Wraith Systems, 3D Systems 솔루션으로 생산성 7.5배 향상

Wraith Systems는 미국 텍사스에 본사를 둔 퇴역군인 운영 중소기업으로, 비용 효율적이면서 실제 비행 환경을 충실히 재현한 데스크톱 조종사 훈련 시스템용 하드웨어의 설계, 제조 및 통합을 전문으로 하고 있다.

Wraith Systems는 2006년 작은 아이디어와 제한된 자원에서 출발해 군용 및 민간 조종사의 교실 내 훈련 방식을 새롭게 정의해 왔다. 이를 위해 현실감 높은 Desktop HOTAS(*항공기 조종간과 스로틀을 손에서 떼지 않고 조작할 수 있도록 구성된 조종 인터페이스) 시스템을 개발했으며, 이 시스템은 노트북과 연결해 책상 위에 바로 설치할 수 있도록 설계됐다. 별도의 조종석 구축 없이도 비행 및 우주 시뮬레이션에서 실제와 유사한 몰입감 있는 조작 환경을 제공한다.

“제가 미 해병대에서 비행 훈련을 받을 당시에는 교재의 지정된 내용을 읽고, 이후 강의실이나 시뮬레이터에서 이해도를 평가받는 방식이 일반적이었습니다.”라고 Wraith Systems의 창립자이자 CEO인 제이슨 맥알리스터(Jason McAlister)는 회상했다.

“하지만 이런 방식만으로는 항공기 조종에 필요한 실제 조작 능력을 익히기 어려웠습니다. 버튼을 누르고 스위치를 조작하는 손의 움직임과 근육 기억은 결국 반복 훈련을 통해 몸에 익혀야 하니까요. 책을 읽고 몇 주 뒤에 평가를 받게 되면 배운 내용을 잊어버리는 경우도 많았고, 시뮬레이터에서는 교관에게 여러 번 지적을 받곤 했습니다.”

군 복무 기간 동안 AV-8B 해리어 전투기를 조종했던 맥알리스터는 전역 후 2002년 록히드 마틴에 합류해 조종사 훈련 시스템 개발 업무를 맡았다.

그는 록히드 마틴 재직 시절 해군 예비역 비행 임무를 병행하면서, 강의실 책상 위에서 활용할 수 있는 F-35 조종사 교육용 PTA(Pilot Training Aid) 개발에 참여했다. 그러나 당시 시스템에는 Thrustmaster의 F-16용 스틱과 스로틀이 사용되고 있었다.

“그건 단순히 훈련 효과가 떨어지는 수준이 아니었습니다. 오히려 잘못된 조작 습관을 익히게 만드는 훈련에 가까웠죠.”

그는 이어 말했다.

“실제 조종사 교육이 되려면 해당 기종과 동일한 스틱과 스로틀은 물론, 스위치와 버튼 배치까지 실제와 같아야 했습니다.”

맥알리스터는 기계공학자인 친한 친구와 함께 실제 F-35 조종간과 스로틀에 더욱 가깝게 구현한 설계를 개발하기 시작했다. 초기 제품은 우레탄을 금형에 주입하는 방식으로 제작됐다. 훈련 환경에서 성능을 검증한 후 그는 2006년 Wraith Systems를 설립했으며, 당시 생산은 모두 캘리포니아에서 수작업으로 진행됐다.

“당시 수요에 맞춰 연간 75~100대 정도를 생산했습니다.”라고 맥알리스터는 말했다. “모든 공정이 수작업이었고, 여러 부품을 조립한 뒤 제품 한 대를 완성하기 위해 약 20시간의 후처리 작업이 필요했습니다.”

그러나 2023년에 들어서면서 HOTAS 시스템에 대한 수요가 빠르게 증가하기 시작했다. Wraith Systems는 생산 역량을 확대하지 못하면 새로운 사업 기회를 놓칠 수 있다는 사실을 깨달았다.

“월 75~100대 수준의 수요가 예상되자 기존 수작업 방식으로는 대응이 어렵다는 것이 분명해졌습니다. 자칫하면 계약 자체를 놓칠 수도 있는 상황이었죠.”라고 그는 설명했다.

“더 이상 우레탄을 금형에 부어 굳힌 뒤 분리하는 방식으로는 생산을 감당할 수 없었습니다. 실제 사용할 수 있는 수준의 조종간과 스로틀을 만들기 위해서는 수십 시간에 달하는 후처리가 필요했기 때문입니다. 사포질과 연마, 도색, 접착, 그리고 또다시 연마 작업을 반복해야 했죠. 보다 효율적인 제조 방법이 필요했습니다.”

Wraith Systems는 사출성형도 검토했지만 생산 물량이 이를 정당화할 만큼 충분하지 않다는 결론을 내렸다. 또한 제품 형상이 복잡하다는 점도 걸림돌이었다.

“제품 형상이 매우 유기적인 곡면 구조로 이루어져 있습니다. 마스터 금형 제작에만 수십만 달러가 필요하다는 이야기를 들었죠.”라고 맥알리스터는 말했다. “수요가 늘어나고 있었지만, 그 비용을 감당할 만큼 규모가 크지는 않았습니다.”

3D 프린팅으로의 전환

가공 역시 현실적인 대안 중 하나였지만, Wraith Systems는 보다 효율적인 제조 방안을 찾기 위해 3D 프린팅을 검토하기 시작했다. 그 과정에서 맥알리스터의 눈길을 사로잡은 것이 바로 3D Systems의 Figure 4였다.

“대안 제조 방식으로 3D 프린팅을 검토하기 시작했고, 2024년 무렵에는 Figure 4가 매우 매력적인 소재들과 결합되기 시작했습니다.”라고 그는 말했다. “특히 Figure 4 PRO-BLK 10 소재는 생산 환경에 이상적이었습니다. 우리가 원하던 선명하고 깔끔한 표면 품질을 구현할 수 있었고, 그 이후로는 다른 방법을 고려할 필요가 없었습니다.”

맥알리스터는 3D Systems의 Application Innovation Group과 협력해 HOTAS 설계 일부를 시험 출력했다. 결과를 확인한 순간 그는 또 한 번 가능성을 확신하게 됐다.

“이 부품들은 사람의 손에 자연스럽게 맞도록 설계되어 있기 때문에 직각 구조가 거의 없습니다.”라고 그는 설명했다. “바로 이런 점이 3D 프린팅과 잘 맞았습니다. 후처리 시간도 크게 줄어 약 92% 절감할 수 있었죠. 출력된 부품은 형태와 품질이 기대한 그대로였고, 세척과 건조, 경화 공정만 거치면 바로 조립에 투입할 수 있었습니다.”

Wraith는 처음에 Figure 4 프린터 3대를 도입하고 본격적으로 디지털 설계 데이터 구축에 나섰다. 하지만 디지털 제조로의 전환이 순탄하지만은 않았다. 무엇보다 맥알리스터는 필요한 3D 데이터를 직접 만들기 위해 SOLIDWORKS를 비롯한 3D CAD 소프트웨어를 새로 익혀야 했다.

“솔직히 말하면 준비도 없이 깊은 물에 던져진 기분이었습니다. 유튜브를 보면서 사실상 독학으로 3D CAD를 배웠죠.”라고 그는 회상했다. “처음에는 답답해서 소리를 지르기도 하고 잘못 만든 부품을 버리기도 했지만, 설계를 직접 수정하고 즉시 개선할 수 있다는 점은 정말 흥미로운 경험이었습니다.”

Wraith는 2024년에 Figure 4 프린터 3대를 추가 도입했으며, 외부 공급업체에 대한 의존도를 줄이기 위해 자체 설계 데이터에 더 많은 부품을 포함시키기 시작했다.

“특히 알루미늄 소재 조달 지연이 생산 일정과 납기 예측에 지속적으로 영향을 주고 있었습니다.”라고 맥알리스터는 말했다. “제조 공정을 내부로 가져오면서 일정과 생산량을 보다 효과적으로 관리할 수 있게 됐고, 부품 비용도 절감할 수 있었습니다.”

또한 팀은 새롭게 확보한 설계 및 제조 역량을 활용해 제품 내부 구조도 개선했다. 그 결과 조립에 필요한 부품 수를 5개 줄였고, 일부 알루미늄 부품을 대체함으로써 세트당 비용을 13.35달러 절감할 수 있었다.

Figure 4 프린터 6대를 운영하게 된 이후 Wraith는 월평균 65~75세트의 HOTAS를 생산하고 있다. 이는 수작업 생산 시 월 6~10세트 수준에 머물던 것과 비교해 약 7.5배 높은 생산성이다. 또한 최근 수행한 813대 규모 프로젝트에서는 총 48만3,735달러의 생산 비용 절감 효과를 거둔 것으로 나타났다.

3D 프린팅 생산 역량 확대

Wraith는 2025년 새로운 PSLA 270을 도입했다. PSLA 270은 Figure 4의 빌드 크기(4.9 × 2.8 × 7.7인치)보다 훨씬 큰 9.5 × 10.4 × 11.8인치의 출력 공간을 제공하며, Figure 4와 동일한 고성능 소재를 사용할 수 있다. 이를 통해 생산 능력과 출력 품질이 모두 크게 향상됐다.

“Figure 4로 생산할 때는 출력 크기 제한 때문에 스틱과 스로틀 CAD 모델을 두 개의 부품으로 나눠 출력해야 했습니다.”라고 맥알리스터는 설명했다. “전자 부품을 조립하는 데는 큰 문제가 없었지만, 두 부품을 나사로 결합하면 이음선이 남았습니다. 반면 실제 전투기용 스틱과 스로틀은 이음선이 없는 일체형 구조입니다.”

PSLA 270을 도입하면서 스틱과 스로틀을 단일 부품으로 출력할 수 있게 됐고, 실제 장비와 더욱 유사한 형태를 구현할 수 있게 됐다. 이는 훈련 장비의 현실감을 높이는 데도 도움이 됐다.

“조립 과정에서 전자 부품과 배선, 스위치에 접근할 수 있도록 스틱 설계를 상당히 과감하게 수정해야 했습니다.”라고 그는 말했다. “하지만 스로틀은 일체형 구조로 제작하는 것이 훨씬 쉬웠고, 결국 모든 문제를 해결할 수 있었습니다. 게다가 표면 질감을 디지털 방식으로 설계에 반영할 수 있게 되면서 촉감까지 크게 개선됐습니다. 지금의 결과물에 매우 만족하고 있습니다.”

이전에는 Figure 4 프린터 6대를 활용해 야간 무인 생산을 진행하며 하룻밤에 스틱 6개를 출력했다. 스틱 1개당 출력 시간은 약 5시간이 소요됐다. 그러나 PSLA 270은 이러한 생산 방식을 크게 바꿔 놓았다.

“이제는 PSLA 270 한 번의 출력 작업으로 6개의 스틱을 동시에 생산할 수 있습니다. 소요 시간도 약 10시간에 불과합니다.”라고 맥알리스터는 말했다. “스틱 생산만 놓고 보더라도 출력 시간을 60% 이상 단축할 수 있게 됐고, 그동안 Figure 4 프린터는 다른 부품 생산에 활용할 수 있게 됐습니다.”

소재의 중요성

맥알리스터는 비교적 이른 시기에 Figure 4 PRO-BLK 10 소재를 주력 소재로 결정했다. 다만 최종 선정에 앞서 3D Systems의 Application Innovation Group 엔지니어들과 함께 여러 대체 소재에 대한 테스트도 진행했다. PRO-BLK 10은 50μm 적층 두께 기준 최대 62mm/h의 출력 속도를 제공하는 고해상도 소재로, 70°C의 열변형온도(HDT)와 12%의 파단 연신율을 갖추고 있다.

실제 생산 현장에서 Wraith는 PRO-BLK 10이 자사 요구사항에 매우 적합한 소재라는 사실을 확인했다.

“3D 프린팅을 도입한 이후 파손된 스틱은 전체를 통틀어 15개 정도에 불과했습니다.”라고 맥알리스터는 말했다. “그마저도 Figure 4 소재 자체가 문제가 된 경우는 없었습니다. 대부분 스프링이나 용접 부위가 파손된 경우였죠.”

또한 이 소재는 필요한 경우 출력물에 직접 탭 가공이나 드릴 가공을 수행할 수 있으며, 그 외에도 다양한 장점을 제공한다.

“PRO-BLK 10은 나사산까지 출력물에 직접 구현할 수 있습니다.”라고 그는 설명했다. “수백분의 1mm 수준의 정밀한 형상도 선명하게 구현되고 실제 기능까지 문제없이 수행합니다. 정말 놀라운 수준입니다.”

미래를 향한 확장

2023년 생산성 문제를 해결하고 기대를 뛰어넘는 생산 역량을 확보한 Wraith는 이제 HOTAS 기술을 활용할 수 있는 새로운 시장으로 눈을 돌리고 있다. 최근에는 AS9100 인증도 획득했으며, 이를 기반으로 UAV 및 드론 시장 진출을 추진하는 한편 F-35 외 다양한 전투기용 소량 생산 수요에도 대응할 계획이다.

맥알리스터는 다음과 같이 전망했다.

“Figure 4와 PSLA 270 덕분에 우리는 현재 제품군은 물론, 시장 요구에 따라 파생 제품까지 생산을 확대할 수 있는 매우 강력한 기반을 갖추게 됐습니다.”