사형주조 코어 완전자동 적층제조 스마트 팩토리 시대 개막

▲ 김진호 KTC 대표 (jhkim@kvox.co.kr)

빠른 속도로 변화하는 제조업 분야에서 각 산업은 편의성과 효율성을 높이는 방향으로 발전하였고 기존의 생산공법보다 보다 저렴하면서 빠른 기술이 탄생하고 있다. 미래 산업의 발전 방향의 지표인 선진국들의 ‘INDUSTRY 4.0’에서도 확인할 수 있듯이, 기존 산업과 미래 기술의 융합은 앞으로의 기술 혁신을 이뤄주는 중요한 요소이다.

설계, 개발, 제조 및 유통, 물류 등 생산과정이 디지털 자동화 솔루션과 결합되어 얻을 수 있는 편의성과 효율성의 증대는 직접적인 근로를 하는 근로자에게만 국한되는 것이 아니라 나아가 기업의 효율 증대로 이어져 이익에도 중요한 영향을 미친다. 다양한 제조 및 생산 등의 산업과 정보통신기술(ICT)를 융합한 ‘스마트 팩토리’는 앞으로의 INDUSTRY 4.0 기술의 혁신에서 현재의 제조 산업에 있어 지표가 되어줄 중요한 해결 방법이 될 것이다.

현재까지 다양한 분야에서 스마트 팩토리의 시도는 꾸준하게 이어지고 있으며 이러한 시도는 국내에서도 지속적으로 관심을 받고 있다. 국내 기업인 포스코는 최근 ‘세계경제포럼’에서 세계 제조업의 미래를 선도할 등대공장(Lighthouse factory)으로 선정되었으며 지난 달에는 LG전자 임원단이 포항제철소에 스마트 팩토리의 벤치마킹을 위한 논의 또한 진행되었다.

이렇게 자동화를 기반으로 하여 지능형 공장을 만드는 과정들이 점차 전세계적으로 진행되어가고 있으며 지난 6월 독일에서 개최된 GIFA(국제 주조기술전시회)2019에서도 INDUSTRY 4.0의 주제에 맞는 다양한 혁신 기술들이 발표됐다. ‘제 1회 Additive Manufacturing(적층 제조) 특별전’ 에서는 독일의 주요 목표인 Indusrty 4.0에 발맞추어 적층제조의 스마트 팩토리 시연 등 새로운 시도를 시작하였고, 이외에 다른 분야에서도 Industry 4.0과 스마트 팩토리의 주제를 가지고 점차 완성되어가는 모습을 보였다.

앞으로의 전망이 유망한 AM 분야에서는 지속적으로 기존 제조업과의 기술융합을 통하여 보다 좋은 품질의 제품을 제작하는 것을 시도하였었다. 고품질, 고정밀 제품 제작의 중요성은 항상 대두되었던 요소이지만 스마트 팩토리를 통하여 자동화와 편의성 증대 등 다양한 이점으로 앞으로의 혁신 방안의 항로를 제시하였다.

특히 이번 GIFA 2019 기간 동안 스마트 팩토리 관련 내용 중에서는 세계 최초로 3D프린팅을 활용한 완전자동화 시스템을 Loramendi가 선보여 주목을 받았다. Loramendi는 적층제조를 통한 사형주조 코어 생산의 선두자인 복셀제트(Voxeljet)와 혁신적인 재료를 개발하는 ASK CHEMICALS와의 협동을 통하여 완전 자동화된 적층제조 공정을 공개하였고 이번 전시회 동안에 전세계 각국의 참가자로부터 많은 관심을 받았었다.

▲ Loramendi는 voxeljet의 3D프린터 ‘VX1300X’를 기반으로 사형주조 코어를 완전 자동으로 적층제조할 수 있는 스마트 팩토리인 ICP(Industrial Printing of Core Printing)를 개발해 공개했다.

■세계 최초 적층제조 완전 자동화 시스템 주목
적층제조는 4차 산업혁명에서 빠질 수 없는 요소 중에 하나이다. 이는 기존 공정으로 제작하기 어려웠던 형상과 점차 다양해지고 소량화 되는 제품 제조 즉, 다품종 소량생산에 특화된 기술이라고 할 수 있다.

적층제조에서의 완전 자동화 시스템의 시작은 그 자체로서의 의미가 깊다. 다품종 소량생산이라는 목표에 맞게 적층 제조 가공은 다양한 제품을 한번에 제작한다. 기존 적층제조 공정에서는 생산된 제품이 사용될 수 있는 수준까지 작업자의 직접적인 후처리를 통하여서만 완성품을 얻을 수 있었다.

하지만 새로워진 완전 자동화 시스템에서는 적층제조를 준비하는 과정과 제품을 만들어내는 제작부터 후처리 과정까지 모든 처리가 자동으로 진행된다. 이것은 그 동안의 제조 과정에서 경험으로만 인지했던 시간의 분배 및 후처리 과정들을 완전히 자동화할 수 있도록 되었으며 전략적이고 효율적인 생산을 가능하게 해준다.

해당 기술의 가장 중요한 요소인 3D프린터 제조 회사인 Voxeljet은 GIFA2019에서 완전 자동화 적층제조 시스템에서 중요한 기술적인 내용에 대해 발표하였다. 해당 발표에서는 voxeljet의 3D프린터 장비인 VX1300X를 바탕으로 개발된 스마트 팩토리의 활용 및 효과에 대한 다양한 결과를 발표하였으며 그 외에도 ASK Chemicals에서 스마트 팩토리에 적용할 새로운 재료에 대한 발표도 함께 진행하였다.

Loramendi는 이번 발표한 스마트 팩토리의 가장 중요 목적인 적층제조를 통한 코어 제작을 주 시스템으로 생각하여 이를 ICP(Industrial Printing of Core Printing)라고 소개하였다. ICP 기술은 기존 금형을 이용하는 방법의 한계를 개선하는 기술로서, 주조 공정을 위한 매우 복잡한 샌드 코어의 자동화된 생산을 가능하게 하는 프로세스이며, 적층제조의 유연성을 활용하여 효율적인 코어 제작을 가능하게 하였다.

앞으로는 점점 더 빠른 과정과 결과물이 필요해지는 시대이다. 다가올 4차 산업혁명에서는 속도와 정확도뿐만이 아니라 보다 높은 편의성과 연계성을 보여주는 것이 필요하다. 이러한 기술 혁신의 중심에 있는 스마트 팩토리의 발전은 다양한 분야에서 이러한 발전 방향에 대한 열쇠가 될 수 있을 것이다.

Loramendi-voxeljet 협력 통해 스마트 팩토리 구현, 유연·효율성 극대화
공정 자동화·편의성 확보 위한 소재 개발, 선진사례 타산지석 삼아야

▲ 적층제조를 통한 코어 제작 시스템 ICP(Industrial Printing of Core Printing) 개념도

■후처리까지 완전 자동화 프로세스, 시간·공간 절약
전반적인 시스템 설계를 담당한 Loramendi는 주조 산업을 위한 장비를 45년 이상 제작한 경험이 있으며, 이번 발표를 통하여 Loramendi의 관계자는 “주조 산업의 새로운 솔루션을 제시할 것”이라고 자신하였다.

주조 3D프린터를 선도하고 있는 Voxeljet은 오랜 기간 동안의 연구 및 전문 기술을 활용하여 이전 모델보다 전 과정 비교 시에 10배 이상 빠른 새로운 유형의 3D프린터를 선보였으며, 해당 기술은 기존 제조업과 자동화 시스템을 연계하여 제작한 시스템의 이점을 전적으로 수렴한 결과물이다.

VX1300X 장비는 기존 Voxeljet 모델들과는 달리 완전 자동화 시스템에 대응하기 위하여 독자적으로 개발된 장비이며, 해당 장비는 스마트 팩토리의 구현을 위해 안정성 및 보안성 등을 강화하였다.

ICP는 기존 3D프린팅(적층제조)의 편리한 제작에 가리워진 제품 후처리 과정에 대한 작업들을 모두 자동화 시스템으로 대체할 수 있게 돼 효율적인 시간의 사용과 전략적인 작업의 분배가 가능해진다.

완전 자동화 적층제조 시스템은 직렬적인 구성으로 되어있으며 재료 저장 공간부터 픽업 및 완성품 저장 공간까지 존재한다. 사용자는 사용자의 PC에서 데이터를 작성하고 이를 손쉽게 VX1300X의 PC로 전달하여 제작을 시작한다. 제작이 시작되면 3D프린터의 제작 공간인 잡박스(Job box)가 주어진 명령을 받아 시스템 내부의 센싱 과정을 통해 3D프린터 내부로 자동 이동된다.

그런 후, 원하는 형상의 출력이 완성되면 잡 박스는 자동으로 꺼내져 건조 과정/제품취출 처리 과정/경화 과정을 차례대로 진행된 뒤, 로봇에 설치된 스캔 기능을 통하여 제품을 스캔하여 제품의 위치를 파악하고 난 뒤, 로봇을 이용하여 제품은 클리닝 실로 이동하게 된다. 마지막으로 다시 한번 로봇을 이용하여 스캔 후 제품을 보관 장소로 이동하여 제품의 최종 제작이 완성된다. 일련의 과정들은 자동화된 설비를 통하여 보다 효율적이고 전략적인 코어 제작을 위한 적층제조를 사용자에게 제공한다.

또한 해당 시스템이 설치되는 공장 환경에 따라 후처리 장비들을 다른 층으로 설치도 가능하여, 넓은 하나의 공간에 국한된 장비의 활용이 아닌 좁은 공간 혹은 다양한 방면에서도 장비의 이용이 가능하다.

▲ 완전자동화 적층제조 시스템에 들어가는 INOTEC 3D(바인더)는 장시간 사용해도 일정한 분사량과 분사 시에 일정한 형태를 유지하는 특성이 있다.

■혁신적인 바인더 소재로 안정성 개선
Voxeljet은 세계적인 케미컬 회사인 ASK Chemicals와의 협력을 통하여 완전 자동화 적층 제조 시스템에 들어갈 보다 안정적인 재료인 ‘INOTEC 3D(바인더)’를 개발해 장기적인 효율성과 안정성을 개선하였다.

INOTEC 3D 재료는 ICP 요구 사항에 맞게 제작된 재료로서 보다 높은 품질의 제품 제작과 효율성의 중점을 두었고 고온 경화 적층제조 공정에서도 유리하게 개발되었다. 이는 고온에서의 안정성을 바탕으로 높은 치수 정밀도 및 고품질 표면의 제품 제작이 가능해진다.

특히 INOTEC 3D의 장점은 프린트 헤드 호환성에 있다. 프린트 헤드 호환성이란 바인더의 화학 성분과 함께 프린트 헤드 구성 요소와의 호환성 및 내구성의 전반적인 연계성을 지칭하는 말로써, 이는 프린트 헤드에서 바인더를 떨어뜨렸을 때, 물리적 화학적 특성을 확인하는 것은 물론 제작되어진 제품의 치수 안정성 및 후처리 과정에도 영향을 미치는 중요한 요소이다.

INOTEC 3D 재료는 이러한 프린트 헤드 호환성을 보다 향상시켜 완전 자동화 적층제조 시스템의 재료로서 기존의 바인더에서 진화하여 스마트 팩토리에서 사용하는 경우를 대비한 장시간 사용에서의 일정한 분사량과 분사 시에 일정한 형태를 유지하는 등, 다양한 기술을 집약하여 보다 높은 온도에서도 견디며 이를 바탕으로 높은 품질 및 변형이 적은 제작이 가능해진다.

스마트 팩토리에서 중요한 것은 자동화와 편의의 증대이다. 이것을 중요하게 생각한 Voxeljet와 ASK Chemicals은 높은 치수 정밀도를 가지고 보다 높은 표면 품질을 제작하게 해주는 것은 물론 자동화 과정 및 사용자의 입장에서도 중요한 후처리 시에 보다 쉽게 재료가 분리되는 등, 기존보다 발전된 편리하고 안정적인 후처리 과정을 제공한다.

ASK Chemicals의 R&D 혁신 부문 글로벌 책임자인 Jens Muller는 “최근 몇 년 동안의 3D 프린팅 기술이 빠르게 발전함에 따라 재료에서도 새로운 가능성과 기회를 제공하여야 한다고 생각했고, 이 기술이 그 점을 충족해줄 것”이라고 밝혔다.

▲ Voxeljet는 스마트 팩토리에 맞는 안정성 및 보안성 등을 강화한 3D프린터 개발을 지속 추진 중이다.

■어렵지만 가야할 제조혁신
제조업을 기반으로 세계 경제를 주도하던 선진국들은 고임금 및 노동 시장의 감소로 인해 중국, 인도 등 신흥국에 밀려 자국 제조업이 침체기에 이르자 이를 타개하기 위해 스마트 팩토리를 도입했다.

미국에서도 2009년 ‘Remaking America’ 라는 문구를 걸고 기존 제조업의 성장을 주도하였으며 선진국에서는 위의 과정을 위한 정부의 적극적인 지지와 다양한 연구소의 설립을 추진하였다. 우리나라도 미래 산업 혁신을 위한 방안들을 추진 중이며 스마트 공장의 설립 및 ICT와의 기술 융합 등 다양한 방면으로 선진국의 사례를 바탕으로 주요 정책을 펼치고 있다.

하지만 어느 산업혁명에서도 보여주었듯 혁신을 위해서는 진통이 있기 마련이다. Industry 4.0에서는 IOT와의 연계를 통한 스마트 팩토리의 설립 등에서 다양한 효과와 보다 편의성 높은 제조업의 길을 보여주었지만 그 과정은 순탄치만은 않다.

대기업에서는 이러한 스마트 팩토리의 설립으로 효과를 보고 있는 것이 맞지만 중소기업 및 하위 협력사 등에서는 이러한 스마트 팩토리의 설립이라는 근본적인 어려움과 설립 후에도 기존의 체제와의 결합이 어려운 모습들을 여럿 찾아 볼 수 있었다.

선진국의 기술 혁신 선도는 다시금 제조업의 순위에서 자신의 강대함을 선보일 수 있다는 장점은 있지만 이러한 생길 수 밖에 없는 진통에 대해서도 감수를 해야 한다는 것이다. 그렇기에 우리나라는 선진국의 사례를 바탕으로 보다 안전하고 빠른 혁신의 길을 통하여 앞으로 다가올 4차 산업혁명을 준비하는 자세를 가지는 것이 중요하다.