우리는 근래에 스마트팩토리, 인더스트리 4.0. 빅데이터, 인공지능(AI), 사물인터넷, 3D프린터, 로봇 자동화, 5G(5세대) 이동통신 등 4차 산업혁명이라는 미래를 맞이하는 메가트렌드의 홍수에 살고 있는 듯하다. 소위 4차 산업혁명의 요소 기술이라고 하는 일련의 메가트렌드 기술들은 어제도 있었던 그 기술인 듯도 하지만 2010년대를 관통하면서 각 산업분야별로 일대 변화를 주도하고 있다.

아마존의 웹 서비스 및 데이터 센터는 빅데이터로, 머신 러닝은 딥러닝 및 AI로, 센서기술기반 콘트롤기술은 인터넷 네트워크 기술과 만나 사물인터넷으로, 쾌속조형기술은 3D프린터 및 적층제조(Additive Manufacturing)기술로, 단순 핸들링 업무 위주의 로봇기술은 협업 로봇 또는 휴머노이드 로봇으로, 4G는 5G로, 다양한 요소기술들이 2010년에 들어오면서 동시에 폭발적으로 진화하고 있다.

일각에서는 개념과 비용만 남발하고 실체가 없다고도 하고, 일각에서는 세계 선진 제조 사례를 들어 대한민국의 준비와 실전적 도전이 미비하다고 한다. 개념과 비용만이 남발한다고 느껴지는 이유는 산업현장에서의 ‘실전적 응용 사례의 부족’ 또는 ‘부분적인 기술적 현실’ 때문이라고 생각한다.

상술한 메가트렌드 기술들은 요소 기술이기 때문에 풍부한 실전 응용 사례의 산출과 축적이라는 과정을 통해 현장검증하면서 업그레이드 발전시켜야 한다. 또한 요소기술들을 궁극적으로 작업 공정에 따른 연결을 통해 스마트팩토리, 스마트팜, 스마트시티, 소사이터이 5.0 등이라고 불리우는 미래 산업과 사회의 청사진으로 완성될 수 있다.

필요는 혁신을 요구한다. 생산 인력의 구조 변화, 소비자 관점의 제품 기대 변화, 소비하는 방식의 변화, 제조 산업의 글로벌 지형변화 및 이에 따른 글로벌 경제 패권 다툼으로 미루어 볼 때 인더스트리 4.0, 스마트팩토리는 피할 수 없는 필연적인 도전이라고 할 수 있다.

가까운 미래 생산 인력의 구조변화를 볼 때 특히 대한민국과 일본은 유례없을 정도로 놀라운 인구절벽 사회를 마주하고 있다. 대한민국은 당장 내년 2020학년도부터 대학입학 정원이 고등학교 졸업생 수보다도 많아진다고 한다. 또한 통계청 자료에 의하면 생산가능인구(15세~64세) 및 핵심근로인구(25세~49세) 또한 2030년을 기점으로 감소 추세로 전향한다고 한다. 생산 인구는 감소하면서 또한 인구 유출은 증가하고, 제품은 급변하는 소비자 취향에 따라 다양화하며, 동시에 4G/5G 소사이어티의 속도를 따라 소비 주기는 빨라지고 있다. 

이러한 사회구조, 소비구조, 경제구조의 변화에 따라 오늘날 제조기술과 제조방식을 바꾸고자 하는 노력이 인더스트리 4.0/스마트팩토리를 조준한 제조혁신의 노력이다.

스마트팩토리, 적층제조 결합 유연·지능형 자동화 제조 시스템 재혁신 시급
적층제조 소재·장비·공정·설계·표면처리기술 연결 및 자동화 구축 지원 필요

■메가트렌드 기술 장착을 통한 스마트제조 플랫폼 진화

필자가 스마트팩토리를 위한 적층제조 이야기에 앞서 4차 산업 혁명의 메가트렌드 기술과 파괴적 제조혁신의 필요성을 상술한 이유는 수많은 메가트렌드 기술의 홍수에서 표류하지 않고 제조혁신을 위한 원점 조정을 하기 위해서다.

근자에 TV 간담회, 정책 프로그램 및 다양한 전문 매체에서 스마트팩토리의 효과의 허와 실에 대한 논의가 뜨겁다. 2022년까지 중소기업 스마트팩토리를 3만개 구축한다는 ‘제조혁신 3.0’ 프로젝트는 제조가 빠진 정보화, 전산화를 추진하는 기초 단계 수준이라는 것 또는 그 의미가 너무 포괄적이였다는 것, 스마트팩토리 구축으로 생산성 향상 및 불량률 감소를 통해 성공사례로 소개된 기업은 종합적인 매출 실적으로 볼 때 오히려 마이너스 성장 중이라는 것, 정부주도형의 전산화의 사례보다는 삼성, LG, 포스코 등이 이끈 민간주도형의 스마트팩토리가 제조분야의 연속 공정을 지능화 및 자동화 하면서 성공적인 스마트팩토리를 구축하고 있다는 등의 이야기들이다.   

▲ 적층제조 플랫폼

스마트팩토리는 제품 기획, 수급, 생산, 소비, 운영 관리, 보수 및 폐기에 이르기까지의 제품의 전 생애 과정에 대한 디지털화 그리고 이를 기반으로 한 실물과 디지털 데이터간의 지능형 커뮤니케이션과 자동화를 통한 일련의 팩토리 플랫폼이라고 볼 때 지금까지 수행된 스마트팩토리는 다소 기초적인 수준이라 볼 수 있다. 그러나 한편으로는 스마트팩토리가 디지털 데이터를 기반으로 한다는 점에서 볼 때 중소기업들에게 스마트팩토리에 도전할 수 기초 밑거름을 주었다는 점에서 어느 정도의 효과는 있었다고 생각한다.

2014년~ 2019년까지 표류 중인 스마트팩토리는 이제 2020년을 준비하면서 제조 제품의 생애주기를 종합적으로 관리하는 ‘유연한 지능형 자동화 제조 시스템’으로 재혁신이 필요한 때이다. 2010년대, 4차 산업혁명의 메가트렌드 기술들 또한 요소기술들로서 개별적으로 진화해 왔는데 이를 연결함으로써 스마트팩토리를 완성시키는 때가 됐다고 판단된다.

쾌속조형, 3D프린터, 적층제조 솔루션으로 진화하고 있는 3D프린팅은 ‘유연한 지능형 자동화 제조 시스템’에서 만드는 작업 즉 제조를 담당하는 모듈 시스템이라 할 수 있다. 

3D프린터가 단순 생산설비가 아닌 적층제조 플랫폼이 되기 위해서는 프린터라는 장비, 부품 제조용 소재 개발과 관리, 부품 성형의 품질과 작업공정을 제어 관리하는 공정 개발과 최적화. 그리고 부품. 제품을 고부가 가가치화하고 작업 공정을 단순화하는 종합적인 ‘새로운 디자인 방법’들이 통합적으로 연구되고 실증돼야 한다.

적층제조 생산기술의 특징은 복잡한 기하형상의 성형 능력을 최대한 활용하여 작업 공정을 보다 단순화하고, 보다 강면서도 가벼운 제품의 설계를 통해 제품 경량화를 추구하고, 기능성 향상 및 연료 효율 향상을 추구하여 고부가 가치 부품을 양산할 수 있다는 점이다. 또는 새로운 기하 형상 구현 능력 향상으로 새로운 심미성을 부여할 수 있는데 이러한 일련의 모든 새로운 설계방법을 우리는 DfAM(Design for Additive Manufacturing:적층제조특화설계)이라고 부른다.

▲ <그림1>DfAM을 통한 다양한 적층제조 부품 사례

<그림1>과 같은 DfAM기법들은 이미 기존 CAE/CAD소프트웨어에서 사용하던 기능들이 3D프린팅이라는 새로운 제조 기술을 만나면서 기존의 잠재성을 마침내 제조생산기술로 적용하는 기술로 재조명 되었다. 해석 기능 중 구조 해석이 마침내 복잡한 기하형성 성형 능력을 가진 3D프린팅 기술을 만나면서 개화하고 있다고 할 수 있다. 또한, 유로 및 유체 해석의 결과물들은 형상 적응 냉각 채널 일체화 금형설계기술로, 그리고 다양한 패턴 기반 파라메트릭 모델링 기술은 경량화 구조 설계로 활용되면서 메이저 CAE/CAD 소프트웨어 업체들이 앞을 다투어 AM 모듈(additive manufacturing module)을 발표하고 있다.

유연한 지능형 자동화 제조시스템으로서 ‘적층제조 스마트팩토리 시스템’을 구축하기 위해서는 상술한 적층제조 플랫폼 요소기술인 소재, 장비, 공정, 설계, 표면처리기술을 연결하여 품질을 제어 및 관리하는 품질 기능, 공정의 최적화를 가이드하여 자동화하는 기능 및 운영관리/유지보수 기능 들이 함께 구축 지원되어야 한다.

적층제조 공장형 시스템들은 품질관리를 위한 다양한 기능을 이미 제공하고 있다. 품질 예측 관리기능의 일환으로 적층제조 소프트웨어에서는 성형작업전에 빌드 시뮬레이션이라고 하는 열해석 기능을 통해서 열응력 및 배출로 인한 스트레스 분포에 따른 변형을 예측. 보완하는 기능을 지원하고 있다. 또한, 실시간 및 사후 품질 관리 기능으로는 적층 제조동안의 모든 단층과 성형 멜트풀을 모니터링 분석하고, 해당 단층데이터를 3D 형상으로 재구성한 CT 인스팩션 검수 기능을 제공한다.
또한 양산 및 운영관리에도 추적 관리 및 AI 기반의 데이터 분석 서비스 기능을 제공한다.

다품종 소량 또는 대량 양산을 위해 개별 양산품에 일련번호를 배치하여 ID 관리를 통한 양산품 추적관리가 가능하다. 설비의 운영. 유지 보수 관리를 위한 기능으로는 기계장치의 각 주요 부품과 성형 조건에 센서 추적 관리를 통한 장비 운영관리 및 유지보수 진단 기능을 지원하는 모듈들 또한 이미 상용화되어 스마트팩토리 구축을 위한 적층제조 공장형 시스템을 완성했다고 할 수 있겠다.

▲ 적층제조 스마트팩토리 구축방안

2010년대, 4차 산업혁명을 향한 다양한 요소기술들이 빠른 발전을 보이고 있다. 2020년을 맞이하는 우리는 다양한 4차 산업혁명의 요소기술들, 공장 자동화, 적층제조 플랫폼을 통합 구축하여 유연한 지능형 자동화 제조시스템으로서 적층제조 스마트팩토리 시스템을 향한 도전을 시작했으면 한다.

대한민국에서도 근 2년간은 DfAM에 대한 높은 관심으로 새로운 디자인에 대한 연습이 시도되어 왔고, 산업계에서는 적층제조 생산성 검증을 위해 단위 부품 적층제조 프로젝트들이 다양하게 진행되고 있다. 이제 이런 단위 요소기술들의 개별 연습을 하나의 통합시스템으로 묶어 적층제조 스마트팩토리 시스템이라는 테스트베드 구축을 통해 현장 생산기술로서의 타당성 검증 작업이 필요한 시기이다. 

▲ 3D시스템즈는 적층제조 스마트팩토리의 품질관리에 필요한 다양한 솔루션을 갖추고 있다.