▲ 강민철 한국마그네슘기술연구조합 이사.

아이언맨 3에서 인간의 근력을 크게 높여주는 ‘근력증강 로봇’이 나온다.

아이언맨은 초능력을 타고 난 다른 슈퍼히어로와는 달리 평범한 인간이지만 로봇 슈트를 입으면 초인적인 능력을 발휘한다.

최근 근력증강 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국에서는 국방부 주도하에 인간능력 강화용 외골격 로봇을 연구 중에 있고 일본은 재활 치료용이나 간호용 로봇 슈트를 개발하고 있다.

이러한 로봇 슈트의 금속 구조물은 각 신체 체형마다 다른데 어떻게 제작할까? 해답은 메탈 3D 프린터다.

대부분의 3D 프린터 신제품의 적용사례로서 주된 소재는 플라스틱이다.

일반인들은 플라스틱만이 제작이 가능한 것으로 알고 있으나 금속, 모래도 가능하며 향후에는 줄기세포를 성형하는 기술도 가능하다고 전망하고 있다. 그러면 금속 제품의 성형방식과 응용사례를 살펴보자.

■ 금속제품의 성형방식

일반적인 금속부품의 제조방식은 고체금속을 가열해서 액체상태로 만들어 주형에 주입하여 응고시키는 주조방식이 대표적이다.

이중 대량생산에는 고압으로 액체상태의 금속을 주형 내 주입시킨후 급냉시키는 다이캐스팅방법과 압력을 주지않고 주형내로 주입하는 사형주조나 금형주조가 대표적이다.

주형은 여러 재료가 사용될 수 있고 주된 사용재료가 금속이면 금형, 모래를 이용하면 사형이라고 칭한다.

그 외 제품 성형방식으로는 고체상태의 금속을 압출하거나 압연하여 판재를 제조하여 프레스하는 방법, 단순히 덩어리를 기계가공하는 방법 등이 사용되고 이들 여러 방식의 제조방법 중에서 생산 수량이나 원가 차원에서 검토하여 최종의 제품 제조방법이 결정된다.

3D프린터로 부품을 제조하는 방법은 모래 또는 열에 의해 소실되는 수지를 이용하여 3차원적인 모래주형(사형) 또는 로스트 왁스 패턴을 만드는 간접적인 방법과 금속분말을 레이저로 국부적으로 소결하여 바로 제품형태를 쌓아올리는 직접적인 방법이 있다.

이 두가지 방법 모두 기술적으로는 분말을 기반으로 하는 분말기반형이다.

간접적인 방법에 있어서는 분말을 가열하고 결합하는 방법은 레이저 또는 접착제를 사용하며, 직접적인 방법은 레이저 또는 전자빔을 사용하고 있으나 향후 새로운 에너지를 이용하는 방법도 활용될 예정이다.

■ 사형주조에 적용 활발

필자는 지난 5월 항공기부품을 연구하는 러시아의 NIAT를 방문한 바 있다.

이곳에서는 사형주조에 필요한 사형을 목형이나 금형 없이 바로 설계하여 3D 프린터로 모래를 쌓아올려 제작하고, 그 사형에 원하는 금속용탕을 주입하여 마그네슘 항공기 부품을 개발하고 있었다.

3D프린터는 입자가 매우 작은 분말을 분사 후 굳혀서 모래주형, 즉 사형을 만든다.

이러한 방식은 개발에서부터 제조까지 시간을 단축할 수 있고 프로토 타입의 경우 개발비용을 혁신적으로 줄일 수 있고, 설계변경이 요구될 경우 추가적인 비용 없이 3D 도면만 변경해도 되기 때문에 시행착오 과정의 소요비용을 대폭 줄일 수 있다.

더불어 사용되는 입자의 입도를 조절함으로서 최종 주물의 표면 품질이 우수하고 사형간의 형합성이 우수하여 불량발생를 획기적으로 줄일 수 있다.

이러한 사형주조용 사형을 제조하는 메이커로는 레이저로 결합하는 독일 EOS, 접착제를 사용하는 독일 Voxeljet사가 있다.

국내에는 한국생산기술연구원이 EOS 제품을 보유하고 있고 향후 추가 도입을 검토하고 있으며, 국내의 일부 주조업체에서도 사형 생산용으로 도입을 검토하고 있다.

Voxeljet사는 왁스와 유사한 성질을 가는 PMMA 수지를 이용하여 정밀주조에 활용하는 기술도 보유하고 있다.

이들 독일 회사의 수익모델은 장비판매에만 거치지 않는다. 사형제작에 사용되는 모래도 판매하고 그 외로 직접 사형을 제작하여 주조부품 업체에 파는 등 파생효과도 있다.

독일 ACTech는 전통적인 사형제조방법과 금형주조방식을 결합하여 부품의 중공형태의 성형을 위한 붕괴성 코어는 3D 프린터를 활용해 제작하고 기타부위는 금형으로 제작해 결합하는 형태로 제조공정을 개선해 자동차뿐만 아니라 항공분야의 정밀부품을 제조하고 있다.

이러한 사형제작용 3D프린터는 최대 3미터 크기까지 제조가 가능한데 이러한 대형 제품에 대해서는 독일에서 독보적으로 제작하여 시장에 공급하고 있다.

또한 일본에서는 3D 프린터 기술개발을 위해 경제산업성 산하 산업기술종합연구소, 3D프린터 업체 시메트 , 와세다대학 등에서 컨소시엄을 구성해 공동 개발을 시작했다.

일본 차세대 3D프린터 목표는 사형 제조 속도를 10배까지 끌어올리고 가격은 독일 제품의 1/5 수준으로 낮춤으로서 관련 중소기업도 부담 없이 구입할 수 있도록 만든다는 취지다.

현재 주물산업의 쇠퇴기를 겪고 있는 일본 주물 산업 규모는 약 11조원 정도이나 경제산업성 측은 “차세대 3D프린터를 보급해 아시아 최고 수준의 일본 주물 산업을 부활시키겠다”고 밝히고 있다.

5년 내 쥬얼리·의료·우주항공 보편화

도입기, 금속분말제조기술 확보 시급

■ 금속부품 직접조형기술

앞서 설명한 사형주조용 사형은 3D 프린터를 이용해 모래로 주형을 제조한 후 액체 금속을 주입하는 공정이지만, 직접조형기술은 설계도면에 따라 강한 레이저나 전자빔을 분말에 선택적으로 쏘아 금속부품을 제조하는 원리이다.

기존의 분말야금 방법은 분말을 성형 압축시켜 소결이란 여러 공정을 거치게 되나 3D 프린터를 활용하면 단순하게 금속분말 박스내에서 국부적인 용융과 융착이 발생되어 부품이 탄생하는 것이다.

금속 부품을 제조하는 일반적인 제조형태인 주조방법에서는 목적제품 외에 제품을 성형하기 위한 탕구, 탕도, 압탕 등을 설치하기 때문에 목적제품보다 제품을 생산하기 위한 스크랩의 발생량이 많은 단점이 있으나 3D 프린터를 사용하면 스크랩등의 재료손실도 없고 유사한 디자인이나 형상변경에 대한 설계변경이 자유롭다는 장점이 있다.

또한 기존 주조방법으로 제조가 불가능한 언더컷, 다중공형태 제품의 생산이 가능하며, 두께도 0.3mm 이하로 제작 가능하여 정밀한 부품제조가 가능하고 Net-shape 성형이 가능하기 때문에 성형이후 기계가공 공정을 대폭 줄일 수 있다.

그러나 3D 프린터에 사용될 수 있는 금속은 많지 않다. 그 이유는 분말제조기술이 난이도가 높고 각 합금마다 조건이 틀리기 때문이다. 현재 사용되는 금속은 알루미늄합금, 순타이타늄 및 그 합금, 스테인레스 합금류, Fe-Cr-Ni 강, 마르에이징강, Inconel 초내열합금, 귀금속 등에 제한적으로 사용되고 있다.

이들 분말을 소결방법은 에너지원에 따라 레이저와 전자빔으로 나뉘어진다. 레이저를 사용하는 방식은 프린팅이 완료되면 소결과정을 거쳐야 하지만 전자빔을 사용하는 경우 소결공정이 필요 없으며 일부 제품의 경우 단조제품보다 더 우수한 강도를 가진다고 밝히고 있다.

■ 전망과 시사점

3D 프린터가 제3의 산업혁명을 일으킬 수 있을 것이라고 많은 전문가들은 예견하고 있다.

산업혁명은 A.토인비가 말한 바와 같이 격변적이고 격렬한 현상이 아니라 그 이전부터 시작하여 온 점진적이고 연속적인 기술혁신의 과정이라고 보는 것이 지배적이다.

과연 3D 프린터가 산업혁명으로 진행된다면 그 단초는 플라스틱이 시작이고 금속부품은 혁명의 완결이라고 판단한다.

플라스틱은 우리 주변에 많은 일상용품을 차지하고 있지만, 강도, 내열성, 내구성 측면에서 금속을 따라갈 수 없기에 각종 구조용 부품을 완성하는 것은 금속이기 때문이다.

현재 3D 프린터 기술에 있어서 금속분야의 응용범위가 제한적인 것은 사실이지만, 5년 내로는 쥬얼리, 의료분야 및 우주항공에서는 보편화될 것이며, 각종 금형제작, 로봇부품, 방산 및 자동차 부품 제조도 점차 확산될 것으로 예상한다.

국내외적으로 플라스틱 부품을 3D 프린터로 부품을 제조하는 기술은 도입기를 지나 성숙기로 접어들고 있으나, 금속으로 제조하는 기술은 선진국에 대비하여 기술격차가 크게 뒤떨어지지 않는 도입기이기 때문에 우리나라도 장비제작 및 응용분야를 확장하는 것이 시급하다.

특히 금속분야는 독일 등 EU 국가 및 미국이 앞서 있고 중국, 일본이 추격하는 양상이지만 3D 프린터 장비제조와 금속분말 제조 기술 확보를 통해 비약할 수 있는 계기가 마련되기를 희망해 본다.

▲ 3D 프린터 제조사의 사용금속 및 응용제품.

▲ 내부를 비워 중공화한 엉덩이 뼈 임플란트(hip stem implant).

▲ 내부를 벌집모양으로 중공화하여 강성을 향상시킨 탄두.