제조업의 뿌리 주조산업 고부가화, 선진국 저력 확인

Voxeljet의 대표이사인 Ingo Ederer박사와 함께.

(1)Rosswag, Blue Power System

(2)GE Additive

(3)Voxeljet

(4)Trumpf

(5)ConceptLaser

인류는 금속소재를 기반으로 하여 역사적으로 주조, 단조, 기계가공 등의 공정을 이용하여 발전해왔다. 이러한 금속 가공공정은 산업혁명의 원동력이 되었으며 최근 제조업의 패러다임을 바꿀 수 있는 도구로 적층제조(3D프린팅)가 부상하고 있다.

이러한 적층제조 기술은 제품의 3D 설계 모델링 파일을 이용하여 주로 금속분말을 에너지 소스로 결합시켜 최종 제품을 만드는 방법으로 PBF(Powder Bed Fusion) 및 DED(Directed Energy Deposition) 기술이 대표적으로 금형, 의료, 우주항공 분야 등 부품을 제조하는 것이 보편화되고 있다. 그러나 이러한 부품제조 과정은 장비 및 금속분말 가격이 고가이며 크기 또한 제한되어 대형화된 부품을 만드는 것에 한계가 존재한다. 이러한 것을 해결하고 전통산업과 조화가 될 수 있는 기술은 무엇일까?

바로 바인더 제팅(binder jetting) 기술이다. 이 기술은 페놀계 수지인 바인더, 즉 액상의 접착제를 이용하여 미세한 노즐에서 잉크젯 형태로 모래, PMMA 수지분말에 선택적으로 뿌려서 적층하는 기술로 제작속도가 빠르고 대형화가 가능한 장점이 있다. 이 기술의 대표적인 기업이 Voxeljet다.

이 회사명은 Voxel+jet의 합성어다. Voxel이란 용어는 부피(volume)와 2차원의 해상도를 의미하는 Pixel을 조합한 혼성어로 3차원적인 정밀도를 나타내는 것이며 jet는 접착제를 분사한다는 의미이다. 이 기술은 특허가 소멸되지도 않았으며 독일의 이 기업과 미국의 ExOne사 만이 유일하게 장비를 제조하고 있다.

이 회사는 매출이나 직원수로 본다면 중소기업에 불과하나 기술력으로 나스닥에 상장된 회사다, 지난해부터 금속분말에 접착제를 분사하여 3차원 형상을 제조하는 장비를 소개한 바 있다. 이 기술은 분말을 금형에서 성형한 후 융점에 가까운 온도를 가열하여 분말을 결합시키는 기술로 분말야금기술과 유사하다. 제조공정 시간이 늘어나지만 금형없이 복잡한 형상의 구현이 가능하고 사용분말의 크기에 크게 제약을 받지 않아 PBF 기술의 대안으로 제시되는 기술이다.

현재 이 회사에서 양산하고 있는 장비는 사형주조용 몰드 제작과 정밀주조용 왁스 패턴 제작에 사용되는 장비로 거의 모든 금속의 주조에 사용할 수 있다.

사형주조 공정의 경우 최적화된 주조방안으로 패턴을 제작한 후 모래를 이용하여 중자(코어), 주형을 만들게 된다. 이 기술은 사형 몰드를 캐드파일로부터 바로 제작이 가능하기 때문에 패턴제작 공정이 필요 없으며 단시간에 제품 생산이 가능하게 된다. 또한 주조방안의 수정이 쉬우며 내부의 가스를 효과적으로 빼어낼 수 있는 방안도 설계가 가능하다.

독일의 농기계 제조업체인 Amazone社에서는 Voxeljet社의 binder jetting 방식을 적용하여 chassis 구조물을 사형주조 몰드로 제작한 바 있다. 이 구조물은 용접에 의한 방법으로 245Kg의 대형제품이었으나 최적 설계를 통하여 45Kg의 경량화와 내구성 향상에 큰 효과가 있었다고 보고되고 있다.

                   바인더 제팅 기술 사형·정밀주조 적용, 부품 56% 경량화 실현

              3D프린팅과 주조산업 융합 통한 상생 발전, 大·中企 협력 필수

독일 농기계 회사인 Amazone에서는 Voxeljet 장비를 사용하여 모래를 적층하여 사형주조 몰드를 제작하여 주물을 생산했다. 그 결과 경량화와 내구성 향상 효과를 거뒀다.

정밀주조의 경우 소모성 왁스패턴(PMMA 수지)를 바인더 제팅 방식으로 적층 후 표면에 세라믹 슬러리를 입혀 주형을 만들어 왁스패턴제작에 적용될 수 있다. 이 공정은 상기 사형주조와 마찬가지로 패턴 제작을 위한 금형몰드 제작이 필요하지 않는다. 이것은 몰드 제작에 소요되는 시간적, 경제적 비용의 절감뿐만 아니라 제품의 간단한 설계변경 등에도 금형을 다시 제작하지 않고 쉽게 원하는 형상의 패턴을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.

이 기술을 사용한 오토데스크社에서는 아리스토캐스트社와 공동으로 항공기 좌석 프레임을 정밀주조기술과 적층제조 기술을 접목하여 마그네슘 합금을 주조한 사례가 있다. 최적화 설계와 마그네슘 합금 적용을 통해 기존 알루미늄 프레임 대비 56% 경량화 된 효과를 가진다.

이는 소재 변경을 통한 35%의 경량화, 최적화 3D 설계로 21%의 경량화를 달성하였다. 이 기술이 주목을 받는 이유는 마그네슘 적용이 가능하도록 정교한 프레임 설계와 최적화된 왁스패턴 구현으로 경량화시켰기 때문이다. 이로써 적층제조 기술을 이용하여 복잡한 형상을 가진 마그네슘 정밀주조용 패턴의 제작 기술을 확보한 것이다.

정밀주조로 제작된 마그네슘 항공기 seat frame

주조기술은 모든 생산기술의 기반이 된다. 하지만 최근 국내의 산업환경이 IT, 전기전자분야를 중심으로 한 고속 성장 기조에 다소 주조기술이 도외시 되었던 것이 사실이다. 반면 해외 선진국에서는 오래전부터 주조산업을 핵심 산업으로 인식하여 제조 환경 혁신과 많은 지원을 통해 고부가가치화 노력을 지속적으로 하고 있다. 연평균 성장률도 8%대이며 2015년 시장규모도 427조에 이른다.

반면 국내는 전반적으로 주조산업이 기피산업으로 인식되어 구인난이 지속되고 작업자의 노령화가 나타나고 있어 기술의 영속적인 발전과 개발이 어려운 악순환이 계속되고 있다.

금속강국인 독일에서는 주조산업을 사양산업에서 고부가가치 산업으로, 기피산업에서 탈피하기 위한 개선 방안을 제시하고 있다. 따라서 우리나라도 수요기업인 대기업에서 주요 개발 아이템을 발굴하여 중소중견기업과 협력하면 건강한 3D프린팅의 생태계는 자연스럽게 조성되리라 본다.

그 길이 멀고도 험난한 일이지만 도전하지 않으면 우리의 국민소득은 3만 달러대에 머물 수 밖에 없다는 생각을 해본다.

Voxeljet에서 참관단과 함께 기념촬영을 했다.