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  • 기사등록 2022-01-20 12:43:13
  • 수정 2022-01-21 13:51:51
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우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 29명과 함께 지난 11월15일부터 5일간 일정으로 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 최대 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회인 ‘폼넥스트(FORMNEXT) 2021’를 참관하고 현지 업체인 ‘ZOZ GmbH’ 방문과 ‘한·독 기술세미나’를 진행했다. 지난해 코로나 팬데믹의 영향으로 2년만에 폼넥스트를 방문한 관계자들은 적층제조 부품 양산에 필요한 소재·자동화 기술 발전 및 우주항공·자동차·반도체·배터리 등 어플리케이션 확대를 눈으로 직접 보고 산업용 부품을 적층제조로 양산하는 시대로 빠르게 진입하고 있다고 입을 모았다. 이처럼 세계 선진기업들이 적층제조 양산시대를 맞아 선제 투자와 기술개발에 박차를 가하고 있는 상황에서 우리나라도 제조업 고도화 및 신산업 창출을 위해 적층제조 산업에 보다 많은 관심과 투자가 요구되고 있다. 이에 본지는 이번에 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고를 통해 현장에서 보고 느낀 점을 바탕으로 적층제조시대의 기술 및 어플리케이션 발전 방향은 어디이고 우리가 어떻게 대응해야 할 것인지 생각해보는 자리를 마련했다.

금속 대체 부품 제작용 플라스틱 3D프린팅 소재 개발 본격화


◇연재순서
1)전시회 총괄평가
2)금속 적층제조 장비
3)플라스틱 적층제조 장비
4)바이오메디컬 적층제조 기술
5)우주항공분야 적층제조 기술
6)금속분말 제조 및 응용분야
7)플라스틱 소재와 응용분야
8)좌담회-적층제조기술의 미래 발전 방향



폼넥스트 참관을 위한 출국 며칠전부터 독일에선 코로나 일일 확진자가 5만명에 육박하고, 하루 220여명 사망소식에 코로나에 대한 불안감이 높았다. 그럼에도 불구하고 3D프린팅연구조합에서 국내 및 현지의 방역지침에 따른 철저한 사전 준비로 참관단은 무탈하게 다녀올 수 있었다.


3D프린팅 산업에서는 여전히 플라스틱이나 금속 3D프린팅을 시제품을 넘어 어떻게 양산 공정에 적용할 것인가에 대한 고민이 깊다. 사실 국내에서도 3D프린팅이 사회적으로 주목받기이전부터 많은 기업들이 일찌감치 3D프린팅의 장점을 주목하고 사용하고 있었다.

그러나 국내 생산·제조 업계에서 3D프린팅을 활용해 실제 부품을 양산하는 사례는 많지 않다. 그럼에도 불구하고 3D프린팅에 대한 산업계의 관심도가 날로 높아지고 있으며 기존 3D프린팅 메이저 회사들도 사용 소재 확대와 물성치 개선에 적극 나서고 있는 이유는 바로 3D프린팅의 확장성 때문일 것이다.


필자가 몸담고 있는 ㈜링크솔루션에서는 국내에서 누구도 시도하지 않았던 PEEK 3D프린터를 순수 기술력을 바탕으로 세계 4번째로 제품화에 성공했다. 이에 이번 폼넥스트에서는 고기능성 플라스틱 중 PEEK 필라멘트 출력이 가능한 3D프린팅 기술과 제품 중심으로 참관했다.


PEEK 소재는 고기능 플라스틱 중에서고 정점에 있는 소재로 연속 사용온도 250℃의 내열성을 가지고 있고 염분 및 화학물질에 노출되어 부식되는 환경에 의한 손상을 견딜 수 있다. 또한 높은 온도와 압력의 증기에 노출되어도 기계적 물성치를 유지할 수 있는 내가수분해성도 지니고 있다.



▲ 플라스틱의 종류(출처: https://apiumtec.com)


이처럼 극한의 환경에서도 우수한 물성을 유지할 수 있기 때문에 금속 부품을 대체할 수 있어 주목받고 있다. 일례로 에보닉(Evonik), 솔베이(Solvay), 빅트렉스(Vitrex) 등 세계적인 화학기업들이 3D프린팅 소재 분야에 진출한 이유 중 하나가 고기능성 플라스틱의 금속 대체 가능성을 눈여겨보고 시장을 선점하기 위한 것이라고 여겨진다.

PEEK 소재를 3D프린팅 할 경우 취급 온도는 400℃ 이상에 달하기 때문에 공정이 까다롭고압출 온도와 압출되었을 때 챔버의 온도의 차로 인한 열충격이 발생하기 때문에 변형을 최소화하기 위한 챔버 온도의 관리도 중요하다. 일반적으로 PEEK 소재의 봉재 또는 판재와 마찬가지로 PEEK 소재의 추가적인 인장강도, 전단강도, 압축강도, 굴곡강도, 경도 등을 높여 주기 위하여 유리 및 카본 섬유가 첨가된 필라멘트도 출시되고 있다.


세계적 화학기업들 PEEK·나일론 등 소재 개발·출시 활발
물성 및 생산성 강화·소재 다양화로 어플리케이션 확대 주목


▲ PEEK 3D프린팅 출력물. BOND3D는 세밀한 부품을 출시했다.(左) 에센티움(Essentium)이 전시한 경량화 기어 파트(中). INTAMSYS의 자동차 흡기 부품(右)


가공재와 달리 3D프린팅에서 Z축 레이어가 파트에 미칠 수 있는 영향과 강도의 적절한 테스트와 더불어 기존 가공방식에 3D프린팅을 활용해 어떻게 대체할 수 있을지 심도 있는 고민이 필요할 것이다.


또한 필라멘트뿐만 아니라 3D프린팅용 파우더는 주로 3D시스템즈, EOS 등 SLS 방식 3D프린터에 적용되고 있는 나일론(Nylon) 계열의 소재다. HP사의 MJF 방식의 3D프린터는 레이저 대신 적외선을 이용하여 융합시키는 방식을 채택하고 있다. 또한 소재에 대해 오픈 플랫폼을 적용하면서 BASF, Lubrizol, Coverstro, Henkel, Arkema 등과 같은 소재 기업들이 HP와 협업하여 다양한 소재를 개발하고 출시하여 플라스틱 소재 시장에 확장성을 넓히고 있다. 이와 함께 염색 및 도색 등의 후처리를 거쳐 어플리케이션을 확대하고 있다.



▲ HP가 Nylon 계열 분말로 3D프린팅 한 다양한 부품


이처럼 플라스틱 소재 시장이 확장됨에 따라 상대적으로 시제품 목적에 머물러 있던 광경화성 수지를 사용하는 DLP나 SLA 방식의 3D프린팅 기업들도 물성치를 높이기 위해 장비 개발 보다 소재 개발에 집중하고 있다.


광경화성 수지를 사용하는 플라스틱 소재는 일반 산업 분야, 치과 및 귀금속 분야에서 이미 널리 사용되고 있고 실제 고무와 유사한 소재를 개발하는 등 광경화성 소재의 적용 어플리케이션 확대 노력이 한창이다.


대표적으로 3D시스템즈의 경우 고객이 원하는 대로 생산능력을 확장할 수 있는 모듈형 3D프린터와 소재 개발에 집중해 보다 빠른 생산성과 소재 물성 강화 등을 통해 차별화하고 있다.



▲ 3D시스템즈의 모듈형 3D프린터와 기계적 물성치를 개선시킨 ‘TOUGH’ 계열 소재와 고무 소재


국내 광경화성 소재 생산기업인 그래피(Graphy)는 치과 분야에 적용되는 크라운, 치과 모델, 서지컬 가이드, 덴쳐와 같은 다양한 제품을 전시하는 등 치과 소재를 기반으로 산업 분야에 사용가능한 소재까지 개발을 확대하고 있다.


그래피 부스에서 가장 기억에 남은 것 중 하나가 3D프린팅 출력물이 찢어지거나 파손되지 않는 한약 70℃의 온수에서 원래의 형상으로 복원되는 소재다.


국내 기업인 그래피, 캐리마(Carima), 신도리코(Sindoh) 등은 코로나 등으로 어려운 시기임에도 불구하고 폼넥스트에 참가하여 국산 기술과 제품을 세계적으로 알리고 있다는 사실이 같은 자국민으로서 뿌듯했다.


필자가 소속된 링크솔루션도 올해 열리는 폼넥스트에 참가해 산업용 3D프린터 뿐만 아니라 제약·바이오 3D프린팅 등 여러 제품을 소개할 예정으로, 대한민국 3D프린팅 기술의 위상을 높이도록 노력하겠다.

▲ 그래피는 투명 교정장치 등에 사용되고 있는 형상기억 고분자를 현장에서 시연해 주목을 받았다.


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