고속·후공정·복합소재·로봇·AI 진보, 적층제조 부품 양산 가속화

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)적층제조 장비

3)금속분말 적층제조 소재

4)폴리머 적층제조 소재

5)메디컬 적층제조 응용분야

6)미래모빌리티 적층제조 응용분야

7)탄소섬유 적층제조 응용분야

8)좌담회-청년이 적층제조 미래를 이야기하다

세계 최대 적층제조 국제 전시회인 ‘폼넥스트(FormNext) 2022’가 지난 11월15일부터 나흘간 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 성황리에 폐막하였다.

코로나 팬데믹으로 인해 2020년 온라인으로 개최된 이후, 작년에 오프라인으로 다시 열린바 있는 폼넥스트는 올해 4개관(2021년:3개관), 총 전시면적 51,148m²(대략, 축구장 7개 크기), 802개(2021년 606개) 업체가 출품하면서 코로나 이전 수준을 회복했다.

적층제조 주요 기업들은 산업군(자동차, 항공 우주, 선박, 의료 및 계약 제조 등)의 다양한 어플리케이션을 선보이며 4개의 전시관을 다채롭게 구성하였다. 이에 따라, 이번 행사는 방문객이 작년대비 65.6% 증가한 29,581명(2021년 17,859명)으로 96개국에서 온 해외 방문객(51%) 및 해외 전시업체(58%)를 통해 세계 최대 적층제조 전시회임을 입증하였다.

한국에서는 그래피, 캐리마, 인스텍, 링크솔루션 등이 단독부스를 구성하여 해외 고객들과의 수출상담 및 계약을 진행했다. 캐리마에서는 C-CAT(고속연속적층) 기술을 포함한 적층 장비와 샘플들을, 그래피에서는 세계 최초로 치과 분야에서 투명한 교정장치를 제작할 수 있는 광경화수지 '다이렉트 얼라이너'를 선보여 많은 상담과 계약을 진행했다.

3D융합산업협회가 구축한 한국관에서는 에이온, 메디컬아이피, 3D컨트롤즈, 알앤엑스, 컨셉션, 코스글로벌, 대건테크 7개 업체가 전시를 했다. 코스글로벌은 타이타늄 분말을, 대건테크는 자체 장비로 출력한 구리 소재 어플리케이션을 선보여 많은 상담을 진행했다.

이번 폼넥스트를 방문하여 필자가 느낀 적층제조의 트렌드를 키워드를 정리해보자면 △고속 적층 생산을 위한 소프트웨어 제어와 후공정 개선 △복합소재 결합 적층 △적층제조 부품의 대형화 △AI-based Quality control을 위한 다양한 방안 등이 있다.

첫째, 생산성 향상을 위한 기업들의 다양한 전략 제시이다. GE Additive는 레이저 빔의 개수를 증가시켜 생산속도를 개선하려는 움직임부터, 레이저 PBF 방식의 파라미터(레이저 조사 방식, 속도, 에너지, 중첩 구간 제어, Tool path 경로 최적화) 조절을 통해 30%의 생산속도를 개선한 사례를 전시했다. 이외에도, 공정 최적화를 위해 적층 두께, 조사 에너지를 변화시키며 공정 최적화를 통해 적층 시간과 품질 이슈를 조율하려는 시도를 선보였다.

SLM Solutions(솔루션즈) 역시 12개의 레이저를 동시에 제어해 출력속도를 4개의 레이저에 비해 5배, 싱글 레이저에 비해 20배 속도를 높인 금속 3D프린터 ‘NSG VII 600’을 선보였다.

▲ GE社의 공정 최적화(조사 에너지, 적층 두께) 비교 사례 출력물(사진:한국전자기술연구원 채종혁 선임)

둘째, 금속 적층제조 후공정 개선을 위한 No-Support 전략으로 재료 절감, 품질 관리의 효율화이다. PBF 방식 금속 적층제조는 금속 분말이 출력물을 받쳐주지만 금속의 용융점을 넘어서게 에너지를 조사해야 되기 때문에, 급격한 열 응력이 발생하게 되고 제작물에 영향을 주기 때문에 이것을 제거하기 위해서 support가 필요악으로 존재해야 한다.

SLM Solutions는 SW를 통해 self-supporting angle(support 없이 조형 가능한 각도)을 5°까지(통상 45°) 끌어올려 내부 support 없이 출력물을 제작할 수 있게 끔 하였다.

GE에서도 항공부품을 내부 support 없이 출력하여, 후공정 과정을 단축하고 800개의 부품을 12개로 축소시키는 부품 통합을 실현했다. EOS 역시 kNOw Support 프린팅 기술을 선보여 동일한 맥락의 support 최소화 전략을 제시했다.

프라운호퍼는 로봇을 이용해 Support를 자동으로 제거할 수 있는 툴을 소개했다. 이는 적층 된 서포트들을 로봇에 부착된 정으로 서포트를 타격해 공진(Resonance)효과를 발생시켜 얇은 support만 단번에 제거하는 방법이라고 소개했다.

▲ ▲프라운호퍼 연구소의 공진을 이용한 자동 후공정 로봇과 결과물.(사진:한국전자기술연구원 채종혁 선임)

공정 최적화와 Support Free 전략을 통해 적층제조 양산을 위한 상용 단계에 돌입했다는 느낌을 받았다. 아직 미진한 부분들과 기술개발의 고도화가 요구되는 사안이 많지만 이건 시간 문제로, 양산성을 확보하여 빠른 시간내에 많은 소비자들이 적층 제조로 만들어진 제품을 사용할 것이라 예상해본다.

셋째, 복합소재 적층제조 기술 발전이다. 단일 소재로는 동일한 물성을 갖기에 경제성, 안정성, 완성도 측면에서 여러가지 한계가 존재하여, 소재 결합을 통한 적층 방식이 새로운 대안이 될 수 있다. 하지만, 복합소재 역시 재료의 상이한 특성들로 인해 접촉부의 결합력, 내열성, 내마모성이 부품의 약점이 될 수 있어 복합소재 개발과 연구가 끊임없이 진행되고 있다.

이를 위한 대안으로, 마크포지드는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer:탄소섬유강화플라스틱)를 FDM 방식 3D프린터로 적층할 때, 섬유의 효율적인 배치를 통해서 금속 부품을 대체할 수 있다는 기대감을 심어주었다. 실제로 동일 중량의 AL6061보다 CFRP의 인장강도가 강하다는 것을 입증하기 위해, 알루미늄 스티어링 휠을 CFRP 방식의 제작물로 대체한 사례를 소개했다.

또한, SLM Solutions에서는 이종 금속을 같이 출력하여 내·외부 소재가 다른 2MA(2 material Additive) 출력물을 전시했다. ‘SLM 280’ 장비를 이용해 프라운호퍼에서 개발한 강재와 구리합금의 결합 적층 방식으로 만든 열교환기와 하위품목을 전시했다.

양산성 확보 위한 고속화·서포트 프리·적층방식 다양화 등 인상적

제조업 고도화 및 전환 선제대응 중소·중견社 적층제조 지원 확대 必

▲ SLM社의 2MA(2 material Additive) 열교환기 출력물(사진:한국전자기술연구원 채종혁 선임)

넷째, 로봇 장비를 활용한 적층제조 부품의 대형화 어플리케이션이다. 대형화는 3D프린터 구조상 가질 수 밖에 없는 플랫폼 사이즈의 한계를 극복하고 대형 산업 부품 제조 및 대량 생산에 적용하기 위한 방안 중 하나이다.

금번 전시회에서는 대형 부품이 필요한 선박, 자동차, 우주항공, 중공업, 인테리어 등에 적층제조를 활용한 사례들을 볼 수 있었다. 자동차 범퍼에 활용된 폴리머 계열의 사례들부터, 소형 선박의 목업(mockup), 인테리어를 위한 욕조까지 다양한 크기의 제작물들이 전시되었다.

▲ 이스라엘의 매시빗(Massivit)에서 전시한 자동차 범퍼와 욕조 출력물(사진:한국전자기술연구원 채종혁 선임)

마지막으로는 실시간 적층제조 품질 관리를 위한 인공지능 소프트웨어가 있다. EOS는 PBF 방식의 적층 과정에서 조사된 레이저 에너지의 열상(Thermal Imaging) 영상을 GV(Gray Value:열화 평가 지표)로 변환하여 실시간 적층 레이어의 열화 추세를 분석, 구성하는 장비와 적층물들의 고장모드(FMEA)를 분류해 공정에 피드백 제어하는 소프트웨어를 선보였다.

적층제조 소프트웨어 개발 업체인 AI Build社 역시 WAAM(와이어 아크 적층제조)방식의 조사 과정 중 발생되는 기공 및 융착 등을 컴퓨터 비전 알고리즘인 객체탐지(Object Detection)를 이용하여 공정을 실시간으로 모니터링하는 시스템을 선보였다. WAAM 방식의 적층 헤드 옆에 부착된 카메라로 출력되는 순간의 너겟의 품질을 검사한다.

▲ ▲EOS社에서 공개한 공정 모니터링 솔루션(左), AI Build社에서 소개한 카메라 기반의 WAAM 공정 결함 탐지 솔루션(右)(사진:한국전자기술연구원 채종혁 선임)

금번 전시회에서는 No-support 전략을 필두로 실제 산업에서 활용되기 위한 다양한 소요 기술들을 실제로 적용한 사례들을 전시하고, 대형 부품 제조 사례와 고속 생산 기술 등이 주로 소개되었다. 제조업 고도화와 당면한 소비시장의 트렌드 변화에 맞추어 요구되는 유용한 기술들이 적층제조 양산화를 가속 시킬 것으로 예상한다.

우리나라는 다양한 제조업군에서 두각을 보이고 있기 때문에 소비자 맞춤 생산을 목적으로 자동차, 반도체, 금형 등의 적층 제조 기술이 적용되어 공정에 반영될 가능성이 매우 높다. 특히 기술적 우위를 가진 원전, 방산, 우주항공 분야에서 최적 설계를 통한 형상 변형 기술적 고도화, 노동 인력 고갈과 고기능 숙련자의 기술 단절과 같은 사회 이슈를 해결하는 방안으로 빠르게 모색될 것이다.

아울러, ICT 분야의 세계적 기술 강국으로서 설계 및 소프트웨어 응용 뿐 아니라, 통신, 인공지능 및 제어를 위한 전자·제어 모듈 분야에서의 적층 제조 응용과 소재·부품·장비 국산화를 위해서 적극적인 연구와 기업들의 참여가 요구된다.

이러한 국내 산업 구조와 기반을 바탕으로 우리나라 기간산업인 제조업의 고도화 및 시장 변화에 선제 대응하기 위해 적층제조 관련 시장에 대한 지원을 확대할 필요가 있다. Bottom-up 전략으로 중소·중견기업들의 기술지원을 확대하여 적층 제조 시장의 견인 역할을 하도록 하고, 잠재적인 수요 업체들의 Needs를 공동 발굴하여 기술 역량을 축적해간다면 적층제조 산업이 국가 기간산업들의 든든한 뿌리기술이 될 것이라 믿는다.

▲ 3D프린팅연구조합 참관단은 독일 마인츠에 위치한 EVOBEAM을 방문하여 양국간의 상호 관심사를 논의하고 전자빔 장비와 우주항공부품 부품제조공장 등을 견학했다(사진:3D프린팅연구조합 강민철 이사).