3D프린팅, 시제품 넘어 제조 기술로 확장 가속화

▲ 신진국 전자부품연구원 3D프린팅사업단 단장

지난 4월11일부터 13일까지 일본 나고야 Portmesse에서는 일본 최대의 제조업 박람회인 ‘Manufacturing World Nagoya 2018’이 열렸다. 매년 도쿄, 오사카, 나고야에서 열리는 박람회인데, 나고야는 도요타와 같이 세계적으로 유수한 자동차 메이커가 위치하고 있으며 주요 항구이기도 해 우리나라로 치면 울산과 같은 느낌이 드는 도시다. 인구는 2백만으로 일본에서 4번째 규모의 대도시이며 고층빌딩과 사회기반 시설이 웬만한 나라의 수도에 비견될 정도로 잘 갖춰진 것을 보면 나고야에서 대규모 제조공업 박람회가 열리는 이유를 짐작할 수 있다.

Manufacturing World Nagoya는 △제3회 DMS(Design Engineering & Manufacturing Solutions EXPO) △제3회 Mechanical Componets & Materials Technology EXPO △제2회 Factory Facilities & Equipment EXPO △제2회 Aerospace Technology & Components EXPO 등으로 구성됐으며 총 1,140개 기업이 출품했다. 3D프린팅 기술과 산업동향을 살피고 연구개발 결과물을 홍보하기 위해 DMS를 참관했으며 그 내용을 기고를 통해 공유하고자 한다.

미국의 3D프린팅 솔루션 기업인 스트라타시스(Stratasys)는 이번 전시회에 플라스틱 출력물과 소프트 몰드를 주로 전시했다. 소프트 몰드란 플라스틱 출력물을 PET병이나 기타 플라스틱 부품의 거푸집으로 사용하는 기술로서 주로 700개 이하의 소량생산일 경우 경쟁력이 있는 것으로 알려지고 있다. 소프트 몰드를 금속 프레스 몰드로 사용하는 사례를 볼 수 있었으며 자동차 외장내, 미러, 차체 등에 활용하는 사례를 들었다. 스트라타시스는 시제품제작의 한계를 돌파하기 위해 소프트 몰드에 상당히 힘을 쏟는다는 느낌을 받았다. 향후 포토폴리머(감광성수지) 기반의 세라믹 프린팅 쪽이나 고융점 포토폴리머 개발 등으로 확장해 나갈 것으로 생각된다.

일본의 광학기기 기업 리코(Ricoh)는 실리콘이나 우레탄 계열로 보이는 소프트 재료 3D프린팅 기술을 선보였다. 특이한 것은 플라스틱 마스터 펠릿을 넣으면 바로 플라스틱 프린팅을 해주는 장비였다. 중간에 필라멘트 만드는 공정을 생략하면서 바로 출력할 수 있는 것이다.

독일의 3D프린터 제조기업 엔비전텍(EnvisionTEC)이 독자적인 기술인 3SP(Scan, Spin and Selectively Photocure:스캔, 회전 및 선택적 광경화)에 대한 설명을 들었다. 이 기술은 선형광원을 이용해 초대형 수조 전체를 효율적으로 스캔해 소재를 경화시킬 수 있어 대량생산이 가능하다. 회사는 글라스 소재를 모방한 e-glass 소재를 새로 출시했으며 세라믹 3D프린팅과 함께 신규 유망 분야가 될 것으로 여겨진다.

일본의 금속 3D프린팅 전문 서비스 기업인 Hakudo(白銅)는 스테인레스 강, 알루미늄 등 다양한 금속을 취급하고 있으며 다양한 후처리 능력을 뽐냈다. 내부 구조가 있는 큐브의 경우 적층 후 복합가공하는 방식으로 만들었다. 조형능력을 보여주기 위한 앙코르와트와 콜로세움 출력물이 전시됐는데 콜로세움 출력물의 경우 두께와 높이가 꽤 있음에도 불구하고 출력과 후처리가 잘 된 것을 확인할 수 있었다.

日 최대 제조업 박람회 금형·주물·금속 3D프린팅 솔루션 대거 선

서비스·후처리 확대, Sciaky 같은 새로운 적층제조방식 연구 필요

주물사 3D프린팅을 활용한 일본의 유명 서비스 기업인 기무라 공작소(Kimura Factory)는 ExOne S-MAX+, S-MAX. S-15 등 장비를 갖추고 다이렉트 몰딩 프로세스를 지원하고 있다.

미국에서 데스크탑 메탈의 일본 리셀러로 추정되는 Brule에서 데스크탑 메탈에 대한 자세한 설명을 들을 수 있었다. 플라스틱과 금속분말을 섞어서 필라멘트로 하여 FDM처럼 금속 부품을 출력하고 벌크 신터링으로 후처리하는 방식인데, 이 장비의 특징은 와이어 커팅이 없다는 것이다.

특수한 솔루션을 이용하여 바인더역할을 하는 플라스틱을 녹여낸다고 하는데 이 방법과 조성은 비밀이다. 금속 부품 품질이 생각보다 좋아 제한된 목적내의 금속 부품은 만들 수 있을 것으로 기대된다.

Mimaki는 피규어용 CJP(컬러젯프린팅)를 일본 국내 기술로 만든 회사다. 석고와 아크릴계 바인더와 색소를 섞어서 3원색을 만들었고 막힘 현상이 없었다는 것으로 봤을 땐 점도가 낮은 바인더를 이용하는 것으로 보인다.

무사시는 인쇄전자에서 많이 사용되는 디스펜서, 일명 ‘무사시 헤드’를 만드는 일본의 유명 디스펜서 메이커다. 동시에 두 가지 용액을 다른 비율로 디스펜싱할 수 있는 일명 2액형 디스펜스는 TPU 등 2액을 사용해야 하는 3D프린터의 헤드로 활용할 수 있을 것으로 보인다.

CASTEM는 로스트 왁스와 MIM(Metal Injection Molding:금속분말사출성형) 글로벌 서비스 업체다. MIM 분야에서 높은 기술경쟁력을 보유한 회사로 보이며, 명함에 MIM 샘플을 담아서 홍보하는 점이 인상적이었다. MIM 출력물인 버어니스 캘리퍼스를 800엔에 구입했는데 실제 동작이 가능하고 상당히 정교하게 만들어졌음을 느낄 수 있었다.

전자빔 웰딩 기술을 3D프린팅에 접목한 미국의 Sciaky는 소재를 와이어 방식으로 공급해 출력물의 무늬가 선형적으로 나오며, 후가공을 통해 매끈한 표면을 만들 수 있다. 기존 대다수 금속 3D프린팅 기술이 PBF나 전자빔을 분말에 적층하는 방식 보다 미터(m)급 대형 부품을 출력하는데 비용, 품질에 있어 큰 장점이 있다. 사용하는 소재도 Ti, Ti합금, Ta, 니켈합금(인코넬 718, 625), SUS 300계여, Steel 4340, 지르칼로이, 텅스텐, 니오붐, 7/3-Cu/Ni Ni/Cu 등이 다양하다. Sciaky는 보잉, 미 국방부, 록히드 마틴 등과 지속적인 협력을 통해 이방성 문제도 해결한 것으로 여겨진다.

우리나라도 금속 3D프린터 개발에 있어 중출력대(수kW)의 전자빔을 활용한 Arcam 방식, Sciaky 방식, 아크 방식에 대한 연구가 이루어져야 할 시기다. Sciaky 방식의 장점은 빠른 속도와 함께 소재 스크랩이 적어 가격 측면에서 유리하며 열인입량이 적어 출력물의 뒤틀림이 적고 층간 실시간 이미지를 센싱해 컨트롤 하면서 출력물의 형상과 품질, 미세조직, 조성 등을 잘 제어할 수 있다는 점이다. 여기에 로봇팔을 활용하면 적용처도 다양해지기 때문에 공간적인 제약과 저가화 달성을 위해서 좋은 기술로 생각된다.

▲ 소프트몰드로 플라스틱 부품을 생산하는 사례

▲ Ricoh는 실리콘이나 우레탄 계열로 보이는 소프트 재료 3D프린팅 출력물을 선보였다.

▲ HP의 Multi-Jet Fusion으로 출력한 드론의 날개. 드론은 중국업체에서 실제 양산하고 있는 모델이며 출력물 인장강도 측정 시편이 우수하다.

▲ 일본 출력서비스 기업 Hakudo이 선보인 알루미늄 합금으로 만든 쿨러 부품들. 가운데 아래의 쿨러는 기존의 방법으로는 구현하기 힘든 모양이다. 우상단의 쿨러는 아랫면은 접촉면 확보를 위해 납작하게, 윗면은 구면을 되어 있는 것이 눈에 띈다.

▲ 일본 무사시는 두 가지 용액을 다른 비율로 디스펜싱할 수 있는 일명 2액형 디스펜스를 선보였다.

▲ 일본 CASTEM은 MIM(Metal Injection Molding)을 통해 상당히 정교한 부품을 생산하는 기술을 선보여 눈길을 끌었다.

▲ Sciaky는 와이어 방식을 이용하므로 출력물의 무늬가 선형적으로 나오며, 후가공을 통하여 매끈한 표면을 만들 수 있다.