애플, 100% 재활용 티타늄으로 3D 프린팅한 애플워치 케이스 공개...원자재 사용량 절반으로 줄여

애플이 애플워치 울트라 3와 시리즈 11에 3D 프린팅 기술을 적용해 올해만 400톤 이상의 티타늄을 절감했다.

[한국정보기술신문] 애플이 3D 프린팅 기술을 활용해 애플워치 케이스를 대량 생산하는 데 성공했다고 11월 18일 밝혔다. 이번 애플워치 울트라 3와 티타늄 애플워치 시리즈 11의 모든 케이스는 100% 재활용 항공우주급 티타늄 파우더로 3D 프린팅되었으며, 이는 대규모 생산에서는 불가능하다고 여겨졌던 기술적 성과다.

애플의 제품 디자인 부사장 케이트 베르제롱은 "3D 프린팅이 프로토타입 제작에만 사용되던 기술을 수백만 개의 동일한 케이스를 애플의 정확한 설계 기준에 맞춰 고품질 재활용 금속으로 생산하는 데 활용할 수 있을지에 대한 질문에서 시작됐다"며 "지속적인 프로토타이핑과 공정 최적화, 방대한 데이터 수집을 통해 이 기술이 우리가 요구하는 높은 품질 기준을 충족할 수 있음을 입증해야 했다"고 설명했다.

원자재 사용량 50% 절감으로 환경 목표 달성

이번 3D 프린팅 기술 도입으로 애플워치 울트라 3와 시리즈 11의 티타늄 케이스는 이전 세대 대비 절반의 원자재만을 사용한다. 기존의 단조 가공 방식은 대량의 재료를 깎아내는 감산 공정이었던 반면, 3D 프린팅은 레이어를 쌓아 올리는 적층 가공 방식으로 최종 형태에 최대한 가까운 상태로 제작된다.

애플의 환경 및 공급망 혁신 부사장 사라 챈들러는 "50% 감소는 엄청난 성과로, 동일한 양의 재료로 두 개의 시계를 만들 수 있다는 의미"라며 "이를 역산하면 지구에 대한 절감 효과는 막대하다"고 강조했다. 애플은 올해만 이 새로운 공정을 통해 400톤 이상의 티타늄 원자재를 절약할 것으로 추산하고 있다.

이는 2030년까지 제조 공급망과 제품의 평생 사용을 포함한 전체 범위에서 탄소 중립을 달성하겠다는 애플 2030 목표의 핵심 전략이다. 현재 애플워치 제조에 사용되는 모든 전력은 풍력과 태양광 같은 재생에너지원에서 공급되고 있다.

6개 레이저로 900층 이상 쌓아 올리는 정밀 공정

3D 프린터는 갈바노미터에 장착된 6개의 레이저를 동시에 사용해 900층 이상의 레이어를 쌓아 하나의 케이스를 완성한다. 이 과정에서 사용되는 티타늄 파우더는 50미크론 직경으로, 매우 고운 모래와 같은 크기다.

애플워치 및 비전 제조 설계 선임 디렉터인 만주나타이아 박사는 "원료 티타늄을 파우더로 원자화하는 과정에서 산소 함량을 미세 조정해 열에 노출될 때 폭발성을 띠는 티타늄의 특성을 줄여야 했다"며 "레이저로 가열할 때 산소가 있는지 없는지에 따라 다르게 반응하기 때문에 산소 함량을 낮게 유지하는 방법을 찾아야 했다"고 설명했다.

베르제롱 부사장은 "각 레이어가 정확히 60미크론이 되도록 두께를 조절하는 것은 매우 정밀한 파우더 스퀴징 작업을 의미한다"며 "확장 가능하도록 최대한 빠르게 작업하면서도 정밀성을 위해 최대한 느리게 진행해야 했다. 이를 통해 효율성을 유지하면서도 디자인 목표를 달성할 수 있었다"고 덧붙였다.

프린팅이 완료되면 작업자가 빌드 플레이트에서 여분의 파우더를 진공청소기로 제거하는 러프 디파우더링 과정을 거친다. 케이스의 틈새에 남아 있는 파우더는 초음파 진동기를 사용한 파인 디파우더링 단계에서 제거된다.

분리 공정에서는 얇은 전기 와이어가 각 케이스 사이를 톱질하며, 동시에 액체 냉각제를 분사해 절단 과정의 열을 낮춘다. 자동 광학 검사 시스템이 각 케이스를 측정하여 치수와 외관이 정확한지 확인하는 최종 품질 검사를 거쳐 최종 가공 준비를 마친다.

디자인 유연성 향상으로 워터프루핑 성능 개선

3D 프린팅은 기존 단조 공정에서는 접근할 수 없었던 위치에 텍스처를 인쇄할 수 있는 디자인 향상을 가능하게 했다. 애플워치의 경우 셀룰러 모델의 안테나 하우징에 대한 방수 공정을 개선할 수 있었다.

케이스 내부의 셀룰러 모델은 안테나 기능을 활성화하기 위해 플라스틱으로 채워진 분할부가 있는데, 금속 내부 표면에 특정 텍스처를 3D 프린팅함으로써 플라스틱과 금속 간의 접착력을 향상시킬 수 있었다.

베르제롱 부사장은 "기계 엔지니어들은 세계에서 가장 숙련된 퍼즐 해결사여야 한다"며 "최종 조립 과정에서 케이스 안에 들어가는 회로 기판, 디스플레이, 배터리 등 모든 것을 맞춰야 한다. 시계가 작동하는지 확인하기 위해 과정마다 테스트를 진행하고 소프트웨어를 추가한 뒤 일정 기간 실행하여 모든 기능이 요구사항을 충족하는지 확인한다"고 설명했다.

이 다년간의 여정은 특정 합금 조성부터 프린팅 공정 자체에 이르기까지 일련의 데모와 개념 증명으로 시작되었다. 이전 제품 세대에서 훨씬 작은 규모로 테스트한 후, 팀은 티타늄 작업의 고유한 과제를 해결할 수 있는 능력에 확신을 가지게 되었다.

아이폰 에어 USB-C 포트에도 기술 적용

이번 3D 프린팅 기술의 디자인 유연성은 애플워치를 넘어 새로운 아이폰 에어의 USB-C 포트에도 적용되었다. 동일한 재활용 티타늄 파우더로 3D 프린팅된 티타늄 인클로저를 갖춘 완전히 새로운 포트를 제작함으로써, 애플은 매우 얇으면서도 내구성 있는 디자인을 현실화할 수 있었다.

베르제롱 부사장은 "우리는 항상 다음 단계를 밟을 수 있도록 점진적인 발걸음을 내딛으려 노력한다"며 "이제 이전보다 훨씬 더 많은 디자인 유연성의 기회를 열었다. 진정으로 지속 가능한 방식으로, 그리고 우리가 필요로 하는 외관 및 구조적 수준에서 이 혁신을 대규모로 달성했으니, 가능성은 무한하다"고 말했다.

챈들러 부사장은 "우리는 시스템 변화에 대단히 헌신하고 있다"며 "한 번만 하기 위해 무언가를 하는 것이 아니라 전체 시스템이 작동하는 방식이 되도록 하고 있다. 우리의 북극성은 항상 사람과 지구에 더 나은 제품을 디자인하는 것이었다. 디자인, 제조, 환경 목표에 걸쳐 타협 없이 혁신하기 위해 힘을 합치면, 그 혜택은 우리가 상상할 수 있었던 것보다 기하급수적으로 더 크다"고 강조했다.

한국정보기술신문 정보기술분과 유상헌 기자 news@kitpa.org