적층제조와 뿌리산업 융복합화, 韓 제조업 첨단·고부가화 이끈다

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)금속 적층제조 소재 기술 및 시장 동향

3)금속 PBF 기술 동향

4)금속 DED(WAAM 포함) 기술 동향

5)폴리머 적층제조 기술 동향

6)에너지·발전 분야 적층제조 응용사례

7)우주항공 분야 적층제조 응용사례

8)뿌리산업 분야 적층제조 응용사례

9)좌담회-적층제조의 미래, 청년이 이끈다

▲ 강민철 3D프린팅연구조합 상임이사

뿌리산업은 부품 제조 분야의 기반 기술이 되는 주조, 금형, 용접, 열처리, 표면처리, 소성가공 기술을 이용하여 ‘원료를 소재로, 소재를 부품으로, 부품을 완제품’으로 생산하는 국가 기반 산업을 통칭한다.

대한민국은 제조업 중심 국가로 GDP대비 제조업이 차지하는 비중이 27.8%로, 독일의 18%, 일본의 20%보다 높으며, OECD 국가 평균의 두 배에 이른다. 제조업은 수출의 84%를 차지하는 국가 경제의 원동력이기도 하다. 제조업 내에서 뿌리산업이 차지하는 비중은 약 20.9%로 대한민국 제조업에서 중요한 역할을 하고 있다.

그러나 뿌리산업이란 용어를 사용하기 전, 3D(Difficult, Dirty, Dangerous) 산업이란 용어가 먼저 보편화 되었는데, 열악한 제조 환경으로 인해 기피 산업으로 인식되었었다. 숙련자들의 노령화와 저출생으로 인한 인구구조 변화는 인력난을 심화시키고 있어 이를 대체할 외국인 근로자의 비중이 증가하고 있다. 이를 해결하기 위해 제조환경의 개선뿐만 아니라 고부가가치 아이템으로의 전환이 필수적으로 이루어져야 한다.

따라서 본 기고에서는 뿌리산업의 활성화를 위해 적층제조 기술을 도입하여 생산성을 향상시키고, 산업 패러다임의 변화에 따른 주조 산업의 위기를 극복하기 위한 하나의 대안을 제시하고자 ‘폼넥스트 2024’에서 본 혁신 사례를 소개하고자 한다.

■고품질 주조 및 생산성 향상에 기여하는 적층제조

주조란 금속을 액체상태로 녹인 후 용탕을 거푸집에 주입하고 이를 식혀 부품을 만드는 기술이다. 이 주조의 역사는 금속의 역사와 함께한 오랜 전통 기술이다.

금형 즉 거푸집을 제작하기 위해서는 부품의 원형이 되는 목형을 깎아 만들어야 하고 이 목형에 모래(또는 점토 등)를 씌워 다시 거푸집을 만들어야 하는 복잡한 단계가 존재한다. 그러나 모래를 바인더 제팅(BJ)이라는 방법으로 3D프린팅하면, 복잡한 단계 없이 바로 거푸집을 만들 수 있다.

이 기술은 용탕 주입시 발생하는 내부 가스의 효율적인 배출이 가능하고, 거푸집의 제거도 용이하게 설계할 수 있어 고품질 주조가 가능하다. 국내 해군정비창 등 여러 업체에서 이 기술을 사용하고 있으며, 부수적으로 목형과 금형의 보관 문제, 납기 단축 등의 효과를 보이고 있다.

정밀주조에서 기존 왁스를 금형에서 제조하는 것이 아니라 왁스와 유사한 잘 녹는 재질의 폴리머를 적층제조하여 정밀부품을 생산이 가능하다. 최근 발포 플라스틱을 적층하는 소실모형 주조(Lost Foam Casting) 기술도 3D시스템즈社에서 소개됐다.

■적층제조, 사출금형 냉각효율 향상 및 고부가화 적용 확대

▲ 알루미늄 다이캐스팅 부품 제작을 위한 인서트 몰드의 사례(사진: 3D프린팅연구조합)

플라스틱 사출 방식을 이용하여 만들어지는 부품의 제조 공정을 보면, 공정의 가장 많은 시간을 차지하는 공정이 사출금형내의 플라스틱을 식히는 공정이다. 통상적으로는 몰드를 수냉시킨다.

그러나 냉각수의 라인을 제대로 배치하지 않으면 원하지 않는 온도 차이가 발생하게 되어 부품의 치수나 형상 변형이 일어난다. 이를 극복한 기술이 입체 냉각(Conformal Cooling) 기술이다.

입체냉각몰드(Conformal cooling Mold)는 10여년전부터 사출금형에 사용되었고, 금속소재의 고강도 고경도화에 따라 최근 다이캐스팅에도 금형 전체가 아닌 인서트 몰드에 널리 사용되고 있다.

입체냉각몰드는 일반적인 금형과 달리, 주입된 소재의 냉각을 위한 냉각채널이 제품 형상에 맞추어 설계된 것으로 기존 직선형 채널에 비해 복잡한 형상의 냉각채널의 설계가 가능하다. 따라서 냉각수가 표면을 따라 냉각되어 열 변형과 수축 불균형을 최소화할 수 있다.

이미 국내에도 금형 제작이 가능한 분말베드융해(PBF) 기술이 보편화되어 있으나 수요업체에서는 확산은 더딘 편이다.

이번 전시회에서는 플라스틱 사출 및 금속 다이캐스팅 제품의 고부가가치화를 위해 확산되는 추세이며 대형화된 금형 및 구리 소재를 사용하여 도가니를 제작하여 냉각효율을 높인 것이 눈에 띄었다. 중국의 HBD社는 베트남, 튀르키예 등 신발금형 제작사에 다수의 PBF 장비를 판매한 바 있다.

또한 금형의 수리유지 보수와 고열이 발생하는 영역의 내구성 향상을 위해 고에너지직접 융사(DED) 기술의 개발 사례도 인스텍 등에서 전시한 바 있다. 아울러 사출 및 주조 뿐만아니라 향후 단조금형까지 적용 확대가 기대된다.

▲ 전자빔으로 적층한 구리 소재의 도가니(사진: 3D프린팅연구조합)

■절삭가공용 공구 수명 연장 및 속도 향상

▲ Trumpf社에서 소개한 절삭유 공급 채널을 채용한 드릴(사진: 3D프린팅연구조합)

적층제조와 반대 개념인 절삭가공에 있어서도 드릴, 밀링 등의 적층제조 사례도 자주 소개가 되고 있다. 절삭에 항상 문제가 되는 것은 마찰열에 따른 공구의 마모와 수명 단축이다. 절삭유는 냉각 및 마찰을 줄여주는 기능을 하나 공구와 피삭체에 직접 공급되어 그 효과가 떨어진다.

그러나 적층제조로 제작된 공구는 드릴 중앙 부에 홀을 통해 절삭유가 공급되는 형태로 설계되어, 냉각효율이 높다. 공구 수명을 연장시키고 절삭 속도는 높이는 효과가 있다.

■연료 예열 부품 효율성↑

▲ 소각로 폐열회수 장치인 Radial Recuperator(사진: 3D프린팅연구조합)

기존의 열교환기는 높은 온도를 낮게 유지하기 위해 냉각유로를 복잡하게 하거나 표면적을 넓히는 방법을 채용한다. 그러나 오히려 예열이 필요한 장치도 필요하다. 이번 전시회에서는 연료 분사 효율을 높이기 위해 연료를 예열하는 제품이 다수 소개되었다.

그 외 고온의 가스를 이용하여 연소로 등에 공기의 예열함으로써 에너지 저감과 환경보전에도 기여하는 설비도 다수 소개됐는데, 과거에 이러한 설비는 주조, 가공 및 용접 등의 복잡한 공정이 요구되었으나 이제는 적층제조 기술을 이용하여 간단하게 35%의 연료를 절약한다고 한다.

▲ 가열된 오일을 복잡한 유로를 형성하여 항공유를 예열하기 위한 부품(사진: 3D프린팅연구조합)

▲ 금용기계에서 소개한 선박용 엔진의 Pre-chamber 부품(사진: 3D프린팅연구조합)

■적층제조, 디지털 제조 전환의 핵심

적층제조 기술이 당장 기존 뿌리산업 모두를 대체할 수는 없다. 기존 기술 분야는 오랜 세월 구축된 풍부한 인력과 노하우, 인프라와 감각 상각 상의 유리함 등으로 인해 여러 측면에서 유리함을 가진다.

그러나 노동에 대한 인식의 변화, 인력 구조의 변화 그리고 인공지능과 로봇의 등장은 제조의 패러다임을 디지털로 뿌리 채 흔들고 있으며, 디지털 제조와 스마트 제조는 이제 더 이상 피할 수 없는 현실이다. 디지털 제조로의 전환에서 적층제조는 필수이다. 현재는 고부가가치 부품에 집중되어 있는 적층제조 기술도 점차 중부가가치 부품분야로 확대될 전망이다.

요즘 글로벌 국방산업에서 우리나라가 선전하고 있는 모습을 보면, 우리나라도 우주항공, 방산, 생명 등 고부가가치 산업에서 강국으로 발전할 수 있음을 믿게 된다. 그러자면 현재 우리 산업에서 정말 뿌리와 같이 중요한 역할을 하고 있는 뿌리산업의 첨단화가 필수적이다.

제조업 강국으로 변모해가고 있지만, 당장 현실로 존재하는 뿌리산업의 첨단화도 필요하다. 기존 뿌리산업을 전통에서 첨단으로, 3D 기피 직종에서 디지털 첨단 직종으로 변모시키는데에는 디지털 제조 기술이 필수적이며, 적층제조 기술은 가장 대표적인 디지털 제조 기술로 자리매김하고 있다.

특히 기존의 전통 뿌리기술로는 제작이 불가능한 신제품을 개발하는 것도 제조 강국을 유지하고 신산업을 육성하는데 필수적이다. 적층제조라는 새로운 디지털 기술이 뿌리산업과 잘 접목돼 성장판이 닫힌 대한민국 제조업의 화려한 부활에 기여하길 기대해본다.

▲ 인공위성 및 공대지 미사일에 사용하는 링 안테나(사진: 3D프린팅연구조합)