中 금속 적층제조, 정책적 투자·수요산업 뒷받침 성공적 생태계 구축

◇연재순서

1. 대형화된 PBF 장비의 기술 이슈와 지속 성장 가능성

2. 폴리머 적층제조의 지속 성장을 위한 소재개발 방향

3. 고수율 금속분말 제조 기술의 방향

4. 신뢰성 확보를 위한 항공 부품의 적층제조 응용분야의 확대

5. 대량 생산을 위한 바인더젯(BJ) 기술의 극복 방안

대형 부품 양산 위한 레이저 제어·분말 자동이송 장치·AI 검사 등 탑재

출력물·장비 수준 개선 필요, 저가 보급형 장비 메이커 확대 가격파괴 예고

◆금속 적층제조 대형·고속화에 따른 기술적 이슈(씨와이오토텍 조재형 소장)

▲ 씨와이오토텍 조재형 소장

이번 TCT 아시아 2025’에서는 다중 레이저 금속 적층제조 기술, 미터급 대형 부품 출력, 고속 프린팅 등 다양한 신기술과 혁신적인 응용 사례가 소개됐다.

특히, 중국의 주요 제조사들이 순수 구리 및 구리 합금 출력, 대형 로켓 엔진 부품 출력 등 첨단 기술을 선보이면서 적층제조 기술의 발전과 산업 적용 확대 가능성을 보여주었다.

대부분의 금속 적층제조 장비제조사들은 4~12개 이상의 레이저를 장착한 장비를 전시했는데, 이렇게 많은 대형 장비가 출시되는 것은 중국 장비 회사 간의 경쟁적 과시일수도 있지만, 중국 적층제조 산업의 16.7%가 우주항공 분야여서 산업에서 요구하는 대형부품의 제작에 특화됐다는데 원인을 찾을 수 있다.

전시회를 둘러보면서 대형 금속 적층제조 장비 및 연관된 다수의 레이저 장착 장비의 관련 기술 이슈 내용을 정리해봤다.

첫째로 다수의 레이저를 배치 가능한 최적화한 스캐너 광학계 모듈기술이다. 중국은 탄탄한 광학기술을 바탕으로 CARMAN HASS社등 많은 광학 부품회사들이 이를 제품화해 판매하고 있다.

둘째는 레이저 스캔헤드의 가공영역간의 중첩구간에서 발생하는 레이저간의 광학적인 균일문제(Stitching 현상)와 레이저 가공위치 오차를 극복하면서 동시에 여러 개의 가공 헤드 구간을 하나의 제품영역에서 구현하는 제어 기술이다.

전시회에서 BLT社와 FarSoon社의 경우 자체 레이저 가공위치 문제를 해결하는 제품( BLT-AutoCAL 등)과 다수의 스캔헤드를 제어하는 경로 생성 BP(Build Process) 소프트웨어를 가지고 있다. 국내에서도 다수의 레이저 장착 문제를 해결한 제품이 씨와이오토텍 등에서 판매되고 있다.

▲ 교차 가공을 통한 Stitching 문제 해결안 예시

셋째는 대형 금속 적층제조 장비는 대수의 레이저 장착으로 인해 소요되는 금속 분말이 많기 때문에 이를 재생 및 이송하는 장치가 필수적이라는 점이다. 독일계 장비는 분말 이송장치가 별도로 장착된 경우가 거의 없고, 특별한 장비의 경우 장비 1대당 시빙(체질) 장치와 분말이송 장치가 개별 배치돼 있다.

하지만 1대의 분말 시빙장치의 시빙능력은 보통 레이저 10개 이상이 적층하는 금속 분말을 초과한다. 장비의 효율성을 생각하고 대량양산을 위해서 수백대의 금속 프린터를 공장에 배치한다면 1대의 시빙기와 몇 대의 금속 프린터를 배치하는 것이 이상적이다.

전시회에 출시된 중국 장비는 대부분 금속분말 이송 장치가 장착돼 있다. 대량 양산공장 배치시 소수의 금속 분말 시빙기를 배치하고 다수의 금속 적층제조 장비는 분말 이송 및 재공급만하는 개념이다. 이러한 관점으로 본다면 중국에서 생각하는 금속 적층 양산 공장의 크기 개념이 유럽보다는 앞서간다고 볼 수 있다. 국내에서는 대건테크, 씨와이오토텍의 장비에 금속분말 자동 이송장치가 적용되어 있다.

넷째는 대면적 가공영역에서의 발생하는 금속 적층시 발생하는 그을음과 Spatter를 제거할 수 있는 균일한 Flow이다. 물론 이 기술은 그을음을 제거하는 집진기 기술과 연관이 되며 여러 개의 레이저 가공에서 발생하는 dust를 장기간 집진 필터 교체 없이 사용가능한 집진기 기술을 필요로 한다. 전시회에서는 beijing Clean Air tech社 등에서 필터 관련 모듈 제품을 전시하였다.

현재 니콘-SLM社의 NXG XII 600 모델은 12개의 레이저가 장착되어 있고. E-plus-3D社 장비인 ‘EP-M2050’는 최대 64개의 레이저 장착이 가능하다. 이렇게 많은 레이저가 필요한 것은 L-PBF 장비의 약점인 적층 속도와 크기를 보완하기 위한 것으로 지속적인 기술개발이 필요한 분야이다.

국내에서 대형 산업용 금속 적층제조 장비로 많이 쓰이는 것은 레이저가 4개인 E社의 장비다. 아직 대형 장비는 금속 분말이 대량으로 필요하다는 경제적인 문제와 대형 금속 적층시 발생하는 응력으로 인한 많은 기구적이며 설계적인 숙제가 남아 있다

그리고 이러한 문제를 해결하는 방안으로 인공지능(AI)이 적용되고 있다. 전시회에 출품한 Diligine Photonics社는 AI를 통한 금속 적층검사를 진행하고 있고, 국내에서도 대경 생기원, 씨와이오토텍, 전자기술연구원등에서 공정 개선에 AI를 적용해 좋은 결과를 도출하였다.

이제 금속 적층제조의 가장 어려운 분야인 공정 설계와 DFAM(적층제조특화설계)에 AI가 적용 된다면 과거 FDM 3D프린터가 개선된 방향을 금속 적층제조도 따를 것이라 판단된다. 현재 누가 FDM 프린팅을 하면서 장비 셋팅을 고민하고 공정 실패를 걱정하고 있는가?

그리고 이것이 금속 적층제조에 적용된다면 그 파급 효과는 다품종 금속 생산품의 스마트팩토리 또는 다크팩토리(Dark Factory:자동화된 장비가 24시간 운영)로 구현되어 금속 적층제조 산업이 만개할 수 있다고 판단이 된다.

▲ FarSoon社의 분말 이송 및 자동공급기(左)와 씨와이오토텍社의 이송기 원리(右)

◆중국 적층제조 산업 특징과 우리의 대응 방안(대건테크 김우종 본부장)

▲ 대건테크 김우종 본부장

필자가 몸담고 있는 대건테크는 정보 취득과 시장 조사를 위한 해외출장 기회가 타 회사보다 많은 편이다. 이런 점은 회사의 신기수 사장님께 늘 감사드린다.

올해 전시회를 참관하며 느낀 중국 적층제조 기술의 특징을 짚어보자면 첫째, 중국의 대형 금속 PBF 장비 기업들의 도약이다 BLT를 선두로 50여개 중국 장비기업들이 서로의 기술을 소개하는 자리가 있다는 것에 상당히 부러움을 느꼈다. 역시 시장이 있는 곳에는 기업이 있구나, 우리나라는 왜 장비를 제조하는 기업이 없는지를 다시 한번 생각하게 만드는 시간이었다.

BLT, Farsoon으로 대표되는 중국기업 외에도 Kangshuo, E-plus-3D, HBD, XDM 3D, Uniontech 등 이름이 생소한 많은 중국 기업들이 자신들의 제품의 기술을 소개하는 것을 보고 장비 업체의 입장에서 상당한 부러움과 위기감을 동시에 가지게 되었다.

둘째, 적층제조 장비 제작업체 외에도 부품을 공급하는 레이저 제조업체, 스캐너 광학기 제업체, 프로그램 제조업체 등 적층제조 산업 생태계가 구축돼 있다는 점이다. 소재·부품·장비·서비스 등 적층제조 산업 자체가 자생할 수 있는 생태계를 보유하고 있는 것이 정말 인상적이었다. 장비와 소재 업체 외에 이렇다 할 기업을 찾아 볼 수 없는 우리나라의 적층제조 산업 생태계도 빨리 변화됐으면 하는 바람이다.

셋째, 정부의 대폭적인 지원을 통한 신규 시장 창출 및 산업 생태계 구축이다. 중국 정부의 전폭적인 지지를 받는 BLT를 중심으로 장비기술을 개발하면, 그 개발된 기술을 후발 주자들이 따라와서 일정한 수준의 시장 기술을 갖추고, 이것을 바탕으로 시장 생태계를 만들고 분말, 후처리 기업들이 성장하는 등 산업 생태계를 조성하는 시스템이 잘 되어 있었다. 우리나라의 경우 외국 장비 도입이 95% 이상이다 보니 국내 기업의 기술력을 향상시키기 위한 정부의 지원이 너무 적은 것이 가장 큰 아쉬움이다.

▲ 중국 BLT는 대형 금속 적층제조 장비와 우주항공 부품을 전시했다.

이런 어려움에도 불구하고 우리나라 적층제조 기업이 살아갈 수 있는 길이 보인다는 것은 하나의 위안이다.

우선 장비의 출력물 수준이다. 전시회에 출품된 출력물의 품질을 자세히 살펴보면 곳곳에서 품질의 결함이 많이 보여서 국내 장비에서 생산되는 출력물에 비해 품질이 많이 떨어지는 것이 확연히 보였다. 서포트가 필요 없는 출력물의 경우 품질은 동등하게 보이나 서포트가 필요하고 레이저가 중첩되는 곳의 출력물의 품질은 국내 장비에서 출력되는 품질에 비해 차이를 보이고 있다.

장비의 독창성이 많이 부족하다. 모든 장비가 대형화를 이루기는 했으나 대부분 제조업체의 장비가 BLT와 Farsoon 장비를 모방한 제품이 대부분이고 장비의 운영 기능도 별 차이를 보이지 못하는 것 같다.

대형장비의 필수라고 할 수 있는 분발 공급장치의 경우, 우리나라 제품이 보유하고 있는 챔버내의 분말 자동제거 및 제거된 분말을 장비 내에서 시빙하여 재공급하는 장치를 채택한 장비는 거의 없고 분말 공급과 분말 제거가 따로 이루어지고 시빙을 해서 재공급하는 장비는 없었다.

많은 레이저를 장착했지만 레이저가 담당하는 영역은 별도로 지정되어 있는 등 레이저의 제어가 아직 독일이나 우리나라 수준에 비해 조금 떨어지는 감이 있다. 중국 내수 시장만으로도 적층제조 산업이 운영될 수 있어서 그런지 중국은 아직 해외 시장으로 나가기 위한 준비는 덜 된 느낌이다.

이번 전시회를 통해 대건테크가 개발한 대형 장비 수준이 중국 장비에 비해 우수하다는 것을 확인했으나 이러한 우위가 언제까지 갈지는 미지수다. 지금까지 회사의 타 사업부에서 얻는 이익으로 적층제조 사업에 투자하고 있는 구조가 과연 몇 년이나 지속할 수 있을지 의문이 든다.

현재와 같은 정부의 지원 수준과 적층제조 생태계에서는 5년 안에 대건테크도 적층제조 사업에서 손을 드는 날이 오지 않을까 우려되고 있다. 우리 정부도 중국 정부와 같이 적층제조 생태계 구축에 필요한 대폭적인 지원을 해야 제조업에 미래가 있을 것으로 생각된다.

◆중국 적층제조 산업의 투트랙(대형·보급형) 전략(스타코 정현국 소장)

▲ 스타코 정현국 소장

세계 기술 강국들은 모두 적층제조를 국가 경쟁력을 높이고 미래에 대비해 시급히 발전시켜야 할 선진 제조기술에 포함시켜 새로운 성장 기반으로 육성하고 있다.

특히 중국은 ‘정책+자본’ 투입으로 적층제조 산업화를 촉진하고 있으며, 미국, 유럽 등에 비해 시작은 늦었지만, 자국내 정책 지원 및 항공우주·의료기기·자동차 등 산업에서의 수요 증가에 따라 적층제조 산업은 도입 단계에서 성장 단계로 넘어갔고, 선진국과의 격차가 점차 줄어들어 산업 전반에 대한 적용 단계까지 진입했다.

이에 따라 중국 적층제조장비 제조기업들의 기술수준도 예상보다 더 앞서 나가고 있다. 특히 메이저 업체인 BLT의 경우 300대 이상의 금속 장비를 보유하고, 연구개발 인력을 30% 가까이 확장하며 대형 장비의 품질 수준을 높이고 있다. 이번 전시회에서는 레이저 20개가 장착된 ‘S800’ 모델과 자사 생산모델에 적용한 적층제조 부품, 대형 하이브리드 라디에이터 및 대형 항공기 엔진부품을 전시했다.

HBD는 빌드 사이즈 1600x1600x1750mm의 대형 장비를 런칭했으며, 생산성 향상을 위한 멀티레이저 적용 시 레이저 중첩 구간의 실시간 센서 측정으로 스티칭 라인(이어 붙힌 부분의 중첩으로 인해 보이는 선)의 오차범위를 50마이크론 이하로 관리하는 소프트웨어 기술을 선보였다. 이 기술은 니콘 SLM의 NXG XII 장비에 적용되어 있는 최신기술이다.

또한, 2023년 중국 아너(HONOR)는 접이식 휴대전화 ‘Magic V’을 출시했는데, 이 제품에 티타늄 합금 적층제조 기술을 처음으로 적용했으며, 관련한 휴대폰 힌지 및 스마트워치 프레임 등의 출력 제품을 선보였다.

Farsoon, E-plus-3D 등에서도 우주항공 관련 대형 부품들을 선보였으며, E-plus-3D는 국내 민간 우주발사체 기업인 ‘이노스페이스’에 2대의 중형 장비를 올해 1월부터 공급해 가동 중에 있고, 7월경 1대를 추가 도입할 예정이라고 한다.

▲ Farsoon과 E-plus-3D가 선보인 대형 우주항공 출력물

중국 내에서도 생산단가 절감을 위하여, BLT, HBD, Farsoon, E-plus-3D 등 중국내 메이저 금속 적층제조 장비 업체의 장비보다는 저가의 보급형 장비로 전환하는 추세라고 한다. 그래서 메이저 장비사들은 유럽 및 해외 진출을 노리고 있으며, 중국 내수용으로는 그동안 접해보지 못했던 여러 장비 메이커들이 대거 진출하고 있다고 한다.

치과용 장비로 새롭게 선보인 데스크탑 모델은 영구 필터도 내장되어 있지만 1억 미만의 가격대로 공급이 가능하다고 하는 것을 보면 가격 파괴는 점점 심해질 듯하다.

중국 적층제조 장비 메이커인 H사 관계자에 따르면, “새로운 제조기술인 적층제조가 제조업 적용이 빠른 이유는 적층제조만의 응용 가치가 명확하다는 점과 적층제조가 실제 생산에 적용하기 비교적 쉽다는 점 때문”이라며 “따라서 사용자에게는 장비와 같은 하드웨어뿐만 아니라 응용 분야에 대한 솔루션과 노하우 제공이 필요하다”라고 밝혔다.

중국은 세계 최대 제조 강국으로서 스마트 제조로의 전환을 가속화하고 있다. 이를 위한 적층제조 기술 투자 및 응용 역시 매우 활발하게 이뤄지고 있다. 대한민국 적층제조 관련 기업도 급변하는 중국 스마트 제조 산업의 발전 동향에 관심을 두고, 중국의 스마트 제조 업그레이드 과정에서 파생되는 새로운 비즈니스 기회를 최대한 포착해야 할 것이다.

▲ 중국에서 1억원대 저가 금속 적층제조 장비가 다수 출시되고 있다.