적층제조 장비·공정 진보, 고품질 부품 양산 솔루션 자리매김

◇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

▲ 박상후 부산대 교수

세계 최대 적층제조 전시회인 ‘폼넥스트(Formnext) 2022’가 지난 11월15일부터 4일간 독일 프랑크푸르트 메쎄(Frankfurt Messe)에서 열렸다. 약 802개의 소재, 장비, 소프트웨어 업체가 참여해 최근 개발한 기술과 공정을 소개하고 장비와 시제품을 전시하였다.

적층제조 장비는 1986년 광경화수지를 이용한 SLA-1(3D시스템즈, 미국)가 세계 최초로 상용화된 이래 35여년이 넘는 시간동안 다양한 적층방식으로 3차원 형상을 제작하는 장비들이 개발되고 상용화 되었다. 이러한 장비의 활용을 통해 ‘쾌속조형(Rapid prototyping, RP)’ 기반의 시제품 제작기술이 크게 발전하였고 이를 통해 제품의 개발기간 단축과 시장의 앞선 출시 등의 효과로 이어졌다.

그러나 이렇게 만들어진 부품들이 시제품 수준을 넘어 실제 양산 부품으로 적용되기에는 기술적으로 극복해야 할 것들이 많다.

특히 적층제조로 제작된 부품의 미세 균열이나 기공과 같은 결함은 장기적으로 사용할 수 있는 고신뢰성 부품으로 인증을 받기가 어려웠다. 그러나 최근 10여년 동안 적층제조 공정 및 장비기술, 분말소재, 후처리 공정기술의 발전으로 항공우주, 국방과 같은 고신뢰성, 고효율을 요구하는 극한환경용 부품제작부터 치과·의료산업 부품과 같은 고정밀, 인체 안정성 부품제작까지 다양한 분야에 적용이 가능한 수준으로 진보했다.

최근에는 ISO/ASTM52900 국제규격을 통해 적층제조로 만든 산업용 부품의 품질인증과 표준화를 진행하고 있다. 향후 적층제조품의 품질인증을 통해 4차 산업혁명시대에 맞는 새로운 생산기술로 자리를 잡을 것으로 보인다.

본 기고에서는 Formnext 2022 전시회를 통해 공개된 금속 적층제조품의 품질 향상과 양산성을 확보를 위한 장비 업체의 진보된 기술에 대해서 몇 가지 서술하고자 한다.

먼저 가장 중요한 진보로 볼 수 있는 부분은 지금까지 적층제조로 형상을 만들기 어려운 금속 분말들이 장비의 고도화로 정밀한 레이저 출력과 공정제어를 통해 형상제작에 사용이 가능해지고 있다는 것이다.

예를 들어, 알루미늄 분말은 높은 통전성과 열전도율, 우수한 내식성, 철에 비해 1/3수준의 비중으로 인해 비강성이 높고, 자성을 띄지 않아 의료기기 부품에 적용되는 중요한 재료로 알려져 있다.

그러나 적층제조의 관점에서 보면 낮은 용융온도와 반사율로 인해서 제작이 어려운 금속이며 AlSi10Mg 및 AlSi7Mg 등 주조용 합금분말이 적층제조에 주로 사용되어져 왔다. 항공산업과 같은 비강성이 요구되는 부품적용을 위해서는 AL6000, AL7000계열 알루미늄 분말이 적층제조 공정에 적용되는 것은 매우 중요하다.

▲ Oerlikon社의 6000계열 알루미늄 분말로 만든 시제품 (사진: 부산대학교 박상후 교수)

이번 전시회에서 올리콘(Oerlikon)社에서는 AL6000계열의 알루미늄 분말로 적층제조로 시험편을 제작하여 선보였으며, 향후 적층제조 공정으로 형상제작에 적용될 가능성이 있음을 제시했다. 장비기술과 연계된 소재기술의 발전으로 적층제조로 만들 수 있는 재료의 다양성이 지속적으로 늘어날 것으로 예측된다. 이를 위해서 장비기술에서도 각 소재에 맞는 적층공정 조건을 구현할 수 있는 제어 및 모니터링 기술이 따라 발전할 것으로 보인다.

상용화를 위한 두 번째 장비기술의 진보는 PBF(powder bed fusion)방식의 금속 적층제조 공정에서 서포트(지지대, support) 없이 제작하는 서포트-프리(support-free) 방식에 대한 접근이다.

PBF방식에서 서포트는 적층 과정에서 발생하는 과도한 열을 빼내고 잔류응력으로 인한 제작물의 뒤틀림을 공정 중에 잡아주는 중요한 역할을 하지만 형상제작 후 제거해야 하는 어려움이 있다. 이러한 후처리 공정은 경우에 따라서는 적층제조 공정보다 더 많은 시간이 요구되고 대부분 수작업으로 인해 비용도 높은 편이다. 그 중에서도 서포트 제거는 필수적으로 요구되는 후처리 공정이므로 이러한 서포트를 최소화 하거나 없애는 새로운 기술은 적층제조 공정의 상용화에 크게 기여한다고 볼 수 있다.

▲ SLM社의 장비(SLM 500)를 이용해 서포트 없이 제작한 사례(사진: 부산대학교 박상후 교수)

SLM Solutions社에서 개발된 적층제조 장비(SLM500 모델)를 사용하여 이번 전시회에 보인 서포트-리스 공정을 적용한 시편을 전시하였다. 레이저 출력의 정밀한 제어를 통해서 제작한 결과물로 고열 축적이 형상의 아랫부분(삽입그림 참고)에는 열 배출 불량으로 약간의 결함이 보이지만 전반적으로 적층방향으로 기울기가 20도 수준의 수평에 가까운 형상을 제작한 사례로 기술적 진보가 충분하다고 할 수 있다.

SLM 관계자는 이렇게 수평에 가까운 구조물을 서포트 없이 만든 시편에 대해서 향후 기계적 물성과 결정조직을 평가할 계획이라 한다.

상용화를 위해서는 적층제조 장비의 고성능 모듈 부품과 공정 모니터링 기술이 필요하다. 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer)와 연결된 연구소와 기업들은 이번 전시회를 통해서 금속 적층제조 공정 중 하나인 DED(direct energy deposition) 장비용 노즐과 모니터링 시스템을 출시하였다.

이러한 새로운 모듈 부품들은 기존의 적층제조 장비에 부착하여 제작성능을 한 단계 더 끌어올릴 수 있다. 예를 들어 분말 대신 저가의 와이어(wire)를 안정되게 공급하여 ‘레이저 기반 와이어 적층제조 공정’에 적용한다든지, 노즐에서 토출되는 분말의 분포를 모니터링하여 DED기반 적층공정에서 자주 발생하는 노즐부 막힘으로 생기는 제작결함을 막을 수 있다.

독일의 EOS社에서도 열화상 카메라를 이용하여 용융부의 상태를 파악하고 이를 통해서 최적의 공정조건을 잡아주는 시스템을 선보였다.

소재 다양화·후공정 간소화·모듈화·공정 모니터링 등 기술 발전 눈길

中企 중심 적층제조 생태계 구축 산학연 컨소시엄 및 정부지원 필요

▲ Fraunhofer에서 전시한 다양한 적층제조 노즐(사진: 부산대 박상후 교수, 3D프린팅연구조합)

이밖에 프라운호퍼는 기존의 PBF 방식의 적층제조 장비에서 금속분말 도포한계를 뛰어넘는 새로운 기술(electrophotography)을 전시하였다. 기존의 분말 리코팅(recoating) 방식에서는 이종재료 분말의 도포, 전체 형상에서 국부적인 분말도포, 유동성이 낮은 분말(non-flowable powder) 도포가 어려웠다.

electrophotography 기술은 레이저 프린터 인쇄장치에서 활용되어 왔던 광전도체(photoconductor) 방식을 활용해서 분말을 리코팅하는 새로운 장치다. 아직 완전한 상용화까지는 시간이 필요하지만 분말 리코팅 방식의 획기적인 전환으로 금속, 세라믹, 플라스틱 등 이종재료 분말의 동시 적층이나 국부적인 분말 적층이 현실화 될 것으로 기대된다.

▲ Fraunhofer의 광전도체 방식의 분말 리코팅(사진: 3D프린팅연구조합)

앞에서 이야기한 몇 가지 금속 적층제조의 상용화에 근접한 사례를 보면, 기업에서 단독으로 모든 중요기술을 개발한 것이 아니라 대부분 CAD/CAM, 소재, 운영 소프트웨어, 모니터링 등 다양한 기술을 가진 기업들이 상호 협력하여 개발한 것이 많다. 특히 유럽의 경우 이러한 기업간 공동협력 문화가 적층제조 뿐만 아니라 다른 산업분야에도 이미 정착되어 있다.

유럽의 적층제조 산업에서는 이번 전시회에 참여한 컨소시엄 형태인 'AMable(https://amable.eu)'이 대표적인 기업 간 공동협력체의 모델이다. ‘AMable Team’의 목표를 살펴보면 아래와 같다.

“AMable 컨소시움은 적층제조 기반의 새로운 생태계를 만드는 것이 목표이며 다양한 기업과 기관으로 구성된 그룹이다. 적층제조 관련 광범위한 전문기술, 비즈니스, 교육을 제공하고 유럽 위원회는 H2020 프레임워크 프로그램의 연구자금을 통해서 유럽기업의 개방형 플랫폼을 이 컨소시엄에서 지원한다. 이를 통한 주요 수혜기업은 적층제조 공정과 장비관련 중소기업이다”

▲ ‘AMable Team’ 컨소시엄 파트너(출처: AMable 홈페이지)

우리나라의 금속 적층제조 장비 발전은 지금까지 정부 주관으로 다양한 기획이나 공동 전시회 참가 등을 통해 이뤄져 왔으나 유럽처럼 실질적으로 중소기업들이 기술지원을 받고 하나의 생태계를 만들어 상존하는 체계는 갖춰지지 않았다.

이러한 협력체계는 기술 장벽이 높고, 소재부터 CAD/CAM, 공정장비, 후처리 기술, 정밀 공정 모니터링 및 최적화 기술 등 다양한 기술을 필요로 하는 적층제조 산업 특성상 반드시 필요하다.

특히 우리나라와 같이 중소기업들이 많이 참여하는 국내 적층제조 산업에서는 ‘AMable’과 같은 협력체계는 매우 효율적일 수 있다. 따라서 정부 주관으로 기업-대학-연구소를 비롯하여 해외 글로벌 선도기업이나 연구소도 같이 참여하는 ‘한국형 AMable 컨소시엄’ 구축이 필요하다는 것을 제언하며 이번 'Formnext 2022'의 적층제조 장비 관련 짧은 리뷰를 마친다.