▲ ▲벨츠가 생기원 시흥센터에서 기술 이전을 받아 개발한 산업용 PBF 방식 금속 3D프린터 ‘M250i’를 실물 전시했다. (右부터) 손용 생기원 시흥센터장, 이명구 벨츠 대표, 김광원 벨츠 수석연구원이 기념 촬영에 응하고 있다.

러-우 전쟁으로 촉발된 전 세계적인 안보 불안으로 인해 지난해 우리나라 방위산업 수출이 역대 최대인 173억달러를 기록하면서 신규 수출산업으로 부상하고 있다. 이에 따라 3D프린팅 기술도 노후화된 무기의 단종 부품 제작과 유지 보수는 물론 미사일, 전투기 등에 필요한 실제 부품 양산에도 적용이 점차 확대되고 있다.

지난 28일부터 30일까지 대전컨벤션센터(DCC)에서 방위사업청과 대전시가 주최하는 ‘2023 방위산업 부품·장비대전 및 첨단국방산업전’이 열렸다.

이번에 한국생산기술연구원 시흥 3D프린팅 제조혁신센터(센터장 손용, 이하 생기원 시흥센터)는 3D프린터 특별관을 마련하고 링크솔루션, 케이랩스, 글룩, 벨츠, 에이엠솔루션즈, 휴니드, 삼영기계, KTC, 엘코퍼레이션 등 3D프린팅 기업들의 방산 분야 진출을 지원했다.

국방 분야에서는 무기와 장비를 30~50년간 사용할 수밖에 없는 경우가 많아 단종 및 노후화된 부품을 적기에 조달하는데 상당한 어려움을 겪고 있다. 부품 종류도 다양한데다 단종된 모델에 대한 부품은 구할 수도 없으므로 정비창 현장에서 전문가들이 판금, 기계 가공, 주조 및 용접 등 기술들을 활용해 어렵게 대응하고 있는 것이 현실이다.

이에 우리 군에서는 소량으로 원하는 형상의 부품을 빠르게 제작할 수 있는 3D프린팅을 효율적인 무기 관리 솔루션으로 주목하고 활용도를 높이고 있다. 이를 확대하고자 산업통상자원부와 국방부는 지난 2017년 12월 MOU를 체결했으며, 한국생산기술연구원 3D프린팅 제조혁신센터가 중심이 되어 국방·방산분야에서 3D프린팅 도입이 가능한 노후·단종·해외조달 부품에 대한 선정 작업부터 제작 및 교육 지원에 본격 나섰다.

실제로 지난 3년간(‘19~’21년) 국방 분야에서는 3D프린팅을 활용해 1만3천여 점의 부품을 생산하고 약 21억원에 달하는 예산을 절감하는 효과를 거둔 바 있다.

또한 생기원 시흥센터는 방위산업 분야에서의 3D프린팅 기술협력을 강화하고 활용을 확산하기 위한 규격화 및 목록화 개발 방안을 모색하고자 각 군 정비창과 방산 관계자 등이 참여하는 방위산업 분야 3D프린팅 기술개발 협의회를 개최하고 있다.

생기원 시흥센터는 이번 방산 전시회에서 국방·방산 및 우주항공 등 관련해 3D프린팅 기술을 지원하거나 기술을 개발한 성과를 선보였다. 센터는 광개토대왕함을 움직이는 엔진의 감속기 역할을 하는 디젤엔진 클러치 잠금장치 손상 문제를 금속 와이어 3D프린팅 기술을 적용해 단 하루 만에 문제를 해결했다.

▲ 생기원 시흥센터가 군 현장에서 평가받은 3D프린팅 부품을 전시하고 설명하고 있다.

■‘K-방산’ 뒷받침하는 3D프린팅

군 장비는 극한 환경에 자주 노출되기 때문에 ULTEM, PEEK 등 고강도 폴리머 소재 활용도가 높아지고 있다. 일례로 공군에서는 전투기의 공기 공급 도관 연결 부품을 조달하는데 기존에는 162만원의 비용과 2개월이 넘는 기간이 소요됐으나 이를 ULTEM 소재로 3D프린팅 하여 12만원의 비용으로 단 3시간만에 조달한 사례가 있다.

▲ 링크솔루션이 개발한 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 출력이 가능한 산업용 FDM 3D프린터 ‘LINK EP-500’은 국방 우수 상용품 시범사용 제안품목 A등급을 받았다.

링크솔루션(대표 최근식)이 이번 전시회에 선보인 산업용 FDM 3D프린터 ‘LINK EP-500’은 고내열성, 고강도, 고내화학성을 가진 PEEK, CFR-PEEK, ULTEM 등의 소재를 사용해 최대 500x500x500mm에 이르는 대형 고강성 부품을 양산할 수 있는 장비다.

군에서 가장 많이 활용되는 FDM 방식인데다 고온 챔버 방식으로 z축 강도가 높고 소재를 다양하고 편리하게 사용할 수 있어 군에서 많은 관심을 받고 있다. 이에 LINK EP-500은 최근 국방 우수상용품 시범사용 제안품목 87개 제품 중에 유일하게 A등급을 받은 제품으로 선정된 바 있다. 이 장비는 생기원 시흥센터의 기술이전으로 개발됐다.

▲ 에이엠솔루션즈가 선보인 LW-DED 3D프린팅 기반 모빌리티 적층제조시스템 ‘위드 홀로닉(With:Holonic)’

에이엠솔루션즈(대표 김대중)는 LW-DED(레이저 와이어 직접 에너지 적층) 방식 금속 3D프린팅을 기반으로 군 작전 지역 현장에서도 3D프린팅이 가능한 모빌리티 적층제조시스템 ‘위드 홀로닉(With:Holonic)’을 전시장에 실물 배치해 많은 관심을 받았다.

이 시스템에는 로봇팔과 결합된 LW-DED 장비와 구동실이 컨테이너 박스 안에 설치돼 있어 트럭으로 이동하면서 현장에서 즉시 3D프린팅이 가능한 것이 특징이다. 미군에서는 부품 보수 및 제작용으로 육군은 물론 항공모함에서도 이러한 모빌리티 적층제조 시스템을 운영 중이다.

LW-DED 공정은 금속 분말 대신 금속 와이어를 레이저로 녹여 적층하는 방식으로 빠른 제작 속도, 저렴한 재료비, 대형 부품 제작 가능 등 장점이 있다. 또한 시중의 일반 용접 작업용 와이어를 그대로 사용하면서 작업 표면 마감도와 치수 정확도가 우수해 긴급 정비가 요구되는 국방 분야에서 수요가 늘 것으로 기대가 되고 있다.

에이엠솔루션즈는 생기원 시흥센터와 기술협력 MOU를 체결하고 헤드 모니터링 기술 등을 이전받아 우주항공, 방산, 중공업 등을 중심으로 LW-DED를 토털솔루션으로 공급하거나 적층제조 서비스 사업을 본격 추진할 계획이다.

▲ 헵시바가 금속 3D프린팅으로 제작한 해군정비창 수요 30mm 골키퍼 함포 회전 탄창 조립체 부품

헵시바의 3D프린팅 사업부가 독립해 설립된 벨츠(대표 이명구)는 이번 전시회에 산업용 PBF 방식 금속 3D프린터 ‘M250i’를 실물 전시했다. 생기원 시흥센터의 기술 지원으로 개발된 이 장비는 최대 250x250x300mm(가로x세로x높이) 크기의 부품을 500W의 광섬유레이저로 제작할 수 있다. 국방·방산 수요 부품에 맞게 높이(z축)를 길게 한 것이 특징이다.

벨츠는 ‘M250i’로 해군에서 사용 중인 30mm 골키퍼 함포 회전 탄창 조립체 부품을 제작해 실제 장착한 사례도 선보였다. 탄창 조립체는 함포 하우징 회전 시 드럼과 연결하는 장치로 조립체내 기어 축이 절손될 경우 회전탄창 조립체 전체를 교체해야하고 재고도 없어서 정비에 많은 시간과 비용이 부담되고 있다. 이에 벨츠는 역설계로 부품 3D데이터를 확보해 금속 3D프린팅 및 후가공 후 해군 정비창에 납품하는데 성공함으로써 3D프린팅이 유지·보수에 적합한 솔루션임을 다시 한번 입증했다.

▲ 글룩이 SLA 3D프린팅으로 만든 부품은 방산 시제품 제작에 사용되고 있다.

3D프린팅은 방산 시제품 제작에도 적용 중이다. 산업용 SLA(광경화수지 적층 조형) 3D프린터를 구축하고 양산시스템을 갖춘 글룩(대표 홍재옥)은 천무, K21 보병 전투차량, 소총 등 부품을 생산해 시제품 제작업체에 공급하고 있다. 시제품 제작업체는 기존에 레이저 커팅 등 방식으로 폴리머 재질의 부품을 납품받아 조립하는데 기간이 오래 걸렸으나 글룩으로부터 대형 SLA 방식으로 부품을 조달받으면서 시간과 비용적으로 만족도가 높아 3D프린팅을 적극 활용하고 있는 것으로 알려졌다.

한편 비밀 유지가 엄격한 방산업계 특성상 널리 알려지지는 못했지만 3D프린팅은 방산분야에서 부품 양산기술로 적극 활용 중이다. LIG넥스원은 2014년부터 3D프린팅 기술을 활용해 레이다·위성·로봇 등에 사용되는 고강도·경량 구성품의 양산공정 개발을 추진해 오고 있으며‘방위산업 부품에 대한 3D프린팅 품질관리체계’를 구축 중이다.

2014년부터 3D프린팅 기술을 도입한 두산에너빌리티는 국산 전투기 ‘KF-21’ 시제기에 3D프린팅 기술로 제작한 전투기 내 공기 순환 시스템 부품을 공급했다. 회사는 현재 총 8대의 장비를 갖춘 국내 최대 적층제조 전용 팹을 구축하고 발전, 우주항공, 방산 등 부품제작 서비스 사업 확대를 추진 중이다.

한화에어로스페이스도 2009년부터 금속 적층제조기술 개발에 나섰으며 항공엔진 부품 수리와 양산 부품 개발에 활용 중이다. 회사는 최근 국방기술진흥연구소가 2027년까지 488억원을 투입하는 ‘1000마력급 가스터빈 엔진 핵심 부품소재 장수명화 기술개발’ 과제에 선정돼 미사일 등 유도 무기에 장착해 1천시간 이상 사용할 수 있는 장수명용 가스터빈 엔진용 티타늄, 니켈 합금 등 소재를 개발한다.

손용 생기원 시흥센터장은 “그간 국방·방산 분야 부품 조달시장에서 3D프린팅 기업들의 참여를 활성화 시키고자 품질인증체계를 만들고 교육을 확대해온 결실이 나타나고 있다”며 “방산기업들의 제조혁신을 통한 경쟁력 강화와 국내 적층제조산업 생태계 구축에 기여할 수 있도록 3D프린팅 공정개발, 기술이전 및 지원, 전문인력교육, 부품 실증 등 전주기 지원에 노력을 다하겠다”고 밝혔다.

▲ 손용 생기원 시흥센터장이 국방 3D프린팅 전문인력 양성교육에 참가하고 있는 육·해·공군 및 해병대 3D프린팅 실무 담당자들에게 벨츠 부스에서 금속 3D프린팅 부품 제작 사례를 소개하고 있다.

▲ 손용 생기원 시흥센터장, 최균석 한밭대학교 사업단장, 국방부 3D프린팅 담당 과장과 함께 각 군 3D프린팅 실무 담당자에게 3D프린팅 기술교육을 실시하였다.