AM 스마트 팩토리, 주조 산업 미래 바꾼다

3D프린팅으로 대중에 알려진 AM(Additive Manufacturing, 적층 가공) 기술은 주요 글로벌 기업들을 중심으로 연구개발(R&D) 및 제조공정에서 전방위적 혁신을 이끌고 있다.

선행연구에 있어 많은 비용과 시간이 소모되는 DOE(실험계획법) 및 iteration(반복) 공정에서는 이미 그 효율성이 입증되어 대중화가 진행 중이다. 동일한 형상의 양산에 있어 아직은 취약점을 보이는 것이 사실이나, 실질적인 산업 현장에서 적용 가능한 수준까지 생산성이 개선되는 방향으로 빠르게 발전하고 있다.

산업 현장에 최초로 적용을 시도한 AM공법은 출력물 그 자체를 최종목적에 이용하기 위한 ‘Direct(직접적인)’ 3D프린팅 방식 위주였다. 물론 경량화 등의 이슈가 부각되는 항공우주, 자동차 분야의 연구용 및 부품 일부에 국한되어 적용되고는 있으나, 현재까지의 AM기술에 기반한 Direct 3D프린팅 적용이 가능한 범주는 안타깝게도 그리 넓지 않다. 가용소재의 한계, 출력시간과 비용 등의 문제로 기존 공법을 대체하기에는 아직 무리가 있다고 판단되기 때문이다. 이에 유저로 하여금 기존 공법과의 간극을 줄이고 비용 및 시간 효율성을 극대화하고자 고안된 방식이 바로 ‘Indirect(간접적인)’ 3D프린팅 방식이다.

Indirect 3D프린팅의 가장 대표적인 방식으로 인베스트먼트(lost wax) 주조용 패턴의 3D프린팅 출력을 들 수 있다. 이는 왁스(wax)소재를 패턴으로 하여 그 위에 슬러리로 표면을 입히고 매몰, wax가 녹아 없어진 빈 공간에 용융금속을 주입하여 원하는 형상(패턴과 동일한 형상)을 구현하는 방식이다. 이 주조방식 하에서 기존에 수작업, 몰딩, 가공기 등을 이용하여 제작해 왔던 패턴을 3D프린터로 출력하면 비용과 시간절약에 있어 큰 효과를 볼 수 있는 분야가 우리 제조업에 상당수 존재하며, 개중에는 이미 필수 공정으로서 깊숙하게 자리매김한 산업군이 있다. 대표적인 예로 주얼리 산업을 들 수 있다.

▲ lostwax용 패턴제작을 3D프린팅으로 진행하는 공정. 국내 주얼리 산업 등에서는 이미 새로운 공정으로 자리매김했다.

이러한 Indirect 3D프린팅 적용이 가능한 다른 여러 주조 공법 중 큰 효용이 기대되는 분야로 수년 전부터 ‘사형 주조(Sand Casting)’ 분야가 화두에 오르고 있다. 사형 주조는 지난 수백 년간 발전해 온 제조업 역사상 단조와 더불어 가장 오래된 공법이나, 인류가 3차례의 산업혁명을 거쳤음에도 자동화/기계화와의 접점이 다른 공법에 비해 상대적으로 적어 그 역사에 비해 비약적인 발전이 이루어지지 못했던 것이 사실이다.

사형 주조에 대한 개략적인 설명을 덧붙이자면, 형상을 구현하기 위해 목형(패턴)을 사용하여 모래(주물사)로 주형 틀(상형+중자+하형)을 만들어 합형 후 빈 공간에 용융금속을 주입하는 방식이다. 자동차 부품, 배기계, 선박용 부품, 플랜트 설비 등 부가가치가 높은 부품의 소량 혹은 준 양산 시스템에 주로 적용되며, 형상의 제한에 있어 비교적 자유로운 것이 특징이기에 AM공법과의 접점을 찾기에는 어렵지 않다.

이러한 전통적 사형 주조 공법에 있어 가장 큰 문제점은, 상대적으로 높은 수준의 Human Resource Risk 및 Labor(인력)를 감내해야 한다는 사실이다. 자동조형 등 일부 공정을 제외한 전 분야에 있어 최소 10~20년 이상 현업에서 숙달된 기술자의 관리 감독 부재 시 품질에 영향을 미치는 정도는 다른 공법에 비해 지대하다.

또 다른 문제점은 목형(패턴)의 재고관리에 있다. 기존의 소품종 대량생산 프레임을 벗어난 다품종 소량생산, 고객맞춤화(customization)라는 제조업의 트렌드는 이미 오래 전에 시작됐다. 이렇듯 다양한 형상을 요구하는 시장의 니즈를 맞추기 위해 기존의 사형 주조업체에서는 단 1세트(EA)의 주조품을 납품하기 위해 언제 다시 사용될지 모를 수많은 목형들을 창고에 쌓아 두어야 했으며 이로 인해 기하 급수적으로 늘어나는 목형 제작 비용과 시간, 재고 유지비용 문제 등 여러 이슈가 대두되었다. 그러던 중, 이러한 만성적인 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 솔루션으로 3D프린팅을 활용한 사형 주물 틀과 중자(core) 제조공정이 소개되어 이와 교집합이 있는 모든 제조업계의 주목을 받았다.

현존하는 AM기술 중 주물 틀과 중자 제작 공정에 적용될 공법으로 바인더 젯팅(Binder Jetting)이 가장 효과적인 대안으로 꼽힌다. 액상 결합재(Binder)를 다수개의 미세 노즐을 통해 분사하여 다양한 종류의 분말소재(모래, 금속, 세라믹 등)를 CAD로 설계된 형상대로 선택적 경화, 원하는 형상을 구하는 방식이다. 이 방식을 채택하면 주물 틀과 중자 제작 시 CAD 설계자와 장비 오퍼레이터 1인 외에 딱히 소요되는 필수 인력은 거의 없다고 봐도 무방하다. 또한 기존에 물리적으로 보관해야 했던 목형을 데이터베이스화 할 수 있기 때문에, 재고관리에 소요되는 비용이 사라진다는 혁신적인 강점을 보였다.

   비용·시간 절약 주조용 패턴 3D프린팅, 주얼리에서 사형 주조 적용 확대
  사형 주조 최적화 3D프린터 ‘Viridis3D’ 등 개발, 주조 경쟁력 강화 나서야

▲ 사형 주조에 최적화 된 Binder Jetting 3D프린터 ‘Viridis3D RAM 시스템’의 공정도

그러나 동시에 다른 한계점들이 드러났다. 기존 Binder Jetting 방식의 사형 주조용 3D프린터는 주철, 주강의 주조성을 고려하여 페놀(Phenolic) binder 위주로 개발되었는데, 이 페놀 계열의 binder는 온도에 매우 민감하기 때문에 운송 및 보관에 있어 상시 저온을 유지해야 한다는 단점이 있었으며, 완벽한 경화를 위해 Curing Oven이 따로 설치되어야 한다는 점, 프린터 헤드 노즐이 페놀 성분의 경화로 쉽게 오염되기에 잦은 클리닝 공정이 요구되므로 수명에 악영향을 미쳐, 결과적으로 운용비용의 상승을 야기한다는 무시하지 못할 단점이 드러났다. 또한 해당 장비 개발업체가 추천하는 타입의 모래를 사용해야 한다는 불편함이 있었으며, 먼지 등 이물질이 필연적으로 발생하는 주물 작업장에 설치되기에는 주변 환경 민감도가 높아 한정적인 분야에만 사용되고 있었다.

2012년 3D시스템즈社에 합병된 Z코퍼레이션社의 창업자 Jim Brett은 Binder Jetting 3D프린터를 세계 최초로 개발한 AM업계의 입지전적 인물로, 이러한 기존 사형 주조용 3D프린터의 단점을 보완하고자 RAM(Robotic Additive Manufacturing) 방식의 Binder Jetting 3D프린터 ‘Viridis3D’를 개발했다.

지금은 독일 EnvisionTEC社의 라인업이 된 Viridis3D RAM시스템의 매커니즘은 비교적 단순하여 M/A 포인트가 그리 많지 않다. ABB Robotic Arm에 자체개발한 프린트헤드를 연결하여 1 레이어(layer) 이동만으로 모래 분사, 평탄화, Binder 분사를 효율적으로 수행하도록 설계되었다. 주철, 주강 주조성을 고려함과 동시에 노즐 오염의 가능성을 최소화한 Modified Furan binder를 채택하여 가용성을 높였으며, 50 레이어 마다 wash station으로 이동하여 자동 purge/swipe하는 시스템으로 프린트 헤드의 오염도를 최소화한다. Dry acid catalyst와 Binder의 화학결합으로 형상을 구현하는 원리이기에 추가 경화(Curing) 시설의 도입이 불필요하다.

Viridis3D RAM 시스템은 Open Material을 지향하여, 유저가 기존에 사용하던 모래도 간단한 테스트 후 적용이 가능하며 재활용 역시 가능하다. 무엇보다, 주변 환경 민감도가 상대적으로 적고 기존에 개발된 사형 주조용 3D프린터들의 절반 수준에 달하는 도입비용은 실무에 종사하는 많은 유저들의 이목을 집중시키기 충분했다.

2011년 1월, 독일은 제조업 첨단산업화 정책 중 하나인 ‘하이테크전략 2020’ 실행계획의 일환으로 ‘Industry 4.0’이라는 개념을 처음 세상에 공개했다. 전통적인 제조업에 IT시스템을 결합하여 생산 시설들을 네트워크로 연결시키는 자동화·지능형 생산공정의 정착을 지원한다는 취지에서 만들어진 이 개념은 빠른 속도로 확산되어, 전 세계 제조업의 미래이자 지향점을 대표하는 개념으로서 빠르게 자리매김하게 되었다.

대한민국 정부 역시 이를 모티브 삼아 ‘4차 산업혁명’ 이라는 키워드를 대대적으로 홍보했으며, 동시에 우리 제조업은 ‘스마트 팩토리 구현’ 이라는 커다란 숙제를 풀어야 한다. 새롭게 제시된 제조업의 트렌드 속에서 2014년 이후 사형 주조용 AM 장비 역시 미국, 독일 등 제조업 선진국을 중심으로 빠르게 확장되어 왔으며, 2018년을 기점으로 인도, 중국 등지의 아시아 국가에도 다수 도입되었다.

다만 우리나라의 경우 중소 주물업체 대부분이 새로운 형상 개발 보다는 동일제품 양산에 포커스가 맞춰진 수익구조이기에 쉽지 않은 측면이 존재하지만, 다양한 형상의 R&D가 활성화된 주조 분야 국내 선도기업들과 관수를 중심으로 2018년 이후 긍정적인 검토가 다수 진행중이라는 사실은 고무적이다. 국내외 여러 요인들로 어려운 우리 주조산업이 AM기술의 활용성을 접목하여 가까운 미래에 발생할 다양한 비즈니스 기회를 선점할 수 있기를 바란다.