▲ 강민철 3D프린팅연구조합 상임이사.

부품을 생산하기 위해선 사출, 주조, 단조, 절삭가공, 압출, 소결 등의 전통적인 방법이 필요했다. 그러나 3D프린팅 즉 적층제조기술은 3D도면과 재료, 적층장비만 있으면 바로 제품화가 가능하다. 따라서 누구나 도면만 있으면 제품을 생산할 수 있는 3D프린팅기술이 ‘3차 산업혁명’, ‘제조업의 인터넷 혁명’으로 불리우며 전세계의 과도한 관심을 받아왔다. 그러나 이제 생산자나 소비자들 모두 3D프린팅으로 만든 피규어나 핸드폰 케이스 정도론 열광하지 않는다. 이들은 현재 차분한 분위기 속에서 적층제조기술을 살펴보고 있으며 관련 기업과 제조혁신센터 등을 중심으로 사업영역을 확장하고 있다. 또한 기존 전통방식으로 제조가 불가능한 입체냉각몰드, 항공기부품 등을 더욱 경량화하는 방향, 그리고 개인 맞춤형 의료용 부품 등 새로운 시장영역으로 꾸준히 확장하고 있다.

■ 적층제조 강국 독일 전문가 시각에서 보는 현재와 미래

최근 적층제조 기술 강국인 독일에서 발간되는 Maschinen Markt에서 3D프린팅기술에 관한 특집호에 전문가들의 견해들이 우리에게 많은 시사점을 던져주고 있기에 소개하고자 한다.

“적층가공 기술은 전통적인 제조법에 대한 위협이 아니며, 합리적이고 이상적인 보완책이며 설계자의 아이디어와 비전을 효율적으로 실천하는 기술이다”(샤샤 베츨러 Formnext Mesago 부사장)

“의료분야에서 적층가공을 비켜갈 길은 없다. 이들 제품만큼 개별적으로 빠르고 정밀하게 만들 수 있는 유일한 방법이다”(슈테판 바이스박사)

“요즘 젊은이들은 전통적인 제조법에 관심이 없다. 그에 비해 가상적인 모델을 취급하고 디지털 데이터에 대한 굳은 믿음이 젊은이들 사이에 자라나고 있으며, 이러한 분위기가 개발을 가속화할 것이다”

“현재 개발된 금속분말은 높은 질소와 산소 함량으로 적층제조에 맞는 분말은 개발된 적이 없다”(잉고마르 켈박사)

“프로세스 전문가들이나 3차원 복합재료 디자인이나 섬세한 형상을 위한 CAD 소프트웨어와 시뮬레이션 툴은 아직 없다”

“적층제조기술은 전통적인 방법에 비해 절대 경제적일 수는 없다. 그러나 틈새에서 작은 혁명이 될 수 있다. 잠재성을 확인하고 생산개수는 작고 디자인은 복잡하며, 비용과 제작시간의 단점을 보완 가능한 분야에서 두각을 나타 낼 것이다”

이와 같은 관점에서 한국의 적층제조기술 발전을 위한 몇가지 개발 동향 및 방향 등을 제안을 하고자 한다.

첫째, 최적설계기법(Topology optimization) 연구가 더욱 더 절실해지고 있다. 최적설계가 최근에 나온 기술은 아니지만 이 방법은 절삭가공이나 기타 전통적인 방법으로 제작이 불가능한 제품을 가볍고 구조강성에 맞게 설계할 수 있다. 이러한 방법을 동원하면 기계적 특성은 동일하지만 재료절감과 경량화를 동시에 이룰 수 있다. <그림1>에서 보는 바와 같이 단순한 브라켓을 절삭하여 무겁게 만드는 것이 아니라 소재의 살빼기를 통해 튼튼하고 가벼운 제품의 실현이 가능하여 항공기나 자동차의 경량화에 큰 일익을 담당하고 있다. 관련 전시회에서도 이러한 제품들이 많이 소개되고 있으며 이와 관련된 연속적인 프로그램 개발도 시급하다.

둘째, 기능성이 부여된 제품개발이다. 적층제조기술은 형태나 구조가 자유롭기 때문에 기능성을 보완할 수 있다. 금형 냉각채널이 대표적인 예로 전통적인 사출이나 다이캐스팅 공정에서 냉각속도를 빠르게 하고 제품의 균일 냉각이 가능하여 고품질의 제품의 생산이 가능하다. 그 외 인공위성이나 잠수함의 안테나 등과 열교환기 등에도 컴팩트하고 효율성이 향상된 기능이란 추가적인 것에 관심을 가져야 한다.

셋째는 소재개발이다. 한국은 장비분야의 후발국가이나 이와 관련된 소재기술은 결코 뒤지지 않는 강점이 있다. Kg당 수십만원 하는 광경화성 수지와 금속분말의 개발이 급선무이다. 플라스틱 수지와 일반 타이타늄 소재에 대비하여 적층제조용 재료의 경우 원재료의 수십배의 높은 가격이며 이들 소재가 과연 적층제조에 적합한 소재인지도 명확하지 않은 상태이다. 최근 맞춤형 합금(Tailored alloy)란 용어가 자주 등장한다. 현재 사용되고 있는 금속분말의 경우 상용 금속을 구형분말로 제조하여 적층제조에 활용되고 있으나 과연 이 합금이 최적인가를 질문해 볼 필요가 있다. 단적인 예가 알루미늄 합금이다. 현재 사용중인 합금은 Al-Si-(Mg)으로 이 합금은 원래 주조용으로 개발된 것으로 레이저에 대한 반사율도 높고, 내부의 과다한 산화물의 존재 등으로 실제 적층 제품에서는 연신율 부족 등이 문제가 되고 있다. 그러나 Airbus의 자회사에서는 Al-Mg-Sc합금계의 Scalmalloy란 합금 분말을 개발하여 내마모성 내식성이 우수하고 기존 알루미늄 제품의 강도가 2배인 분말을 개발하여 항공 우주분야에서 요구되는 제품을 개발 중이라고 한다. 향후 새로운 기능과 기계적 성질을 가진 진보된 소재를 개발하여 용도와 목적에 맞는 합금 개발과 이에 따른 공정개발에 중심을 둬야 할 것이다.

최적설계 연구·기능성 부여·소재 개발 나서야

산업용 대형부품 제작 종합지원센터 구축 必

■ 국내 적층제조 산업 동향과 제언

최근의 국내 동향을 살펴보면 대기업에서 장비검토 및 응용분야에 대한 활발한 움직임이 있다. 발전설비용이나 항공 우주부품 등으로 활용하기 위한 터빈 브레이드 부품 검토, 시험편을 통한 물성 테스트가 활발히 진행되고 있으나 단일 기업이 구입할 경우 효용성과 가동률 저하를 우려하고 있는 실정이다. 우리나라는 2년전에 비해 정부의 종합지원대책과 진흥법 등의 제정으로 이와 관련된 산업들이 활발히 진행된 것은 사실이다. 그러나 재정이 제한돼 있어 지역에 예산이 분산배분되고 소형장비에만 집중돼 산업 현장에서 사용하기에는 제약사항이 많이 따른다. 아직까지는 기업에서 대형장비를 도입하기에는 효율성이 문제가 되기 때문에 관련 대형장비와 분석설비를 갖추기 힘들다.

이에 대형부품 종합지원센터를 구축이 요구되는 시점이다. 이러한 센터는 실험과 연구가 아닌 현장에서 사용 가능한 대형부품을 제작하여 국방산업과 관련된 차세대전투기 부품은 물론이고 단종이나 조달애로 부품 등에 활용과 발전설비 등에도 적용가능하다.

의료분야에는 치과관련 크라운, 브릿지에 대한 생산이 본격적으로 진행 중이며 정형외과 수술이나 활용 가능성에 대한 의료계의 노력도 꾸준히 진행되고 있다. 또한 FDM 및 DLP방식 3D프린터는 TPC 메카트로닉스, 대건테크 등이 상업화에 성공한 바 있다. 산업용 PBF방식의 금속 3D프린터의 경우 윈포시스, 스맥, 센트롤이 개발하여 응용분야 증대를 위한 노력하고 있다. 항공부품의 경우 초내열합금 등으로 진행중인 중소기업이 상당수 있으며 일부 사출금형의 냉각몰드를 제작하여 양산공정에 적용하는 기업이 다수 출현하고 있다.

과거 한국이 3D프린팅의 약체국가로 인식되었으나 향후 정부의 지원정책과 업계의 장비개발 및 소재개발 등으로 산업계의 노력을 경주하면 세계가 주목하는 국가가 될 것이라는 것을 믿어 의심치 않는다.

▲ <그림1>항공기 등의 부품의 다이어트와 소재 절감을 적층제조기술을 통해 동시에 달성이 가능하다..

▲ <그림2>Airbus 자회사인 APWorks에서 제작한 30Kg의 전기 바이크. 스칸듐을 함유한 고강도 알루미늄인 Scalmalloy로 적층제조.