A Cost–Benefit–Reliability (CBR) Framework for Additive and Hybrid Manufacturing of Electronic Assemblies

국방 및 항공우주 분야의 고위험 환경에서 전자 시스템은 상상할 수 있는 가장 가혹한 환경에서도 견딜 수 있으면서도 믿을 수 없을 정도로 작고 가벼우며 강력해야 합니다. 이들은 전투기, 레이더 시스템, 무인 드론의 두뇌로서 극심한 진동, 온도 변화, 방사선 속에서도 수천 시간 동안 안정적으로 작동하는 임무를 수행합니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 평면 회로 기판, 통짜 금속 블록을 깎아 만든 금속 상자, 손으로 납땜한 전선이라는 표준 도구 세트를 사용하여 이러한 시스템을 구축해 왔습니다. 이 전통적인 방식은 효과적이긴 하지만, 설계자가 장치의 크기를 줄이거나 좁은 공간에 복잡한 형상을 맞춰 넣어야 할 때 한계에 부딪힙니다. 금속을 절삭하고 평면 기판을 붙이는 경직된 규칙은 종종 엔지니어가 성능을 타협하거나 부품을 맞추기 위해 추가적인 무게를 감수하게 만듭니다.

3D 프린팅으로 흔히 알려진 적층 제조라는 새로운 방법은 다른 길을 제시합니다. 재료를 깎아내는 대신, 이 기술은 물체를 층층이 쌓아 올려 만들어, 이전에는 제작이 불가능했던 형상을 가능하게 합니다. 이는 내부 냉각 채널이 있는 금속 하우징을 출력하거나, 곡면 표면에 안테나를 직접 내장하거나, 구조 자체에 전기 회로를 융합할 수 있게 해줍니다. 그러나 중요한 군사 장비의 경우, 단순히 부품을 출력할 수 있다는 것만으로는 충분하지 않습니다. 군은 이 출력된 부품이 기존의 부품만큼 신뢰할 수 있는지, 10년의 서비스 기간을 견딜 수 있는지, 그리고 새로운 출력 공정을 개발하는 높은 비용보다 출력으로 얻는 비용 절감 효과가 더 큰지를 알아야 합니다. 핵심 질문은 부품을 출력할 수 있느냐가 아니라, 신뢰성, 비용, 성능을 모두 함께 고려했을 때 출력을 하는 것이 타당하냐는 것입니다.

노스롭 그루먼 미션 시스템즈(Northrop Grumman Mission Systems)의 연구진은 이 질문에 답하기 위한 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 비용, 이점, 신뢰성을 별개의 문제가 아닌 하나의 연결된 패키지로 취급하는 의사 결정 프레임워크를 만들었습니다. 그들의 목표는 적층 제조 또는 적층과 다른 기술을 결합한 하이브리드 방식을 사용하는 것이 전통적인 제조 방식보다 명확한 이점을 제공하는 시점이 정확히 언제인지 결정하는 것이었습니다. 다양한 생산 시나리오를 시뮬레이션하는 모델을 구축함으로써, 그들은 그 답이 부품의 복잡성과 생산량에 크게 좌우된다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 저용량의 고복잡성 조립품의 경우 적층 제조가 상당한 이점을 제공할 수 있지만, 이는 오직 출력 공정과 관련된 특정 위험 요소들이 신중하게 관리될 때만 가능하다는 점을 시사합니다.

연구진은 네 가지 서로 다른 국방 전자 장비 사례를 사용하여 이 프레임워크를 테스트했는데, 각 사례는 서로 다른 과제를 나타냅니다. 첫 번째는 드론의 스킨에 매끄럽게 통합되어 탐지를 피하도록 설계된 컨포멀 안테나(conformal antenna)였습니다. 전통적인 방식이라면 평면 회로 기판을 지지하는 무거운 금속 프레임이 필요했겠지만, 새로운 방식은 얇고 곡선 형태인 구리 쉘을 출력한 다음 특수 잉크젯 프린터를 사용하여 그 내부로 전기 회로를 직접 그렸습니다. 이를 통해 수십 개의 별도 체결 부품과 커넥터가 필요 없게 되어 부품 수를 거의 90% 줄이고 무게를 4분의 1로 줄였습니다. 출력된 회로가 전통적인 방식보다 실패 확률이 약간 높았지만, 무게와 크기에서의 막대한 이득 덕분에 새로운 방식이 확실한 승자가 되었습니다.

두 번째 사례는 지상 차량용 전력 분배 모듈로, 높은 전기 부하를 처리하면서도 열을 식힐 수 있어야 하는 부품입니다. 전통적인 버전은 가공된 알루미늄 블록에 두꺼운 구리 바를 볼트로 고정하는 방식이었습니다. 연구진은 이를 하이브리드 설계로 교체했습니다. 즉, 내부 냉각 채널이 있는 격자 구조의 금속을 출력하고 그 위에 인쇄된 전기 경로를 배치했습니다. 이 통합된 설계는 부품 수를 85% 줄였고, 열 방산 능력을 개선하여 무거운 부하가 걸릴 때도 전자 부품을 더 시원하게 유지했습니다. 비록 출력된 인터페이스가 열 응력 하에서 분리될 위험을 약간 초래하긴 했지만, 조립 시간의 단축과 열 성능의 개선이 새로운 방식 쪽으로 무게를 기울였습니다.

세 번째 사례 연구는 강한 충격과 진동을 견디도록 설계된 견고화된 마이크로파 패키지를 살펴보았습니다. 기존 방식은 여러 개의 별도 금속 및 세라믹 부품을 조립하는 것이었습니다. 적층 방식은 내부 도파관이 재료 내부에 직접 구축된 단일 세라믹 블록을 출력한 다음, 전기를 전도하기 위해 금속을 코팅했습니다. 이는 부품 수를 70~80% 줄였으며 유닛을 충격에 훨씬 더 잘 견디게 만들었습니다. 비록 출력 과정에서 내부 채널이 매끄럽고 결함이 없는지 확인하기 위한 정밀한 후처리가 필요했지만, 결과적인 내구성은 특히 장비가 극심한 물리적 스트레스에 직면할 수 있는 임무에서 매우 유효한 옵션이 되었습니다.

마지막 사례는 비행 중 변형과 온도를 추적하도록 설계된 드론 날개용 임베디드 헬스 모니터링 센서였습니다. 섬세한 광섬유 케이블과 와이어 하네스를 날개 구조를 통해 수동으로 배치하는 대신, 새로운 방식은 고정밀 레이저를 사용하여 날개 재료 내부에 아주 작은 채널을 직접 출력했습니다. 그 후 케이블을 이 미리 형성된 터널에 넣고 밀봉했습니다. 이 접근 방식은 조립 노동력을 최대 90%까지 줄였고 무거운 외부 브래킷의 필요성을 제거했습니다. 센서가 재료 내부에 보호되어 있기 때문에 신뢰성은 전통적인 배선과 거의 동일하면서도 무게 절감 효과는 상당했습니다.

이러한 결과의 견고함을 보장하기 위해 연구진은 만 개의 서로 다른 시나리오를 포함하는 대규모 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 실제 엔지니어링이 매우 복잡하다는 사실을 반영했습니다. 즉, 비용은 변할 수 있고, 재료는 다르게 행동하며, 새로운 공정을 개발하는 데 걸리는 시간은 결코 예측 가능하지 않다는 점을 고려했습니다. 그들은 적층 제조를 사용하는 결정이 두 가지 특정 요인, 즉 출력 부품의 불량률과 초기 개발 비용에 가장 민end히 반응한다는 것을 발견했습니다. 만약 출력 공정이 엄격하게 제어되지 않거나 초기 개발 비용이 너무 높으면, 그 이점은 사라집니다. 그러나 불량률을 낮게 유지하고 개발 비용을 관리할 수 있다면, 모델은 적층 제조가 시뮬레이션된 저용량 생산 실행의 약 76%에서 더 낮은 총 소유 비용을 제공함을 보여줍니다.

또한 이 연구는 적층 제조의 가장 큰 위험이 신비롭거나 예측 불가능한 것이 아니라, 구체적이고 관리 가능한 것이라는 점을 강조했습니다. 금속 내부의 미세한 기포, 전기 신호를 방해하는 거친 표면, 또는 서로 다른 재료가 만나는 지점에 생기는 균열과 같은 문제들은 세심한 설계와 테스트를 통해 해결할 수 있습니다. 연구진은 성공을 위해서는 기존 설계를 단순히 새로운 기계에 억지로 맞추는 것이 아니라, 출력 공정을 위해 구체적으로 계획하는 규율 있는 설계 접근 방식이 필요하다고 강조했습니다. 또한 전체 생산 전에 작은 샘플 조각들을 엄격하게 테스트하는 것이 결함을 조기에 발견하는 데 필수적이라고 지적했습니다.

궁극적으로, 이 연구는 적층 및 하이브리드 제조가 전통적인 방식을 대체하는 보편적인 수단이 아니라, 특정 상황에서 강력한 도구가 된다고 결론짓습니다. 이 기술은 부품이 복잡하고, 생산량이 적으며, 무게나 공간을 절약하는 것이 매우 중요할 때 빛을 발합니다. 이러한 시나리오에서 여러 기능을 수행하는 단일 통합 부품을 출력할 수 있는 능력은 강력한 이점을 제공합니다. 이 잠재력을 실현하는 열쇠는 결정이 단순히 기계의 가격이나 출력 속도에 관한 것이 아니라, 제품의 전체 라이프사이클에 관한 것임을 이해하는 데 있습니다. 비용, 이점, 신뢰성을 함께 따지는 프레임워크를 사용함으로써, 엔지니어들은 언제 이 새로운 기술을 받아들이고 언제 과거의 검증된 방식을 고수해야 할지에 대해 확신을 가지고 결정할 수 있습니다.