▲ 3D 적층기술 기반 제조혁신 세미나에서 발표자들이 패널토론을 진행하고 있다.

국내 우주항공·車·발전·국방 등 많은 분야에서 적층제조(AM)를 통한 부품 양산화가 활발히 진행되고 있다. 전문가들은 적층제조 가속화를 위해선 설계에서 후공정, 품질관리에 이르는 전 밸류체인 기술 확보가 필요하며 산학연 협력이 중요하다고 입을 모았다.

인천산학융합원(원장 유창경)은 오는 10월31일 송도 센트럴파크 호텔 본관 3층 다이아몬드 홀에서 ‘2019년도 3D 적층 제조기술 기반 소재부품·장비 제조 공정 혁신 세미나’를 개최했다. 이날 행사에는 최종태 한국산업단지공단 인천지역본부 본부장, 이성택 인천산학융합원 전문위원 등과 산학연 관계자 250명이 참석했다.

이번 세미나는 금속 적층제조(3D프린팅) 기술을 산업계에 확산하기 위해 우주항공, 자동차, 의료, 발전, 군수 등 주요 산업별 전문가를 초청해 실제 적용 사례를 들어보고 네트워크를 구축하기 위해 마련됐다. 이에 3D 적층 제조기술 기반 소재부품·장비 제조 공정 혁신 방안과 유관산업 재직자 직무 역량 교육을 통한 신 제조 공법 등이 중점 소개됐다.

세미나에서는 △인천산학융합원 현황 및 3D 적층제조기술 재직자 교육프로그램 소개(유창경 인천산학융합원 원장) △항공우주산업 분야 3D 적층제조 기술 적용 사례 및 발전 전망(이동호 한국항공우주연구원 박사) △자동차 산업 분야 3D 적층제조 기술 적용 사례 및 발전 전망(조신후 현대자동차 박사) △의료 산업 분야 3D 적층제조 기술 적용 사례 및 발전 전망(김건희 한국생산기술연구원 박사) △발전 산업 분야 3D 적층제조 기술 적용 사례 및 발전 전망(조현철 두산중공업 책임연구원 △군수 산업 분야 3D 적층제조 기술 적용 사례 및 발전 전망(손용 한국생산기술연구원 박사) △3D 적층제조 기술 적용 스마트 팩토리 운용 사례 및 발전 전망(백소령 3D시스템즈 본부장) 등이 주제발표에 나선다.

이동호 항우연 박사는 적층제조는 기존 시스템 및 부품 성능 개선을 위한 매우 효과적인 수단이라고 강조하면서 부품 생산에 있어 성능개선, 공정개선, 경량화, 부품통합 등 적층제조가 가지고 있는 4가지 장점을 살려야 한다고 밝혔다.

항우연에서는 항공우주 3D프린팅 기술 연구개발과제를 통해 무인기용 초소형 가스터빈엔진을 금속 3D프린팅으로 제작하면서 적층제조가 가능한 부품을 발굴하고 실제 테스트했다. 이에 기존 15개로 구성된 연소기 부품을 하나로 적층했으며 연소효율을 6%p 증가하는 효과를 거뒀다. 항우연은 2028년까지 금속 3D프린팅을 활용한 항공·발사체·우주용 핵심부품 개발과 산업화를 추진할 계획이다.

이동호 박사는 “항공부품에 금속 적층제조가 확대되기 위해선 크랙 및 기공제어, 신뢰성 확보 등 기술적 난제를 장기적으로 해결해 나가야 하며 인천이 가지고 있는 인프라와 기술을 기반으로 수요 및 시스템·부품 기반 전주기 R&D를 추진해야 한다”고 제언했다.

BMW, 아우디, 포드 등은 자동차 부품경량화, 원가절감을 위한 적층제조기술 개발 및 적용을 위해 3D프린팅 센터를 마련했다. 현대자동차도 별도의 센터는 없지만 프리미엄 모델을 중심으로 적층제조를 적용하기 위한 연구개발을 진행 중이다. 일례로 현대차는 복합소재 3D프린터, 대형 DLP 3D프린터를 자체 제작해 글로브 박스 등을 만들어 신차 평가 등을 추진하고 있다. 금형개발에 들어가는 비용과 시간을 절감하는 효과를 거뒀다.

조신후 현대차 박사는 현대차에서 개발 중인 바인더젯 3D프린터, Wire-DED 3D프린터, 4D프린터 등을 소개했다. Wire-DED는 정밀하진 않지만 속도가 빠르고 소재가격이 매우 저렴하다는 장점이 있어 알루미늄 프레임 등을 만드는데 효과적이다. 4D프린터는 여러가지 기능 소재를 한번에 적층제조할 수 있다는 장점이 있다.

향후 발전 분야에서는 세라믹 복합소재와 적층제조기술을 확보하는 것이 관건이다. 두산중공업은 2015년부터 기술개발에 본격 착수 했으며 컨셉레이저의 PBF 방식 금속 3D프린터 2대를 구축해 가스터빈 연소기 인젝터, 노즐, 증기터빈 블레이드 등을 13개 적용부품을 발굴해 22억원 이상의 비용을 절감하는 효과를 거뒀다.

조현철 두산중공업 책임연구원은 적층제조기술을 확대하기 위해서는 설계 전문엔지니어와의 협업이 가장 중요하다고 강조했다. 또한 기존 공정과 비교해 아직 비싸고 느린 기술이기 때문에 미리 최적화된 적층공정을 확보할 수 있도록 시뮬레이션이 수반돼야 하며 이후 분말, 3D프린팅, 후공정, 품질관리 등 밸류체인을 확보하기 위한 기술 개발이 시급하다고 밝혔다.

조현철 책임연구원은 “두산중공업은 적층제조를 통한 발전부품 양산을 추진 중이며 소재, 장비, SW 회사 등과 협업을 펼쳐나갈 계획을 가지고 있다”고 밝혔다.

국방 분야에서는 단종 및 노후화된 부품을 적기에 확보해야하며 비용문제에 대해 타 산업보다 덜 민감하기 때문에 적층제조를 적극적으로 도입하고 있다. 미군은 항공모함내에 3D프린터를 설치해 항공기 및 선박 수리부품을 생산하고 있으며 막사를 짓기도 했다. 또한 미국, 중국, 싱가포르 등은 국방부품 3D프린팅 제조를 위해 산학연이 함께 프로젝트를 추진 중이다.

한국생산기술연구원은 경기도 시흥에 3D프린팅 제조혁신센터를 구축해 각종 산업 제품개발을 위한 설계, 생산, 실용화 등 기술서비스를 토털솔루션으로 제공하고 있다. 지난 2017넌 12월에는 국방부와 산업부가 체결한 MOU를 통해 군 무기체계 금속부품 중 3D프린팅 공정을 적용해 시간과 비용을 절감할 수 있는 노후·단종·해외조달품 부품을 발굴해 제작하고 있다.

손용 생기원 박사는 “정비창 현장을 방문해 수요를 발굴하고 설계에서 품질평가까지 실습교육을 실시하는 등 협력을 통해 트라이플랜, 펌프 임팰러, 연소기 하우징 등을 제작해 적용하고 있다”며 “생기원은 기업에 직접 방문해 기술난제를 해결하는데 적극 나서고 있다”고 밝혔다.

4차 산업혁명시대를 맞이해 제조혁신이 중요해지면서 3D프린팅, AI(인공지능) 등 스마트 제조기술의 발전도 가속화되고 있다. 3D시스템즈는 금속 적층제조 팩토리 솔루션을 통해 고객이 원하는 부품을 설계, 적층, 공정, 표면처리, 품질·양산관리 등을 자동으로 수행할 수 있도록 지원하고 있다.

백소령 본부장은 “부품 양산을 위한 적층제조 스마트 팩토리 구축을 위해서는 품질관리와 인증부분을 가장 중요시 여겨야 하며, 공정단축을 통한 비용 및 시간절감을 위한 DfAM(적층제조특화설계) 최적화를 모색해야 한다”고 밝혔다.

한편 인천산학융합원(원장 유창경)은 산업통상자원부 ‘항공산업 전문인력양성사업’을 수주해 5년동안 총 50억원의 국비를 확보하고 국내 최초로 세계 적층제조 선도기업인 GE Additive의 교육 커리큘럼과 장비를 활용해 항공우주산업에 필요한 금속 3D프린팅 전문인력 양성을 추진 중이다. 또한 내년 7월 입주를 목표로 인천산학융합원 기업연구관을 구축 중이다. 이곳에는 금속 3D프린터 등 연구장비가 설치돼 기업의 시제품 제작 및 양산지원 등이 제공될 예정이다.