적층제조 소·부·장 향상, 新산업 발전 속도 목도

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 장비 동향

3)금속 적층제조 소재와 시장 동향

4)폴리머 적층제조 소재와 장비 동향

5)우주항공용 적층제조 응용사례와 전망

6)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

■좌담회 참석자

▷창원대 김정태 연구원

▷한화에어로스페이스 김지윤 연구원

▷대건테크 김태훈 연구원

▷세아창원특수강 김형상 대리

▷서울항공화물 박승민 팀장

▷3D프린팅연구조합 안지모 주임

▷3D프린팅연구조합 최상훈 선임

안지모(사회) ■이번 폼넥스트를 참관한 된 동기와 소감을 말씀해주시고 참관을 통해 얻은 새로운 정보나 경험에 대해 말씀 부탁드린다

▷김지윤: 항공우주산업의 우주용 대형 부품 제조에 사용되는 DED 장비 개발 현황 등 항공엔진 선진사의 적층제조 개발 사례 및 방향을 알아보고자 참여했다.

이번 전시회에는 대형부품 제조업체로 중국이 많이 출품했다. BLT, FARSOON, EPLUS 3D 등은 연구개발용부터 대형부품 제작 3D프린터까지 다양한 장비를 개발해왔으며, 항공우주 분야에서 로켓엔진의 열교환기 및 연소기 챔버 등 적층 부품을 선보였다.

또한 Cladding 기법과 유사한 WAAM(Wire Arc AM) 기법으로 금속 와이어를 사용하여 정밀 성형(Near Net Shape)으로 제작 후 가공함으로써 효과적인 재료 절감 사례를 볼 수 있었다.

▷박승민: 서울항공화물은 적층제조용 금속분말 유통사로, 세계 소재 시장 조사를 위해 폼넥스트를 격년마다 참석하고 있다. 2년 전과 비교해보면 금속분말 품질의 상향 평준화와 금속장비의 정밀화가 이루어졌다고 생각한다.

2년 전까지만 해도 장비 제조사의 활발한 소재 연구를 통해 내열용 구리 합금인 GRCop-42, 내열용 타이타늄 합금인 Ti6242 등 기존 소재를 적층제조에 활용하려는 노력이 있었다면, 최근에는 장비의 하드웨어 및 소프트웨어적 업그레이드를 통해 물성과 적층속도 향상에 주력하는 모습을 보였다.

또한, PBF 장비의 대형화 및 DED 장비의 정밀화가 이루어지고 있다고 느꼈으며, 트럼프(TRUMPF) 등에서는 이종소재 적층 공정 활용도 크게 증가했다.

▷김정태: 국립창원대학교는 최근 다양한 종류의 금속 적층제조 장비를 구축하고 있으며 적층제조에 대한 많은 관심과 지원으로 성장하고 있다. 적층제조분야의 세계적 전시회인 폼넥스트를 통해 최신 트렌드를 살펴보고 운영에 필요한 전문적 지식을 습득하고 응용함으로써 적층제조 기술 발전에 도움이 되고자 참관하게 됐다.

이번 전시회 참관을 통해 적층제조의 최신 정보와 노하우를 직접 확인함으로써 운영하고 있는 장비의 활용 폭을 넓힐 수 있게 되어 좋았다. 특히 다양한 열교환기 정보를 접할 수 있어 진행하는 연구에 많은 도움이 됐다.

▷김형상: 철강업에 종사하는 구성원으로서 금속 소재의 미래 방향이 어떻게 흘러가고 있고 적층제조 기술이 새로운 산업으로서 태동하는지를 직접 눈으로 확인코자 이번 전시회에 처음으로 참여하게 됐다. 항공, 발전, 의료 등 많은 분야에서 이미 많은 제품이 양산되고 있고, 앞으로도 계속해서 금속 이외의 다양한 소재, 기술의 발전을 앞세워 적층제조 산업의 발전 가능성이 매우 높다는 것을 느낄 수 있었다.

■적층제조시대에 접어들면서 기업들에서 많은 전시물을 보여주었는데 이번 전시회에서 특히 눈에 띄는 소재, 기술, 응용 분야가 있다면 말씀 부탁드린다

▷최상훈: 전시회에서 특히 눈에 띄었던 부분은 자동화 기술 부분이었다. 대표적인 예로 HP사의 Jet Fusion 3D 파우더 핸들링 솔루션이나 자율 이동 로봇을 통한 자동화 시스템이 눈길을 끌었고, AM solutions, 폼랩(Formlabs) 등 다양한 기업에서 다양한 후처리 장비를 출시하면서 단순히 3D프린팅 출력 뿐만이 아닌 전체 프로세스에 대한 자동화가 이루어지고 있음을 알 수 있었다.

이 외에도 항공우주, 자동차, 의료기기 등 다양한 산업분야에 적용 가능한 대량 생산 솔루션이 전시됐으며, 이를 통해 해당 산업의 특정 요구사항에 맞춘 맞춤형 솔루션에 대한 가능성을 확인했다.

▷김지윤: 전시회에서 GE Additive는 EBM(Electron Beam Melting) 기법과 point melt 기술을 사용하여 support free, consistent properties, No start plate 등 세 가지의 키포인트를 설명했다.

EOS는 최근 ‘Smart Fusion’ 기술을 도입했으며, 광학 단층 촬영(Optical Tomography) 카메라로 파우더 베드에 흡수된 레이저 에너지를 측정하여 열 분포를 모니터링하고 다음 레이어 적층 시 실시간으로 균일한 열 분포를 유지하도록 레이저 출력을 조절했다.

TRUMPF는 기존 원형빌드 플레이트(Build Plate)를 사용하였으나 이번에 사각 빌드 플레이트를 선보였고, 빌드플레이트 나사 결합부를 측면(옆면)에 위치시켜 적층 공간범위를 넓혔다.

▷김형상: GE Additive에서 장비의 업그레이드 없이 소프트웨어만으로 적층 성능을 개선할 수 있음을 인상 깊게 보았다. 구체적으로 파라미터(Parameter) 최적화로 레이저를 조사하는 경로를 최적화함으로써 동일 시간에 제작할 수 있는 성능을 작년 대비 30% 향상시켰다.

이는 테슬라의 전기차, 애플의 아이폰과 같이 소프트웨어의 업그레이드만으로 기계 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주는 것으로 지속적인 자본지출의 투자 없이도 성능개선이 가능하다는 점이 인상 깊었다.

■적층제조 기술은 대형, 대량 생산 기술로 자리매김하고 있으며 다양한 소재와 방식이 개발되고 있다. 이러한 기술을 제조 공정에 보다 확산시키기 위해 개발자 또는 사용자 입장에서 가장 필요한 것이 있다면

▷김태훈: 가장 필요하다고 느낀 것은 출력 진행 중 지속적으로 모니터링하는 기술이다. 왜냐하면 출력을 진행하는 과정을 계속해서 지켜볼 수도 없기 때문에 화상 카메라나 인공지능 카메라를 사용하여 레이어마다 출력 상태를 확인하고 어느 부분이 문제가 생겼다는 표시가 있으면 출력을 중단하거나 해서 파우더를 낭비하는 경우를 줄일 수 있다고 생각하기 때문이다.

▷박승민: 적층제조 기술로 대체할 수 있는 부품과 공정을 찾는 것이라고 생각한다. 적층제조 기술은 부품만 가져가면, 도면만 있으면 뚝딱 만들어내는 기술이라기보다 정밀화, 내부구조 구현 등 특수한 목적을 실행하기 위한 공정이다. 사용자가 적층제조 기술을 제대로 이해하고 접근한다면 더욱 빠르게 기술 확산이 이루어질 것이라고 생각한다.

▷최상훈: 대형, 대량 생산기술과 다양한 소재 및 방식이 제조공정에 확산되기 위해서는 제품 품질의 일관성 보장, 효율적인 생산 비용, 교육과 기술 전파가 핵심적인 요소라고 생각한다. 제조공정에서 발생할 수 있는 오류를 최소화하고 최종 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 정밀한 품질관리 시스템과 검증도구가 필요하다.

이를 통해 고품질을 보장하는데 중요한 역할을 할 것이며, 대량 생산을 경제적으로 실현하기 위해 장비와 소재의 비용을 낮추고 생산 효율을 높이는 솔루션이 필요하다고 생각한다.

마지막으로, 적층제조 기술의 효과적인 활용을 위해서 교육과 기술 전파가 필수적이라고 여겨진다. 사용자들이 이 기술을 이해하고 적절히 활용할 수 있도록 지원하는 교육 프로그램과 자료가 중요하며, 이를 통해 적층제조 기술의 더 넓은 적용과 발전을 기대할 수 있을 것 같다.

▷김정태: GE Additive 부스에 방문하였을 때 사용자 입장에서 가장 공감이 가고 매력적인 기술 발전 방향을 소개했는데, 소재의 가격 경쟁력을 향상시키기 위해 품질이 떨어지는 소재로도 출력이 잘될 수 있게 개발하는 것이었다.

적층제조 기술은 복잡한 형상 제조가 가능하고 탄소배출이 적어 친환경적이며 소재, 장비, 설계 도면만 있으면 언제 어디서든 부품 제작이 가능한 아주 매력적인 장점이 있지만 아직 고부가 가치 품목에 한정되어 있다. 소재의 원가 경쟁력만 확보된다면 기존의 제조품을 폭넓게 대처할 수 있고 더욱 다양한 아이템에서 적층제조 기술을 활용할 수 있을 것이라 예상한다.

▷김형상: 적층제조 기술은 기존 가공기술 대비 다품종 소량 생산에 용이하고, 어려운 형상의 제품제작에 용이하다는 장점을 가지고 있다. 개발자 입장에서 제조원가의 절감을 지속적으로 추구한다면 적층제조 기술의 공정 확산은 훨씬 용이할 것으로 생각한다. 구체적으로 후처리 공정에서 품질 균일화나 후처리 공정의 간소화 또는 공정생략까지 이어진다면 원가절감의 노력이 달성될 것으로 예측한다

▲ 금속 3D프린팅으로 제작된 Recuperator. Recuperator는 각종 공업로에서 배출되는 배기가스가 보유하는 열을 회수하는 설비로 설치시 20~35%의 연료 절감 효과가 있어 에너지 비용 감소 및 환경보호 효과가 크다.

장비 정밀화·대형화·자동화, 가격 경쟁력 갖춘 양산 솔루션 자리매김

소재 국산화 위한 부품 시험·평가·인증 기술 및 부품 양산 목적 장비 개발 필요

■우리나라는 적층제조 인재를 양성하고 새로운 디자인과 설계를 사업화할 서비스 기업이 부족한 상황이다. 이번 전시회에서 벤치마킹할 만한 사례를 소개해 주시고 서비스산업 활성화를 위한 조언 부탁드린다

▷김정태: 독일에 방문한 우주항공용 기계가공 업체인 Rosswag GmbH에서는 가공 부산물인 절삭칩을 활용하여 아토마이징(Atomizing) 장비를 통해 다시 금속분말을 생산하는 자원 재활용 구조를 보고 아주 흥미로웠다.

특히나 창원대가 위치한 창원의 첨단기계국가산업단지에서 대량 발생하는 가공칩을 금속분말로 만들고, 그 분말을 적층제조를 통해 새로운 제품으로 선순환시킬 수 있다면 환경적이나 경제적 측면에서도 아주 긍정적일 것이며, 적층제조도 활성화되어 운영 또는 디자인 설계할 수 있는 인재들이 활약할 양질의 일자리가 늘어날 것이라 생각한다.

▷최상훈: 항공·우주분야의 사례를 예로 들면 EOS의 계열사인 AMCM가 있었다. 이번에 소개한 주요 기술은 L-PBF 기술을 사용하는 AMCM M 8K 금속 장비였는데, 이 3D프린터의 주요 응용분야는 아리안그룹의 프로메테우스 로켓 엔진을 위한 대형 연소실 제작이라고 하였다. 3D프린터를 통해 제작한 연소실이 2024년 말까지 아리안그룹으로 전달될 것이라고 소개해 주었다.

이 외에도 다양한 산업분야에 구체적인 활용사례들을 소개했고, 전시회 현장에서 다양한 기업들이 서로 협력하여 산업별 요구사항에 맞는 3D프린팅 솔루션을 제시해주는 모습들을 볼 수 있었다.

국내에서도 다양한 산업 분야의 수요를 파악하고 적극적인 협업 및 네트워킹을 시도한다면 3D프린팅 전문인력 양성과 서비스 산업 활성화에 큰 도움이 될 것이라 생각된다.

■우리나라는 장비, 소재 등 국산화를 어느 정도 달성했으나 아직은 국내에서도 국산 장비와 소재보다는 해외 제품을 쓰는 상황이다. 이에 제조 공정 적용과 수출 산업화로 이어질 수 있도록 하는데 필요한 정책적 지원이나 건의사항이 있다면

▷김지윤: 항공용 소재 국산화를 위해 다양한 장비, 소재 및 공정변수에 따른 구조적, 금속학적 데이터베이스 확보가 필요하다. 특히 개발된 소재를 이용하여 항공용 부품을 제작하기 위해서는 항공기 감항 인증의 요구조건 및 항공규격에 따라 소재 시험이 필요하다.

현재 개발된 소재 적용을 위한 인증된 물성 데이터베이스 구축이 미흡하기 때문에 항공용 적층제조품의 시험, 평가, 인증 기술이 필요한 상황이다.

▷박승민: 국산 제품과 해외 제품의 정량적 비교자료가 있으면 좋겠다. 아직은 산업 전반적으로 국산 장비, 소재에 대한 신뢰도가 부족하다. 해외 장비와 국산 장비의 사양과 분말 호환성을 정확히 비교하여 국산 장비의 우수성을 알리면 수출 산업화로 이어질 수 있을 것이라고 생각한다.

▷김정태: 창원대에서 장비 구축 당시에 있어 가장 우선순위로 두었던 것을 보자면 장비의 활용성이었는데, 이를 확인할 수 있는 방법은 어디에서 사용하고 있는지, 무슨 부품을 만들 수 있고 적용할 수 있는지, 상용화가 되었는지 등이었다. 아쉽게도 국내 장비가 해외 장비와 비교할 만한 뚜렷한 성과가 적었다.

장비를 운영하면서 다양한 세미나 및 전시회를 참가하다 보면 우리나라 장비의 기술력이 여타 해외 장비와 비교해도 손색없을 만큼 성장하고 품질도 확보할 수 있음을 확인할 때 안타까움을 느낀다.

따라서 산·학·연·관·군이 하나 되어 특정 생산품 양산 목표를 두고 장비 개발을 하여 국내 장비의 우수성과 신뢰성을 홍보할 수 있는 확실한 성공사례가 만들어졌으면 한다.

▷김형상: 해외 제품과 비교하여 경쟁력을 갖추기 위해 국가 주도로 국산 장비, 소재에 대한 지원이 필요하다고 생각한다. 일례로 전기차에 대한 보조금 방식과 비슷하게 국산 장비·소재 구매 시 보조금을 지원한다면 해외 제품과 경쟁할 수 있을 만큼 가격 경쟁력이 향상될 것이라고 생각한다.

▲ 국내 적층제조 산업이 청년들의 힘으로 JUMP UP 할 수 있기를 기대한다.