세계 적층제조 트렌드, ‘양산 위한 경제성 확보’

▲ 이번 폼넥스트에서 만난 적층제조 소재기업 테크나의 회장(中)과 기념촬영을 했다. 메탈쓰리디㈜와 테크나는 고강도 알루미늄 공정 개발을 추진할 것을 협의했다.

국내 산업용 3D프린팅 전문협회인 한국적층제조사용자협회(K-AMUG)는 참관단을 이끌고, 11월19일부터 22일까지 독일 프랑크푸르트 메세에서 열리는 세계적인 적층가공 전시회인 ‘폼넥스트 2019’(formnext:International exhibition and conference on additive technologies and tool making)를 방문했다.

폼넥스트는 유럽의 우수한 금속 3D프린팅 장비, 소재, S/W, 서비스 등 기업이 전시를 하는 적층제조 전문전시회로 세계 3대 전시회 중 하나이다. 올해 전시규모는 4개 홀로 전년대비 2배나 증가했으며 800개 업체가 참가하고 약 3만명 이상이 참관하며 활발한 비즈니스가 진행됐다. 지난해 많이 출품했던 중국업체는 BLT, 샤이닝 3D, HBD를 제외하고는 참여가 적어졌고, 러시아, 스페인, 이스라엘 등 기업이 약진을 했다. 장비업체의 규모는 작년에 비해서 적어지고, 공정과 소재 업체가 장비 업체를 압도할 정도로 많은 업체가 참여를 하였다.

올해 전시회에서 확인한 적층제조의 대표적인 변화는 생산 장비의 급격한 가격 인하, 대형화, 소재의 다양성, 후처리 공정 자동화 등을 통해 실제 양산을 위한 단가 맞추기까지 접근하고 있다는 점이다. 적층제조가 전세계 생산량의 15%를 차지한다는 것은 이미 정설이며 세계 2,000조원의 시장, 우리나라는 80조원의 시장을 차지할 것이라는 예측이 나오고 있다.

GE의 전략매니저가 발표한 전략 세미나에 따르면 시제품이 각광을 받는 허니문의 시대(제 1시기)는 지나가고, 경제성을 확인하고 생산에 도전하는 시기(제 2시기)를 거쳐 대량 생산에 들어가는 시기(제 3시기) 등 3단계 방안이 제시됐다. 현재는 허니문의 시기를 거쳐 생산에 도전하는 힘든 시기이지만 조만간 대량 생산이 실현될 것으로 전망됐다.

실제로 기존의 적층제조 주요 시장인 항공과 의료 시장 이외에, 자동차와 중공업 분야에 생산이 확대되고 있고, 실제 생산에 사용되는 소재, 60·70 스캔알로이 계열 알루미늄과 니켈 합금 계열, 고기능 스테인레스, 구리 등 소재를 중심으로 많은 변화가 감지되고 있다.

▲ 중국 3D프린터와 소재로 제작된 신발. 적층제조를 통한 양산이 활발히 진행 중이다.

먼저, 플라스틱 적층제조의 경우는 생산단계에 접어 들었다. 기존에는 생산속도가 느리고 출력물 표면 정밀도가 거칠었는데, 이제는 금형에서 나온 제품만큼 정밀도가 향상된 SLA 방식 3D프린터가 출시됐고 속도 면에서도 SLS 방식 3D프린터에 다이오드 레이저를 다량으로 붙여 수시간 걸리던 것도 몇 분만에 양산이 가능하게 됐다. 이런 부품들은 BMW의 미니 자동차 등에 직접 장착되는 사례가 발표됐다.

3D시스템즈, EOS, 엔비전텍, 다이멘션 등은 플라스틱 부품 후처리와 염색에 대한 솔루션을 선보였고 카본3D는 연속 생산 공정을 통해 실제 신발 등이 양산이 되는 사례를 보여줬다.

플라스틱 적층제조용 소재의 경우는 바스프(BASF)가 적극적으로 나서고 있는데 FDM 3D프린팅용 카본 파이버 나일론 소재, PEEK, ULTEM, PEKK 등 소재를 확대하고 있다. 이제는 일반 저가형 FDM 3D프린터에서도 금속 분말이 들어간 소재를 사용해 출력이 가능한 시대다. 이런 변화도 결국은 대량 생산까지 가기 위한 준비 과정이며 대량 생산까지 시간이 1~2년 정도 필요하다고 여겨진다.

▲ SLM 솔루션즈 3D프린터로 제작한 대형 자동차 부품. 컨버전트社가 SLM 솔루션즈 장비를 사용하고 있다.

메탈 적층제조 분야는 눈부시게 발전하고 있다. GE는 생산에 필요한 기능을 보강해 기존의 PBF 방식 금속 3D프린터 M 시리즈 장비, 용접 베이스의 양산에는 EBM 장비를 배치하였다. 또한 자동차 등에 MIM(금속분물사출성형)과 같이 부품을 대량 생산할 수 있는 바인더젯(BJ) 메탈 3D프린터를 발표하며 시장 진출을 알렸다. 기존 MIM 시장을 타킷으로 하는 제품은 HP, GE, Desktop Metal, ExOne, Triconic, 스트라타시스 등에서 출시했다.

설계 부분은 여러 부품을 하나로 통합하는 것을 넘어서, 여러 가지 기능을 부여하는 멀티 펑션 부품 생산으로 나가고 있고, 새로운 소재로 항공용 고강도 알루미늄이 발표됐다.

▲ 바이오닉社가 부가티의 타이어 브레이크 부분을 위상최적화해 제작한 부품을 선보였다.

EOS는 자동 생산을 위한 솔루션과 함께 다양한 산업에서 활용될 수 있는 여러가지 알루미늄, 고온에서 가공을 해야하는 H13 공구강, 여러가지 스테인레스 강을 활용한 부품을 발표해 새로운 산업 수요에 대응하고 있음을 보여줬다.

트럼프의 메탈 3D프린터는 국내에서 아직 설치가 미미한 장비이나, 해외에서는 생산 현장에서 많이 쓰이고 있음을 확인했다. 트럼프는 오랜기간 생산 현장에서 쌓아온 노하우를 바탕으로 엔지니어의 지원이 상당히 전문적이라는 평이다. 실제 25여대 이상 메탈 3D프린터를 구축해 생산하는 곳에서 EOS의 3D프린터가 많이 배치가 됐지만 트럼프의 3D프린터도 5대 이상 배치가 됐음을 확인했다. 성능이 동일하게 나오면서, 빌드 사이즈가 크고 공정 모니터링과 멜트풀 모니터링까지 가능한데 가격 또한 합리적이라는 평을 들었다. 기존 EOS, GE, 3D시스템즈의 3D프린터와 더불어 새로운 생산 현장용 기계로 활용이 기대된다.

SLM 솔루션즈의 경우 다이버전트와 더불어 자동차용 대형 부품을 많이 전시했는데 고급차에도 대형 알루미늄 부품을 중심으로 이제 적층제조가 적용되는 것을 볼 수가 있었다.

▲ 3D프린팅으로 제작한 공구. 이제 공구 제작까지 가능한 소재가 출시되고 있다.

적층제조용 메탈 소재에서는 테크나(캐나다), VDM(독일, 니켈강 세계 1위) 등이 수많은 업체들이 전시를 했다. 미국, 독일 유럽 위주의 소재 회사에서 중국, 러시아, 대만 업체의 등장이 두드러졌고, 한국에서는 코스와이어, 하나AMT 등이 전시했다. 국내에서도 이제는 고가 금속을 제외하고는 양산이 가능한 상황이 됐다.

테크나의 타이타늄, 알루미늄, 텅스텐, 몰리브덴 소재를 사용해서, FIT와 바이오닉은 ‘부가티’ 자동차 부품을 생산하고 있었다. 우리나라 자동차 업계도 뒤쳐지지 않으려면, 효율적인 신기술을 빠르게 도입해야한다.

VDM은 니켈 전문 세계 1위 회사로 매출액이 2조원 정도이다. 회사는 기존의 인코넬 718·625 이외에 247·780과 코발트 크롬의 신소재를 발표했다. 대만의 서클社의 경우 고강도 알루미늄 소재 이외에, 스캔 알로이를 생산하여, 실제 항공용 부품 생산에 납품을 하기도 했다. 국내 하나AMT는 3D프린팅용 알루미늄 분말 양산에 성공해 국산화가 진행되고 있다고 발표했다.

우리나라에서는 아직 알루미늄을 전문적으로 출력서비스 하는 회사가 없는데, 울산에 위치한 메탈쓰리디㈜가 전문적으로 항공과 자동차 부품 생산을 시작하고 있다.

대형 장비의 경우는 작년까지는 DED와 와이어 방식 WAAM이 주류였는데, 올해는 GE, EOS , Addup, BLT, 샤이닝, 윈포시스(500mm) 등이 대형 PBF 3D프린터를 적극 선보였다. DED 의 경우는 1m 이상 부품을 적층한 사례가 많이 전시돼 장비 대형화 트렌드를 읽을 수 있었다.

후처리 장비의 경우는 플라스틱에서는 다이멘션, 포스트프로세스, 메탈 분야에서는 GPAINNOVA社의 DLyte와 지멘스에 납품을 하는 Solukon 등이 대표적이었다.

시장 조사기관의 경우 AM Power 등이 새롭게 등장했으며 벤처 캐피털의 경우는 AM 벤처스가 주도를 하고 있었다.

▲ 오토데스크의 소프트웨어 넷팹을 사용해서 제작한 타이어 휠. 한국적층제조사용자협회도 제작한 바 있다.

소프트웨어 부분에서는 시뮬레이션은 ANSYS, MSC, 넷팹이 주도적이고, 작년부터 활발하게 움직이는 앰피온사가 여러 장비 회사에 OEM 공급을 하고 있다.

경량화 위상 최적화는 인스파이어, 넷팹, 엔토폴로지, ANSYS가 주도하고 있으며 엔토폴로지社와 3D시스템즈가 의료용 솔루션을 발표했다. 의료용 소프트웨어와 위상최적화 소프트웨어가 많이 발표가 되어, 기존 한 회사가 독점하던 체계가 무너지고 있음을 느꼈다.

공정 모니터링 소프트웨어는 시그마랩과 메탈쓰리디㈜의 MPTools가 선보였는데 메탈쓰리디는 중국의 데비봇 CTO와 비지니스 상담이 이뤄져 테스트 버전이 납품이 될 예정이다. 요즘 일반적으로 SLM 솔루션즈, GE, EOS, 3D시스템즈, 트럼프 등은 자체 솔루션을 탑재하는 것이 대세로 자리를 잡았다. 생산에서 품질이 중요해지며 공정모니터링이 반드시 필요한 시기로 접어든 것이다.

독일의 5대 생산 서비스 회사의 약진이 돋보였다. FIT(Autodesk 투자), 올리콘(CITTIM 인수), Toolcraft(GKN), FKM, 프로토랩(Protolabs, 독일 지사) 등이 나와서 많은 생산 사례를 보여 주었다. 프로토랩은 150대의 3D프린터로 월 10만개 파트를 제작해 판매하고 있다.

▲ 트리톤이 새로운 3D 프린팅 방식으로 대량 생산한 MIM 부품

신기술도 눈에 띄였는데 이스라엘 회사인 트리톤의 경우 MJ(재료분사) 방식으로 MIM의 몰드를 대량으로 만들고 거기에, 메탈 페이스트를 넣어서, MIM 제품을 양산하는 하이브리드 기술을 선보였다.

새로운 항공시장에 대비하는 업체들이 많이 있었다. 그 중에는 사람이 타는 플라잉카의 바디를 위상최적화를 통해 경량화하고 고강도 알루미늄으로 3D프린팅한 사례가 있었다.

이번 전시회를 정리하자면 국내 적층제조산업이 어려움을 겪는 이유는 제 1시기와 제2시기 중간에 있는 상황에서 양산을 통해 경제성 확보가 가능한 부품을 못 찾아내고 있다는데 있다. 조만간 제2시기가 오면, 많은 생산이 이루어질 것이다. 세계적으로도 지금이 어려운 시기인데, 이를 타개하기 위한 고민과 이를 해결하기 위한 방안이 속속 나오고 있음을 이번 전시회에서 볼수 있었다. 국내외에서 2~3년 이내에 적층제조를 통한 대량 생산 체제로 넘어갈 것으로 예측이 되고 있으며 조만간 국내에도 공정 분야의 세계적인 업체가 생길 것으로 기대하는 바 이다.

▲ 레니쇼우가 메탈 3D프린팅으로 제작한 갈비뼈 임플란트. 모든 임플란트가 이제는 3D 프린팅으로 제작될 전망이다. 국내에서도 제작 기술을 보유하고 있다.

▲ 일본 미마키는 3D프린팅으로 제작한 안경을 선보였다. 해외에서는 이미 관련 사업이 보편화돼 있으며 국내에서도 3D프린팅 안경 전문업체가 생겼다.