▲ 이조원 3D프린팅연구조합 이사장이 국방 3D프린팅 특별세션에서 인사말을 하고 있다.

국방 기술의 혁신과 효율적 운영을 통한 방위력 증강을 위해선 금속 적층제조(3D프린팅) 국방표준 개발과 함께 수요부품 발굴과 성능검증의 노력도 필요한 것으로 나타났다.

3D프린팅연구조합(이사장 이조원)은 11월2일부터 4일까지 영남대 천마아트센터에서 열린 ‘2023년 한국국방기술학회 추계학술대회’ 기간 중 3일 오전 10시부터 ‘국방 3D프린팅 특별세션’을 개최했다.

이번 특별세션은 방위사업청과 국방기술품질원이 지원하는 민·군규격표준화사업의 일환으로 ‘우주·항공·방산분야 금속 적층제조 규격 표준화 연구’를 수행 중인 3D프린팅연구조합이 관련 표준화 연구 내용과 금속 적층제조 최신 기술을 국방 관련 산학연관에 알리고 협력을 강화하기 위해 마련됐다.

우주·항공·방산분야 금속 적층제조 규격 표준화 연구는 관련 산업에 적층제조 적용을 확대하고 글로벌 경쟁력을 강화하는데 필수적인 금속 적층제조 국제 규격을 통합하고 기준, 방법, 절차 규격 등 국내 표준을 수립해 장비·소재·공정 절차 및 품질인증 표준안을 제안하는 것이 목표다.

이번 사업은 3D프린팅연구조합(과제책임자 강민철), 한국생산기술연구원, 경희대 등이 참여해 2023년 6월부터 2025년 12월까지 수행한다. 이를 통해 레이저기반 분말베드융해(L-PBF) 금속 적층제조와 관련해 △산업·군용 활용이 높은 금속 분말소재 관련 표준 △민군에 동시 적용 가능한 신뢰성 높은 부품의 품질인증 관련 표준 △제품의 신뢰성 확보를 위해 부품 표준과 연계한 장비 및 공정 관련 표준 등을 개발할 계획이다.

국방력 증진에 필수적인 군수품을 효율적으로 조달·관리·유지하고 호환성을 높이기 위해 국방분야에서는 하드웨어 중심으로 규격을 관리하도록 국방표준을 마련하고 있다. 적층제조는 군에서 사용 중인 장비와 군수품의 단종·수급애로 부품 제작에 널리 활용되고 있는데 우리 군은 지난 3년간('20~'22) 2만2천여 점의 부품을 적층제조로 제작해 약 20억원에 달하는 예산을 절감했으며 특히 조달 기간을 대폭 감축시키는 효과를 거뒀다.

국방력 증진을 위해 금속 적층제조 기술이 확산되기 위해선 군에 적용가능한 규격·표준화 연구가 필수다. 특히 국방표준화를 통해 금속 적층제조 부품이 표준이나 기술규정에 적합하다는 인증을 획득하는데 유리해지면 민간에서의 부품 조달이 가능해지면서 출력서비스 사업도 활성화 될 수 있다.

‘우주·항공·방산분야 금속 적층제조 규격 표준화 연구’ 사업에 참여 중인 정효연 생기원 박사는 이날 ‘방산부품 표준화 및 경쟁력 강화를 위한 금속 적층제조 및 소재기술’ 주제발표를 통해 “금속 적층제조 국방표준화 개발은 국방 기술의 혁신을 이끌고 국방자원의 효율적 운용과 방위력 증강에 기여할 것”이라며 “이에 앞서 금속 적층제조 적용이 필요한 수요부품 발굴과 성능 검증 노력이 선행돼야 한다”고 강조했다.

첨단 합금소재·코팅 토털 솔루션 전문기업 ㈜이엠엘(EML)의 박은수 대표는 ‘니켈기 초내열합금 분말 제조 및 적층제조 부품화 기술’을 주제발표 했다.

우주항공, 에너지, 방산 등에서는 높은 온도를 견디는 초내열합금에 대한 수요가 늘고 있다. 초내열합금을 대표하는 니켈계 초내열합금 중 IN(INCONEL)718은 니켈을 기본으로 크롬, 몰리브덴, 탄탈럼 등 희소금속을 넣어서 만든 것으로 1500℃ 이상의 온도를 견디면서 강도도 높아 항공엔진에 가장 많이 사용되고 있으며 로켓동체, 엔진 주요부품, 열교환기 및 리엑터 등 다양한 부품으로도 쓰이고 있다.

가스터빈의 경우 단종 및 조달애로 부품 적기 수급과 함께 형상가공이 어려운 고온부품 및 고기능 혁신부품 확보를 위해 적층제조가 적극 도입되는 등 적층제조용 니켈계 초내열합금(IN718) 분말에 대한 수요가 늘어나고 있다.

이에 이엠엘은 경기도 화성공장에 직접 설계해 제작한 EIGA(Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization)와 VIGA(Vacuum Induction Melting Inert Gas Atomization) 장비를 통해 지난 2월부터 IN718 분말을 월 1톤 이상 생산해 공급 중이다.

이엠엘은 EIGA 장비로 생산하는 PBF용 금속 분말의 품질을 높이고자 연구개발을 통해 산소, 질소 등 불순물을 극저로 제어했으며, 400℃의 고온 가스를 사용해 수율을 70% 이상 향상시키고 가스 소모량도 25% 감소시켰다. 박은수 대표는 “초기 분말의 불순물 함량과 미세조직 제어를 통해 1,366MPa에 달하는 우수한 강도와 20.1%의 연신율을 가지는 IN718 적층재의 제조가 가능하다”고 밝혔다.

적층제조 부품을 제대로 사용하기 위해선 적층 후 서포트 제거, 열처리, 표면처리, 도장·도금 등 후공정과 비파괴검사, 기공 유무 확인, 검사 등 품질관리가 필수다. 이러한 후공정과 품질관리를 서비스하고 있는 자이브솔루션즈의 전호성 부장은 ‘금속 적층공정의 후공정 기술’ 주제발표를 통해 “적층제조 부품을 목표하는 수준으로 표면조도와 물성을 달성하기 위해서는 올바른 후공정 전략수립이 필수”라며 “적층제조 공정 특성상 발생할 가능성이 높은 결함에 대한 검사는 CT가 가장 효과적이고 경제적”이라고 강조했다.

국방·항공분야의 경우 적층제조 부품의 내부결함을 제거하기 위해 특수 제작된 용기 안에서 고압의 가스분위기와 온도를 가열해 성형하는 열간등압성형공정(HIP) 기술이 사용된다. HIP을 통해 부품 피로수명이 약 10~100배가 향상되고, 연신율 향상, 부품 가공성과 표면 거칠기 개선 등도 부가적인 효과다. 이에 HIP은 처음엔 핵연료 제조공정용으로 개발됐으나 장비 대형화와 공정단축기술 개발로 항공·발전 및 해양 부품에 50% 이상 적용되고 있으며 금속 적층제조 부품의 기계적 특성을 크게 향상시키는 후공정기술로 자리매김하고 있다.

경북 경산에서 HIP 공정 서비스를 하고 있는 코힙스테크의 김용진 박사는 “HIP 공정의 장점을 국방 관련 부품제조에 적극적으로 적용해 부품의 수명과 신뢰도를 향상시킨다면 세계적으로 우수한 국방 장비 생산 경쟁력을 확보할 수 있을 것”이라고 강조했다.

▲ ‘국방 3D프린팅 특별세션’ 참가자들이 기념촬영에 응하고 있다.