양산에 초점 맞춘 금속 적층제조 장비·소재, ‘속도·수율 UP’

◇연재순서
(1)전시회 총괄 평가
(2)산업용 금속 적층제조 장비 및 소재
(3)산업용 플라스틱 적층제조 장비 및 소재
(4)바이오 메디컬 분야 적층제조 기술
(5)적층제조 후공정 및 디지털 매뉴팩처링
(6)적층제조 S/W 기술 발전 방향
(7-完)적층제조의 미래 발전 방향

본 기고문에서는 3D프린팅(적층제조) 기술 중 금속 분야와 관련된 전시회 내용을 중점적으로 소개하고자 하며, 3D프린팅 공정기술 분류에 따라 상세한 기술동향과 국내 산업에서의 적용 방안에 대해 논의해보고자 한다.

3D프린팅 공정기술은 ASTM 규격 상 7가지로 분류될 수 있으나, 그 중 금속 분야에서 상업적으로 의미가 있고 가장 활발히 적용되는 기술은 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition) 그리고 BJ(Binder Jetting) 방식을 꼽을 수 있다.

우선 PBF 방식은 3D프린팅 기술개발 초창기부터 지금까지 많은 기술 발전이 이루어진 기술로, GE Additive, EOS, 3D시스템즈, SLM 솔루션즈(Solutions), 대건테크 등 매우 다양한 업체에서 채택하고 있다. 지금까지 PBF 방식은 상대적으로 작은 금속분말을 사용하기 때문에, 정교한 부품을 만들기에는 유리하나 생산속도 측면에서는 불리하여 대형부품이나 대량생산에는 적합하지 않다고 인식되어 왔다.

하지만 최근 금속 3D프린팅 업계의 화두는 대형화와 고속생산으로 PBF 방식에서도 기존 문제를 극복하기 위한 노력이 진행되고 있다. GE의 경우, 이번 전시회를 통해 800x400x500mm(가로x세로x높이) 크기의 Bed에서 항공기용 Combustion chamber 2기를 동시에 제조 가능한 기술을 선보였다. 2~3일 정도의 비교적 빠른 시간 내에 제조가 가능하며, 특히 냉각효율 향상을 위해 필요한 표면의 2만여 개 홀(Hole) 가공은 3D프린팅으로만 구현이 가능하다고 판단되었다. SLM Solutions은 생산성 증대를 위해 10개 이상의 레이저를 동시에 사용하는 기술을 소개하였고, 3D시스템즈는 장비가동률 극대화를 위한 프린터와 부속설비 구성에 대한 다양한 솔루션을 선보였다.

▲ SLM Solutions에서 전시한 컨트롤 암. 하나의 베드에서 두 종류의 컨트롤 암 36개를 한번에 적층이 가능할 정도로 금속 3D프린터의 효용성이 향상됐다.

DED는 PBF 대비 상대적으로 큰 금속분말을 사용하기 때문에 정교함이나 표면의 거칠기 특성이 부족할 것으로 여겨져 왔으나, 적층과 동시에 기계가공을 하여 정밀도를 향상 시키는 기술개발을 통해 이를 극복하고 있다. 또한 DED 만의 고유한 장점인 금속 표면 개질 분야 적용 가능성을 십분 발휘하여 고유한 산업영역을 구축하고 있다.

그 중 가장 괄목할 만한 성과를 보이고 있는 업체는 트럼프(TRUMPF)이다. 원래 기계가공설비와 레이저시스템을 전문제작 하는 업체였으나, 기존에 축적된 기술노하우를 바탕으로 최근 3D프린터 제작과 공정 개발에 앞장 서고 있다. 대형부품 전체를 3D프린팅으로 제조하기 보다는 부품의 표면특성 향상을 위해 이종소재 적층(Cladding) 이나 파손된 부분 보수(Repair) 분야에 DED 기술을 적극 사용하고 있다. 특히 열교환기 소재로 널리 사용되는 구리합금의 경우, 기존 레이저 시스템 사용 시 흡수율이 낮아 3D프린팅으로 제조하기 어려웠으나, TRUMPF에서는 Green 영역 파장 비율을 높이는 기술을 통해 기존 대비 레이저 흡수율을 40% 이상 향상시켰다.

이를 통해 적층 시간 단축과 최종부품의 품질을 개선할 수 있어, 향후 많은 활용이 기대되었다. 국내 업체인 인스텍(InssTek)도 DED 분야에서는 세계적인 기술을 보유하고 있으며, 국내외의 다양한 수요업체와의 협업을 통해 3D프린팅 기술 보급에 힘쓰고 있다.

BJ 방식은 PBF나 DED 방식과는 달리 대량의 부품 성형체를 제작해서, 소결공정을 통해 한번에 부품을 제작하기 때문에 생산성이 100배 이상으로 대량 부품 양산에 매우 적합하다. 데스크탑 메탈(Desktop Metal)은 자동차용 Water pump impeller를 하루에 560개 이상 제작하여 BMW에 공급을 준비하고 있는데, 앞으로 다양한 부품을 양산하여 공급하는 계획을 밝혔으며, 국내 완성차 업체에서도 해당 프린터를 도입하여 양산을 위한 연구개발을 착수할 예정으로 알려졌다.

그 외에도 HP, XJET, ExOne에서 생산성 극대화를 위해 Binder를 공급하는 노즐(3만개 이상) 시스템 및 사용되는 금속분말 종류별 맞춤식 소결공정에 대한 최신 기술을 소개하였다. 또한 전통적으로 소결공정에 대한 우수한 기술력을 보유한 독일의 Fraunhofer IFAM 연구소에서는 미국과 유럽의 다양한 수요업체와의 20여년간 연구개발을 통해 양산의 개념에서는 BJ 방식이 가장 유망하다고 판단하고, 최근 연구개발 인프라를 집중하고 있다.

이처럼 BJ 방식은 대량 생산이 불가능하다는 기존의 인식을 깨고, 하나의 프린터에서 연간 수만여 개의 부품 생산이 가능한 것을 입증함으로써, 금속 3D프린팅 시장의 확대 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다.

장비 대형화·고속화 진행중, 저비용·고품질 금속분말 제조기술 관건
車·조선·발전 등 적층제조 적용 必, 산학연 협력 성공사례 만들어야

이번 전시회의 규모가 예년에 비해 크게 증가한 이유 중 하나는 금속 3D프린팅을 위한 분말소재 공급업체가 급증 했다는 점을 들 수 있다. 특히 중국, 대만, 인도 등 아시아 지역에서 전시회에 참여한 업체가 많다는 것이 특징적인데, 금속 3D프린팅 시장이 확대되고 있다는 반증으로 볼 수 있다.

▲ 구리분말로 적층제조한 GKN의 열교환기 부품 사례

현재 금속 3D프린팅 시장이 항공, 발전, 의료 등의 분야에서 상용화가 활발히 진행되고 있기 때문에, 타이타늄 이나 니켈 합금분말을 생산하는 업체가 대부분이며 전통적으로 철강부품과 소재를 사용하는 Thyssenkrupp, Vestalpine, Carpenter 등의 업체에서는 고합금계 철강분말 공급과 활용기술에 대한 전시가 많이 이루어졌다.

국내 업체인 코스와이어와 하나AMT도 전시회에 참가했다. 코스와이어의 경우 EIGA(Electrode Induction melting Gas Atomization) 이라는 고도의 기술을 통해 고품질의 타이타늄과 니켈 합금분말을 생산하고 있고, 최근 양산 수율을 향상시킬 수 있는 기술을 자체 개발 완료한 바 있다. 국내의 대표적인 특수분말 제조업체인 창성도 3D프린팅용 금속분말 개발을 진행하고 있어, 앞으로 국내 3D프린팅 산업의 확대가 기대되는 대목이다.

▲ 와이어를 이용해 플라즈마로 금속 분말을 제조하는 테크나(TEKNA) 부스를 방문해 설명을 들었다.

GE Additive에 합병된 AP&C도 항공용 타이타늄과 니켈 합금분말을 전문적으로 생산하는 업체인데, 타 업체와는 달리 플라즈마를 이용하여 금속분말을 제조하고 있다. 이 경우 금속분말의 구형도와 순도가 월등히 우수하여 최종 부품의 품질에서 높은 경쟁력 확보가 가능하다고 설명하고 있으며, 테크나(TEKNA)와 METALPINE 등의 업체에서도 다양한 공정을 통해 구형도가 높은 금속분말의 제조기술을 소개하였다. 또한 러시아의 Arkon은 3D프린팅 후 품질이 저하된 금속분말을 재생하는 기술을 소개하였고, 앞으로 해외 선진 프린터 및 분말제조 업체와의 협업을 통해 사업을 확장할 계획을 밝혔다.

3D프린팅 기술이 널리 보급되는 시점에서는 소재 공급이 시장 확장을 주도하기 때문에, 저비용으로 고품질의 금속분말을 제조하는 차별화 기술 개발이 반드시 필요하며, 국내에서도 재료연구소, 생산기술연구원, 포항산업과학연구원 등의 연구기관에서 많은 노력을 기울이고 있다.

이렇게 금년 전시회에서는 기존의 프로토타입 부품에서 벗어나 실제로 산업에 사용될 수 있는 부품이 대부분 전시되었고, 대형 부품 제조기술, 대량 생산 기술, 자동화 생산 기술 등이 주로 소개되었다. 이제는 3D프린팅이 단순히 유망한 기술 수준에 머무는 것이 아니라, 실제로 산업에 유용하게 사용될 수 있는 기술로 여겨지고 있는 것이다.

이런 점에서 비춰볼 때, 국내 산업에도 적용될 여지가 아주 많다. 특히 세계적으로 기술적 우위를 보유한 자동차, 조선, 발전 분야가 유망하다. 자동차 산업은 소품종 대량생산 체제인 점을 감안할 때, 부품 자체를 제조하는 것 보다 자동차 차체나 부품을 제조하기 위한 대형 프레스 금형을 DED 방식으로 보수하는 것을 생각할 수 있다.

이를 위해서는 3D프린팅이 가능한 고탄소계 금형강 분말 제조기술과 이를 적층할 수 있는 공정기술 개발이 선행되어야 한다. 조선과 발전용 부품은 다품종 소량생산 체제이기 때문에, 기존의 복잡하고 많은 공정을 거쳐 제조하는 부품류에 대해 3D프린팅 적용 가능성이 매우 높으며 실제로 현대중공업과 두산중공업 등 국내 대기업에서 현재 상용화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

이렇듯 국내 산업 구조와 기반을 생각해볼 때 3D프린팅 기술 개발과 적용은 필수적으로 볼 수 있다. 다만 현재까지 연구개발이 수요업체와 연구기관 별로 독립적으로 운용되고 있어, 아직까지 가시적인 성과를 이루고 있지 못한 것이 사실이다. GE, 지멘스(Siemens), BMW와 같이 시작은 미약하지만 하나씩 성공스토리를 만들어 가다 보면, 아주 가까운 미래에는 3D프린팅 분야에서 한국도 선진국과 어깨를 나란히 할 수 있다고 생각된다.