심에는 당사의 전자빔 기술을 활용한 "JAM-5200EBM"이 있습니다. 이 기기는 텅스텐과 같은 고융점 금속을 가공할 수 있으며 항공우주 및 의료와 같은 정교한 산업에서 사용될 것으로 기대됩니다. 이 보고서는 프로젝트 리더인 히로노부 마나베를 포함한 개발팀 구성원을 인터뷰하여 제품의 개발 배경, 어려움, 희망 및 미래 전망을 소개합니다.

위기감 느낀다: 일본은 세계 다른 나라보다 뒤처지고 있다

―― JEOL이 금속 3D 프린터를 개발하게 된 계기는 무엇인가요?

마나베: 계기는 2014년 경제산업성이 주도한 'TRAFAM'이라는 프로젝트였습니다. 당시 일본은 금속 3D 프린터 분야에서 미국과 유럽에 크게 뒤처져 있었습니다. 무엇보다 항공우주 산업에서는 3D 프린터를 이용한 경량 또는 복잡한 구조물의 제조가 진행 중이었습니다. 일본이 이 분야에서 경쟁력을 잃어가는 상황에 대한 위기감을 느꼈습니다.

―― JEOL이 선정된 이유는 무엇인가요?

마나베: JEOL은 전자빔 기술 분야에서 세계 기록을 보유하고 있었습니다. 또한 도호쿠 대학의 치바 교수 등 일부 연구자들은 JEOL을 "JEOL은 금속 가공에서 전자빔 기술을 활용할 수 있는 유일한 회사"라고 높이 평가했습니다. 또한 이것이 핵심 요인이었습니다. 국가적으로 볼 때, 저는 JEOL이 일본 제조 산업의 일원으로서 높은 기대를 가지고 있다고 생각합니다.

―― 이 프로젝트를 내부적으로 홍보하는 데 있어서 어떤 의견을 가지고 계셨나요?

마나베: 3D 프린터는 우리 회사의 주류 사업이 아닙니다. 어떤 사람들은 "정말 가능할까요?"라고 말합니다. 하지만 저는 이 분야에서 전자빔 기술을 활용할 수 있는 새로운 가능성을 발견했고 경영진에게 설명했습니다. 조건은 엄격했는데, XNUMX년 안에 프로토타입을 완성해야 했습니다. 하지만 저는 JEOL의 엔지니어들의 능력을 믿고 프로젝트를 추진했습니다.

다른 부서의 과거 경험을 활용하여 개발에 참여

―― 이 프로젝트에서 어떤 역할을 하셨나요?

사토: 저는 기술 그룹의 그룹 리더로서 제품 설계부터 양산까지 프로젝트를 관리했습니다. 구체적으로, 저는 설계 팀과 함께 프로토타입 단계부터 실제 사용까지의 프로세스를 결정하고 프로토타입 및 생산 효율성을 개선하기 위해 노력했습니다.

JEOL에 입사한 후, 저는 반도체 분야에서 전자총을 개발하는 일을 해왔습니다. 제가 개발한 노하우는 이 프로젝트에 많은 도움이 되었습니다. 또한, 개발 중에 예상치 못한 문제가 발생했습니다. 저는 설계자로서 문제의 본질을 판단하고 신속하게 해결하는 역할을 했습니다.

야마가미: 설계 그룹에서 전기 설계를 담당했습니다. 특히, 해외 시장에서 요구하는 엄격한 안전 규정에 대처하기 위해 전체 계측기의 안전성을 확보하고 인증을 취득하기 위한 설계를 담당했습니다. 그 전에는 분석기의 전기 설계를 담당했고, 이 프로젝트에서 신호 처리 및 회로 설계에 대한 지식을 활용할 수 있을 것 같습니다.

또한 JAM-5200EBM과 같은 대형 기기의 경우 모든 부품이 함께 작동해야 합니다.
따라서 저는 안정화된 제어 시스템과 오작동 방지를 위한 설계를 철저히 검토하여 궁극적으로 내구성과 신뢰성을 모두 갖춘 계측기를 만들어냈습니다.

마나베: 저는 전체 프로젝트를 관리하는 입장에 있었습니다. 제 역할은 개발 방향을 결정하는 것뿐만 아니라 정부 프로젝트로서 진행 상황을 통제하고 팀의 사기를 북돋우는 것이었습니다. 제 경력에서 저는 이온 빔 시스템 및 전자 빔 리소그래피 시스템과 같이 일본과 해외에서 모두 높은 평판을 얻고 있는 장비를 다루었습니다. 경험을 통해 기술적 문제를 꿰뚫어 보는 능력과 전체 프로젝트를 개괄적으로 살펴보는 관점을 개발했습니다. 정부 프로젝트였기 때문에 엄격한 조건이 주어졌습니다. 모든 구성원의 기술적 전문성과 끈기를 믿으며 프로젝트를 추진함으로써 우리는 목표를 성공적으로 달성했습니다.

안정성 확보 및 계측기 인증 ​​획득에 어려움

―― JAM-5200EBM을 개발하면서 겪었던 문제는 무엇이었나요?

사토: 장비의 안정성을 확보하는 것이 큰 과제였습니다. 전자빔이 공정 중간에 멈추거나 파우더가 고르게 퍼지지 않는 등의 문제로 인해 프로토타입 단계에서 많은 수정을 해야 했습니다. 단일 부품을 제작하는 데 며칠이 걸릴 수 있으므로, 사람이 전체 기간 동안 부품을 감시할 수는 없었습니다. 그러나 부품을 확인하러 가서 생산 중간에 멈췄다는 것을 알게 된다면, 실제로 사용할 수 없었습니다.

사람이 없는 동안 무인작업을 실현하기 위해 우리는 하드웨어와 소프트웨어를 반복적으로 개선해 왔습니다.

야마가미: 해외 안전 규정 및 품질 인증 획득이 제가 겪은 어려움입니다. 특히 항공우주 분야는 매우 엄격한 기준이 요구되며, 이에 대처하기 위한 설계를 진행하는 데 어려움이 있었습니다. 안전 확보와 계측기 비용 절감을 균형 있게 맞추는 데 어려움을 겪었습니다.

마나베: 앞서 말씀드렸듯이, 1회계연도에 프로토타입을 완성하는 조건은 매우 어려웠습니다. 하지만 저는 "생산이 불가능할지도 모른다"는 생각을 한 적이 없습니다. 이는 멤버들을 믿었기 때문입니다. 그 결과, 각 엔지니어의 노력으로 제한된 시간과 예산 내에서 프로토타입을 완성할 수 있었습니다.

고융점 금속 가공의 장점

―― 경쟁사 제품과 비교했을 때 JAM-5200EBM의 특징은 무엇인가요?

사토: JAM-5200EBM의 가장 뛰어난 특징은 1,600°C의 고온에서 작업물을 예열하는 동안 텅스텐, 몰리브덴과 같은 고융점 금속을 가공할 수 있는 능력입니다. 경쟁사 제품에서는 취급하기 어려운 이러한 금속도 당사의 전자빔 기술을 사용하면 안전하게 모델링할 수 있습니다.

야마가미: 또한 AMS 인증 획득도 또 다른 것입니다. 이를 통해 항공 및 우주 산업의 엄격한 품질 표준이 실현되었습니다. 또한 이 계측기는 뛰어난 신뢰성과 내구성을 제공합니다.

마나베: JAM-5200EBM은 금속을 모델링할 뿐만 아니라 기존 절단으로는 달성할 수 없는 내부 구조를 만듭니다. 절단으로는 속이 빈 내부 구조를 만들 수 없지만 3D 프린터는 만들 수 있습니다. 부품의 무게 감소로 이어지고 원자재 감소는 비용 절감에 기여합니다. 저는 높은 자유도가 3D 프린터 기술의 가장 큰 매력이라고 생각합니다.

영감을 소중히 여기고 끝까지 포기하지 마세요

사토: 저는 토마스 에디슨의 "천재는 1%의 영감과 99%의 노력으로 이루어진다"는 말에 깊이 공감합니다.
이 문구는 단순히 "노력만으로는 충분하지 않다"는 것을 의미하는 것이 아니라, 성공을 위해서는 초기 방향이 매우 중요하다는 것을 나타내는 것이라고 생각합니다. 예를 들어, 개발 초기 단계에 설정된 사양 및 디자인의 목표가 궁극적으로 결과에 상당한 영향을 미칠 수 있다는 것을 강하게 느낀 장면이 많았습니다. 이러한 이유로 저는 항상 팀과의 토론을 통해 "1%의 영감"을 찾기 위해 끊임없이 노력했습니다.

야마가미: 저의 신념은 "실패를 두려워하지 않고 도전하는" 자세입니다. 기술 개발 현장에서는 한두 번 실패하고 포기하지 않고 실패에서 무엇을 배울지 배우는 것이 중요합니다. JAM-5200EBM을 개발하는 동안 프로토타입 단계에서도 여러 번 어려움을 겪었습니다. 그런 상황에서 저는 "실패를 두려워하지 않고 도전하는" 신념을 지켰습니다. 이러한 사고방식은 대학 시절 플라즈마 물리학 분야에서의 연구에 활용되었습니다. 저는 이론을 따르는 것뿐만 아니라 실험을 반복하면서 본질에 접근하는 자세를 키웠습니다.

마나베: 저는 시부사와 에이치와 이나모리 가즈오의 가르침에 큰 영향을 받았습니다. 특히, 이나무라 씨의 "끝까지 포기하지 말라"는 말은 제가 프로젝트를 추진하는 동안 항상 염두에 두었던 말입니다. 예를 들어, 정부 지원 프로젝트는 매우 엄격한 신분 관리가 필요하기 때문에 예산과 기간이 제한되어 많은 문제를 극복해야 합니다. 팀과의 어려움을 어떻게 극복할지 계속 생각하면서 그 말의 중요성을 절실히 느꼈습니다. 또한, 시부사와 에이치의 "진실의 중요성"이라는 말도 제 신념 중 하나입니다. 엔지니어로서 고객에게 신뢰할 수 있는 제품을 제공하기 위해서는 진실해야 한다는 것을 느낍니다.

저는 일본의 경쟁력을 높이고 미래 세대를 양성하는 데 헌신하고 싶습니다.

―― 마지막으로, 미래에 이루고 싶은 것과 그것에 대한 열정을 말씀해주세요.

마나베: 이제 저는 프로젝트에서 벗어나 있으며 JAM-5200EBM의 기술이 금속 3D 프린터 분야에서 일본의 경쟁력을 향상시킬 것이라고 믿습니다. 우리는 과거의 시도를 통해 얻은 노하우를 바탕으로 더욱 효율적이고 다기능적인 기기를 계속 개발해야 합니다. 또한 기기를 제조하는 것뿐만 아니라 애프터 서비스 지원 및 기술 교육에도 집중하여 고객이 기기의 가치를 최적화할 수 있도록 해야 합니다.

이 기기는 항공/우주, 의학 등 첨단 산업에 활용될 것으로 기대됩니다. 앞으로 더욱 다양한 분야에 적용될 것으로 기대합니다.

사토: 제 역할은 제가 현장에서 기른 경험과 기술을 젊은 세대에게 전수하고 차세대 모델 개발을 지원하는 것입니다. 특히 JAM-5200EBM의 양산 및 실용화를 통해 얻은 지식은 젊은 세대가 신제품을 개발할 때 반드시 유용할 것입니다. 또한 차세대 모델에서는 비용 절감과 생산성 향상을 더욱 추구해야 합니다. 예를 들어, 텅스텐, 몰리브덴과 같은 특수 금속에 지정되었던 도구를 보다 다재다능한 소재에 적용하면 전체 금속 3D 프린터 시장을 확대할 가능성이 있다고 생각합니다.

야마가미: 안전성과 효율성을 실현하는 것이 차세대 모델을 개발하는 데 있어 가장 중요한 문제입니다. JAM-5200EBM을 개발하면서 항공/우주 산업의 엄격한 표준에 대처하기 위해 설계 및 테스트를 반복했습니다. 경험을 활용하여 보다 다양한 산업에서 활용할 수 있는 기기를 목표로 하고 있습니다. 또한 사용자 친화적인 디자인을 강화하고 3D 프린터를 처음 사용하는 회사가 쉽게 조작할 수 있는 시스템을 구축하고 싶습니다. 일본 및 해외의 규정 인증에 적극적으로 노력하고 에너지 효율을 개선하여 일본 전체 산업의 경쟁력 향상에 기여하고 싶습니다.

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