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  • 기사등록 2018-12-20 15:38:03
  • 수정 2018-12-20 15:39:27
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우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 33명과 함께 지난 11월13일부터 16일까지 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 3대 적층가공전문 전시회인 ‘폼넥스트(Formnext) 2018’을 참관하고 독일 현지 기업인 ‘SMS 그룹’을 방문했다. 이번 폼넥스트에서 참관단은 선진기업이 추진 중인 적층제조의 대형화 및 정밀화와 소재 다양화와 함께 더욱 많아진 플레이어들을 목도하면서 적층제조시대에 이미 진입했음을 깨닫게 됐다는 후문이다.
선진국과 아직 격차가 있는 우리나라의 산학연에서는 3D프린팅을 미래 먹거리 산업으로 육성하고 적층제조시대에 안착하기 위해 우리는 무엇을 준비해야 하는가에 대한 고민도 함께 커지고 있다. 이에 본지는 이번에 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고와 함께 현장에서 서로 의견을 나눈 내용을 바탕으로 적층제조시대에 우리가 어느 방향으로 가야하고 이를 위해 무엇이 필요한지에 대해 고민해보는 자리를 마련했다. 우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 33명과 함께 지난 11월13일부터 16일까지 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 3대 적층가공전문 전시회인 ‘폼넥스트(Formnext) 2018’을 참관하고 독일 현지 기업인 ‘SMS 그룹’을 방문했다. 이번 폼넥스트에서 참관단은 선진기업이 추진 중인 적층제조의 대형화 및 정밀화와 소재 다양화와 함께 더욱 많아진 플레이어들을 목도하면서 적층제조시대에 이미 진입했음을 깨닫게 됐다는 후문이다.
선진국과 아직 격차가 있는 우리나라의 산학연에서는 3D프린팅을 미래 먹거리 산업으로 육성하고 적층제조시대에 안착하기 위해 우리는 무엇을 준비해야 하는가에 대한 고민도 함께 커지고 있다. 이에 본지는 이번에 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고와 함께 현장에서 서로 의견을 나눈 내용을 바탕으로 적층제조시대에 우리가 어느 방향으로 가야하고 이를 위해 무엇이 필요한지에 대해 고민해보는 자리를 마련했다.

세라믹 3D프린팅 소재·공정 진일보, 신시장 개척 나서야


◇연재순서

(1)전시회 총괄 평가 (강민철 3D프린팅연구조합 상임이사)
(2)금속소재와 부품 응용 (정재원 재료연구소 선임연구원)
(3)산업용 플라스틱 소재의 활용과 전망 (김윤철 성균관대 교수)
(4)적층제조의 세라믹부품 개발현황과 기술적 이슈 (홍찬우 일루미네이드 이사)
(5)경량화와 효율 향상을 위한 설계기술과 S/W 개발 동향 (신화선 전품연 박사)
(6-完) 전문가 현장 간담회



독일의 프랑크푸르트에서 열린 폼넥스트(Formnext)는 이름 그대로 전통적인 소재 및 제조공정을 벗어난 미래(Next)의 제조기술(Form)을 제시하는 세계 최대 적층제조 전시회다. 이번 전시회에서는 덴탈용 광경화 소재나 기능성 플라스틱과 같은 의료 및 제조 산업에 직접 적용 가능한 중소형 산업장비 및 금속 소재 전처리부터 3D프린팅 및 최종 후처리 및 검수까지 통합화된 양산시스템 기반 금속 적층공정 솔루션의 상용화 추세가 확대되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 적층공정 전문 전시회의 위상에 걸맞게 플라스틱, 금속 소재에 이어서 기존 전통적인 제조공정으로는 깨지기 쉬운 재료 특성으로 형상의 자유도 구현이 어려웠던 세라믹 소재기반의 적층공정기술이 다수 출품됐다.


폴리머 및 금속소재는 용융 및 고화가 쉽고 연성을 갖고 있어 가공 난이도가 낮아 장비 기술만으로도 실용 가능한 3D프린팅이 가능하다. 그러나 세라믹 소재는 소결이 필요하며 높은 경도(Hardness)와 취성(Brittleness)으로 인해 가공이 매우 어려워 장비기술 뿐만이 아니라 소재기술을 동시에 접목해야 3D프린팅이 가능하기 때문에 적층공정 기술 중에서 가장 기술 장벽이 높다.


세라믹 적층공정으로 제조된 기능성 세라믹 부품들은 고부가 시장인 반도체, 우주항공, 에너지, 바이오 의료기기 등 다양한 기술 분야에서 적용될 것으로 예상된다. ‘Smartech Markets Publishing 2018’에 따르면 관련 세라믹 소재, 장비, 응용서비스 등 세계시장은 2017년 1,078억원(9,600만달러)규모에서 2028년 41조3,152억원(36억7,800만달러)규모로 연평균21.93% 성장할 것으로 기대되고 있다. 이러한 세라믹 적층공정 산업을 이끌기 위해서 시장 초기임에도 불구하고 전세계적으로 소수의 중소기업들이 뛰어들고 있다.

▲ 세라믹 시장 전망자료(출처:Ceramics Additive Manufacturing Markets 2017-2028, Smartech Markets Publishing, 2018)



세라믹 적층공정 기술은 분말을 원료로 사용하는 BJ(Binder Jetting)방법, 페이스트 형태의 원료를 사용하는 ME(Material Extruding)방법, 마지막으로 광경화 슬러리를 원료로 사용하는 PP(Photo-polymerization)방법이 상용화됐다. 해당 세라믹 적층공정을 통해 제작된 3D 출력물은 세라믹과 유기물의 혼합체로써 단순 형상만 구현되었기 때문에 탈지(Debinding) 및 소결(Sintering)과 같은 후처리 공정을 통해 유기체를 제거해야 고밀도 세라믹 출력물을 제작할 수 있다.


이와 관련해 이번 전시회에 참가한 세라믹 3D프린팅 회사를 살펴보면 이스라엘의 Xjet은 나노사이즈의 입자를 바인더에 분산시킨 소재를 잉크젯 방식으로 출력 후 열처리를 통해 바인더를 증발시키는 방식을 사용하여 그린바디(Greenbody) 밀도를 높인 NPJ(Nano Particle Jetting) 기술을 사용한 세라믹 3D프린팅 장비를 선보였다. 해당 방식은 서포트가 되는 소재가 별도의 노즐을 통해 동시 적층이 되기 때문에 형상의 자유도가 다른 어떤 방식보다 좋다는 장점을 가지고 있다. 이러한 기술을 통해 오토데스크(Autodesk) 및 CATALYST로부터 2,500만달러 이상 투자를 받은 바가 있다.


프랑스의 3DCeram은 2017년 일본의 제조기업인 Sinto를 인수하여 장비, 소재, 클리닝 시스템, 소결까지 일괄 공정을 포함한 세라믹 3D프린팅 기술을 가장 잘 실용화하였다고 평가받고 있다. 3DCeram은 세라믹 파우더와 광경화성 레진을 섞어 만든 높은 점도의 광경화 세라믹 슬러리에 UV레이저를 쏘아 선택적으로 경화시키는 PP방법 중 SLA(Stereolithography Apparatus) 기반의 장비를 상용화하였다. 해당업체는 다양한 산업에서 필요한 세라믹 소재를 개발하여 스와치(Swatch), Zeiss, 애플(Apple), 에어리퀴드(Air Liquide) 등과의 파트너십 체결을 통해 다양한 산업계와 상용화를 추진, 2016년 2만유로의 매출을 기록한 바가 있다. 금번 전시회에는 SLA 방법과 잉크젯, 노즐젯을 혼합한 하이브리드 세라믹 3D프린터를 공개하여 다종소재 세라믹 3D프린팅 개념을 소개했다.


오스트리아의 LITHOZ에서는 세라믹 3D프린터로는 최초로 모듈화된 프로덕션라인 제품을 공개했다. 이 모듈화된 장비는 최대 4개의 장비를 연동하여 동시에 생산할 수 있으며 적층공정시 변수를 라인별로 로깅할 수 있는 시스템을 갖추어 생산라인에서의 요구를 충족시킬 것으로 기대되고 있다. 하지만 최대 출력가능한 크기가 100x64x200mm에 불과하고 작고 느린 적층속도로 인해 생산성의 한계를 보이고 있다. 하지만 다양한 유럽 및 미주의 연구소 및 기업들과 협업을 통해 다양한 맞춤형 소재를 개발하고 있으며 가장 많은 종류의 세라믹 소재를 전시회에 출품했다.


네덜란드의 Admatec에서는 DLP를 이용한 광경화 방식 기반으로 소재 공급은 테이프캐스팅(Tape-casting) 원리를 이용하여 적층시 일정하고 균일한 소재공급에 대한 신뢰성을 확보하려는 ‘Admaflex130’ 장비를 출품했다.


Xjet·3DCeram·Voxeljet 등 상용화 수준 장비·기술 선보여

적층공정 토털 프로세스·자동화 구축 및 어플리케이션 관건



▲ Xjet에서 출시한 NPJ 방식의 세라믹 3D 프린터 ‘XCarmel 1400’

독일의 주물사 3D프린팅으로 유명한 복셀젯(Voxeljet)은 대형 세라믹 프린터 시장에 진입하고 있다. BJ방식으로 모래를 이용하여 대형 주조물의 틀을 만들어 주는 프린팅 기술을 가지고 있었으나 소재의 다양화로 최근 세라믹 프린팅까지 넘보고 있다. 프린팅 해상도는 타 광경화성 세라믹 프린팅 대비 떨어지나 1x0.6x0.5m에 달하는 최대 출력 크기를 지니고 있어 현재로서 대량 생산이나 기계산업에 직접 적용이 가능한 가장 적합한 프린팅 방식이라 볼 수 있다.


그 밖에 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서도 전시회에 SiN(실리콘나이트라이드), SiC(실리콘카바이드), WC(텅스텐카바이드)와 같은 다양한 첨단 세라믹 소재를 이용한 세라믹 3D프린팅 출력물들을 공개했다. 또한 적층공정시 발생하는 결점을 찾아내어 공정을 피드백하는 시스템과 같은 선행 세라믹 적층공정기술을 볼 수 있었다.



▲ 프라운호퍼 연구소에서 전시한 텅스텐카바이드 신소재 세라믹 3D 프린팅 출력물

세라믹 3D프린팅 시장은 이제 막 시작된 시장으로 누가 더 많은 데이터베이스를 바탕으로 소재부터 후공정까지 전체 세라믹 적층공정 프로세스를 확립하는지가 중요시된다. 또한, 최근 금속 적층공정 솔루션과 유사하게 모든 세라믹 3D프린팅 공정 프로세스를 맞춤형 소프트웨어와 센서 기반의 피드백시스템으로 구축하여 자동화해야 산업계에서 요구하는 세라믹 3D프린팅 생산공정 수준을 만족하고 상용화가 된다고 생각된다.


이와 함께 고부가가치를 이끌어 낼 새로운 세라믹 3D프린팅 어플리케이션의 개발이 필수적이다. 지금까지 세라믹은 우수한 기계적 특성, 내열성, 내마모 및 생체 적합성 등의 장점에도 불구하고 형상의 제약과 비용의 문제 때문에 잘 사용되지 못했다. 최근 다양한 세라믹 3D프린터 개발로 인해 해당 제약을 극복하면서 전세계적으로 다양한 어플리케이션 적용하고자 ‘Ceramic-Applications’ 플랫폼과 같은 네트워크가 형성 중이다.


국내에서는 세라믹 3D프린팅을 의료용 어플리케이션에 사용하고자 노력하고 있다. 그 예로 대웅그룹 ㈜시지바이오에서는 자사의 생체활성 바이오세라믹인 ‘BGS-7’을 이용하여 국내 유일 세라믹 3D프린팅 전문업체링 ㈜일루미네이드와 협력해 환자맞춤형 인공광대뼈를 3D프린팅해 2018년부터 임상을 진행하고 식약처 허가를 받아 상용화를 위해 노력 중이다.



▲ LITHOZ가 다양한 세라믹 소재로 만든 DLP기반 세라믹 3D 프린팅 출력물

이와 더불어 정부에서는 한국산업기술평가관리원(KEIT) 정봉용 세라믹 PD를 중심으로 세라믹 3D프린팅 기술에 대한 많은 관심을 갖고 있으며, 주기적으로 세라믹 3D프린팅 연구회 개최를 통해 산학연 관계자들이 국내 세라믹 3D프린팅 기술을 발전시키기 위해 노력 중이다.


이러한 연구교류와 더불어 ‘고투광성/고인성 세라믹 소재 및 이를 이용한 개인 맞춤형 크라운 제조기술개발’, ‘이식환경 맞춤형 바이오세라믹 3D프린팅 소재 및 저온 공정기술 개발’, ‘경사기능성 세라믹 적층제조기술을 이용한 초고압 GIS(가스절연개폐장치)용 절연물 개발’ 등과 같은 국가 R&D 사업지원을 통해 저온소결, 이종소재, 경사기능(Functional Gradient Material) 등 세계를 선도할 수 있는 세라믹 3D프린팅 기술 및 소재를 연구하고 있어 향후 5년 이내에는 가시적인 성과가 기대가 된다.


특히 세라믹 3D프린팅은 신 어플리케이션 개발부터 전 공정을 완성하기 위해 초기 투자 및 연구가 필수적으로 많이 이루어져야하기 때문에 세계적인 리딩 기술개발을 위해서는 초기정부의 지대한 관심과 지원이 반드시 필요하며 당장의 눈앞의 이득이 아닌 멀리 볼 수 있는 산업계의 관심이 절실한 시점이다.

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