“초대형 3D프린팅 및 피지컬 AI 연계 글로벌 첨단제조 솔루션 파트너 도약할 것”

▲ ㈜쓰리디팩토리 최홍관 대표가 WAAM 기술로 적층한 선박 프로펠러를 소개하고 있다.

3D프린팅 ‘장비·생산·데이터’ 통합, 피지컬 AI 융합 자율생산 시스템 품질·생산성↑

세계 최초 5m급 선박 프로펠러 WAAM 제작 추진, 국방·에너지 등 고부가 시장 확대

■쓰리디팩토리가 산업용 초대형 3D프린팅 기술 국산화를 추진해 온 동기는

선박이나 발전설비처럼 집채만 한 부품을 만드는 중후장대 산업은 오랫동안 거대한 금형과 베테랑 숙련공의 감각에 기대어 왔다. 하지만 금형 하나 만드는 데 수개월이 걸리고 숙련공은 해마다 줄어드는 반면, 현장의 주문은 다품종 소량 체제로 급변하고 있다.

도면대로 재료를 쌓아 만드는 대형 3D프린팅이 해법인데, 시중에 나온 초대형 장비는 온통 외산뿐이었다. 진짜 문제는 외산 장비사들이 기계만 넘기고 끝낼 뿐, 제어 프로그램과 데이터가 꽁꽁 묶여 있어 허락된 범위 밖에서는 손을 댈 수가 없다는 점이다. 지정된 전용 재료만 쓰도록 묶어 놓으니, 나중에는 기계 값보다 재료 값에 발목이 잡혀 끌려다니는 구조다. 공정과 소재를 우리가 직접 쥐고 흔들 수 있는 오픈형 장비가 절실했는데 시장에 없어서 직접 만들 수밖에 없었다.

그렇게 탄생한 쓰리디팩토리의 장비는 한 챔버 안에서 뼈대를 쌓아 올리는 적층과 표면을 깎아 다듬는 절삭을 동시에 해낸다. 도면이 바뀌어도 금형을 다시 만들 필요 없이 디지털 데이터만 바꾸면 되는 것이다. 특히 부품 크기와 요구 강도, 단가에 맞춰 유연하게 대응할 수 있도록 금속(WAAM)과 플라스틱, 콘크리트라는 3대 소재를 적층할 수 있는 3D프린팅 라인업을 모두 구축했다.

나아가 장비를 직접 만들고, 그 장비로 부품을 양산하며, 그 과정에서 쏟아지는 현장 데이터로 AI를 학습시키는 ‘장비·생산·데이터’의 수직 통합이야말로 쓰리디팩토리가 가진 가장 강력한 무기라고 자부한다.

■회사는 올해 한·미 국제공동 R&D 사업의 주관기관으로 참여해 세계 최초로 5미터급 선박용 대형 기자재 및 프로펠러를 와이어아크적층제조(WAAM)로 제작 및 실증하는 사업을 본격 추진하고 있다. 회사 WAAM 기술의 차별점과 함께 향후 기대되는 효과는

WAAM 기술은 용접 기술과 로봇 제어를 결합해 금속 와이어를 녹여 한 층씩 쌓아 올리는 금속 3D프린팅 기술의 일종이다. 금형 없이 대형 금속 부품을 만들 수 있고 설계 변경에도 유연하게 대응할 수 있는 특징이 있다.

이번에 쓰리디팩토리가 세계 최초로 5m급 선박용 기자재와 프로펠러 실증을 추진하는 것은 조선·해양산업 경쟁력 강화를 위한 매우 중요한 도전이다. 지난 2017년 해외에서 1.3m급 프로펠러에 대한 실증이 이뤄진 이래 10년 만에 진행되는 것이다.

회사 기술의 차별점은 크게 네 가지다. 첫째, 단순 형상은 주조로, 복잡한 형상은 WAAM으로 만드는 하이브리드 제조공정이다. 둘째는 쌓는 것과 깎는 것을 한 장비에서 해내는 적층·절삭 통합 기술이다.

셋째는 층별 공정 데이터를 꼼꼼히 기록하는 데이터 기반 품질관리, 마지막으로 한·미 협력 기관이 함께 발을 맞추는 국제 공동연구 체계를 갖췄다는 점이다.

이로 인한 기대 효과도 명확하다. 금형이 필요 없어 제작 기간과 비용을 대폭 줄이고, 다품종 소량생산이나 쇄빙선용 프로펠러 같은 고난도 선박 기자재로 적용 범위를 넓힐 수 있다. 무엇보다 선박 수리 기간을 획기적으로 단축해 주는 선박 수리·보수(MRO) 분야에도 적극 활용돼, 국내 조선산업의 경쟁력을 높이고 미국의 MRO 시장에 진출하는 든든한 발판이 될 것이다.

우리의 목표는 단순히 세계 최대급 부품을 만드는 데 그치지 않는다. 설계부터 제작까지 해내고, 촘촘한 공정 데이터와 실증 결과로 품질까지 완벽하게 입증할 수 있는 통합 제조 체계를 구축해 조선·해양 분야의 차세대 제조 경쟁력을 확실하게 거머쥐겠다.

▲ 쓰리디팩토리는 로봇 기반 WAAM 기술과 피지컬 AI 기술 융합을 통해 5m급 선박용 기자재 및 프로펠러 제작과 실증에 나선다.(출처:쓰리디팩토리)

■이번 한·미 국제공동 R&D 사업에 선정된 배경에는 회사의 피지컬 AI 기반 3D프린팅 기술이 있다. 관련 기술에 대한 소개와 함께 향후 개발 방향은

피지컬 AI는 숙련공의 경험을 데이터로 학습해 실제 장비를 스스로 제어하는 기술이다. 우리는 이를 초대형 3D프린팅에 적용해 자율생산 시대를 열고자 한다.

대형 금속 3D프린팅은 동일한 경로와 조건을 반복한다고 해서 항상 같은 품질이 나오는 공정이 아니다. 적층이 진행될수록 부품에 열이 축적되고, 형상과 두께에 따라 열이 빠져 나가는 속도도 달라진다.이 때문에 용융 금속이 굳는 과정에서 적층 비드의 폭·높이가 변하고, 과도한 열 변형이나 층간 접합 불량으로 이어질 수 있다.

기존에는 숙련자가 적층 상태를 관찰하면서 이동 속도나 대기시간 등을 조정했다면, 쓰리디팩토리는 숙련공의 판단과 작업 데이터를 학습해 공정을 제어하는 피지컬 AI 기술을 통해 문제를 해결해 왔다.

데이터 확보를 위해 열화상 카메라와 공정 센서 등으로부터 얻는 온도 분포, 층간 온도, 용접 전류·전압, 와이어 송급 속도 및 송급량, 로봇 이동 속도 등을 적층 위치 및 시간 정보와 연결하는 데이터 체계를 구축하고 있다.

단순히 데이터를 기록하는 데 그치지 않고, 어떤 형상과 작업 조건에서 비드 형상이나 품질이 어떻게 달라졌는지를 학습할 수 있도록 만드는 것이 중요하다. 숙련자의 조건 변경 이력과 실제 제작 후 측정·검사 결과도 연결해 AI 판단의 근거를 축적할 계획이다.

제어 측면에서의 핵심은 ‘계측·예측·보정·검증’이 반복되는 폐루프 제어(Closed Loop Control)다. 예를 들어 특정 구간에서 열이 과도하게 축적될 것으로 예측되면, 사전에 검증한 공정 범위 안에서 적층 속도와 와이어 송급량, 용접 조건 또는 층간 대기시간을 조정하는 방식이다.

또한 적층 높이 오차가 누적되는 경우 이를 다음 층의 경로 보정에 반영하는 방향으로 개발하고 있다. AI가 임의로 장비를 움직이는 것이 아니라, 검증된 공정 조건과 장비의 안전 제약 안에서 최적의 작업 조건을 선택하도록 하는 것이다.

앞으로는 공정 모니터링을 넘어 장비가 스스로 판단하고 작업을 분담하는 자율생산 체계로 확대할 계획이다. 이번 5m급 선박용 기자재 및 프로펠러 실증 사업을 통해 숙련공 의존도를 낮추고 품질을 일관되게 유지하는 자율형 3D프린팅 생산 시스템을 반드시 구현하겠다.

■현재 제조업계에서는 AX가 주요 화두다. 로봇, 3D프린팅, AI 등 첨단 기술을 직접 운용한경험을 바탕으로 제조기업이 피지컬 AI 기반 자율형 3D프린팅 생산을 실현하기 위해 반드시 고민하거나 준비해야할 점이 있다면

제조 인공지능 전환(AX)의 출발점은 AI 도입이 아니라, 데이터를 확보하고 현장의 제조공정을 이해하는 것이다. 장비나 AI를 도입한다고 해서 곧바로 자율 생산이 실현되지는 않는다. 장비와 공정, 데이터, 작업자의 경험을 하나로 연결하는 체계가 먼저 갖춰져야 한다.

AX를 위해 필요한 다섯 가지 사항을 꼽아 보자면 첫째, 장비의 온도나 속도 등 공정 데이터를 실시간으로 확보할 수 있는 데이터 수집 환경을 구축해야 한다. 둘째, 수치로 표현하기 어려운 숙련공의 경험과 판단 근거를 디지털 자산으로 전환해야 한다.

셋째, 처음부터 무리하기보다 불량 예측처럼 목표가 명확한 작은 공정부터 단계적으로 자율화를 추진해야 한다. 넷째, 선박 부품처럼 높은 신뢰성이 요구되는 분야를 위해 AI의 판단과 제조 이력을 추적·입증할 수 있는 체계가 필수적이다.

마지막으로, AI가 사람을 대체하는 것이 아니라 숙련공의 역량을 확장하도록 현장 인력의 교육과 역할 전환이 함께 이루어져야 한다.

결국 피지컬 AI 자율생산의 핵심은 장비를 단순히 자동으로 움직이는 게 아니라, 데이터가 스스로 공정을 판단하고 개선하게 만드는 것이다. 기업들은 AI 도입과 함께 인프라와 인력 교육을 동시에 준비해야 진정한 제조 AX를 실현할 수 있다.

▲ 쓰리디팩토리가 개발한 적층·절삭 하이브리드형 초대형 3D프린터(출처:쓰리디팩토리)

■초대형 3D프린팅 기술과 피지컬 AI 기반 3D프린팅 기술이 융합됐을 때 가장 효과가 클 것으로 예상되는 산업군은 무엇인가

조선·해양을 비롯해 국방, 에너지 산업처럼 대형 부품이 필요하고 숙련 기술에 대한 의존도가 높은 분야에서 기술 융합의 효과가 가장 클 것으로 본다.

가장 먼저 주목할 분야는 조선·해양 산업이다. 선박의 대형 부품은 제작에 시간과 비용이 많이 들고 숙련공 의존도가 높은데, 3D프린팅과 피지컬 AI가 결합하면 기간과 비용을 줄이고 품질의 일관성을 높일 수 있다. 신조 선박뿐만 아니라 현장에서 부품을 수리하는 MRO 분야에서도 활용 가치가 크다.

두 번째는 국방 산업이다. 무기체계 부품 단종이나 공급 지연 문제를 해결하기 위해, 검증된 공정으로 필요한 부품을 적시에 생산하고 이력을 관리할 수 있다. 특히 적층과 절삭이 통합된 장비는 제한된 정비 현장에서 매우 유용하다.

세 번째는 풍력·항공 등 에너지 및 첨단 제조 분야로, 복잡한 대형 부품과 치공구 제작의 생산성을 대폭 개선할 수 있다.

결국 두 기술의 융합은 단순히 제품을 크게 만드는 데 그치지 않고, 제조 크기와 품질·공정의 한계를 동시에 극복하는 데 핵심이 있다. 쓰리디팩토리는 우선 조선·해양 분야에서 기술을 확실히 실증하고, 이를 국방과 에너지 등 고부가가치 산업으로 단계적 확대를 추진할 계획이다.

■우리 정부가 제조업 AI 전환(M.AX)에 박차를 가하고 있는 가운데 제조업계에 실질적으로 필요한 피지컬 AI 및 3D프린팅 기술의 고도화를 위해 제안하고 싶은 정책이 있다면

기술개발 지원을 넘어 실증·인증·초기 수요까지 연결하는 정책이 필요하다. M.AX는 소프트웨어 도입을 넘어 실제 장비와 데이터가 현장 성능으로 연결되어야 완성된다. 하지만 초대형 3D프린팅과 피지컬 AI는 막대한 실증 비용과 인증 장벽이 있어 개별 기업의 노력만으로는 상용화에 한계가 있다.

따라서 성공적인 M.AX를 위해서는 다섯 가지 정책적·제도적 뒷받침이 필수적이다. 첫째, 조선·국방·에너지 분야 수요기업이 실제 대형 부품을 검증할 수 있는 공용 테스트베드(실증 기반)를 확충해야 한다.

둘째, 3D프린팅 공정 데이터를 선급 및 국방 분야의 인증에 활용할 수 있도록 품질 검증·인증 체계를 정비해야 한다. 셋째, 보안을 지키면서 제조 데이터를 표준화하고 함께 쓸 수 있는 데이터 공동 활용 체계를 마련해야 한다.

넷째, 성능이 검증된 국산 기술이 실제 발주로 이어지도록 초기 수요 창출과 시범 구매를 지원해야 한다. 마지막으로, 로봇·데이터·AI를 함께 다룰 수 있는 현장 중심의 융합형 전문인력 양성이 병행되어야 한다.

결국 M.AX의 성과는 AI 도입 개수가 아니라 현장의 생산성·품질 개선으로 평가되어야 한다. 정부가 실증·인증·데이터·수요를 유기적으로 연결한다면, 국내 피지컬 AI와 3D프린팅 기술의 고도화는 물론 글로벌 시장 진출에도 큰 발판이 될 것이다.

▲ 쓰리디팩토리는 이동이 가능한 로봇 기반 3D프린팅 장비(左)와 콘크리트 적층 장비(右)와 같이 제조 현장에 필요한 솔루션을 제공하고 있다.(출처:쓰리디팩토리)

■쓰리디팩토리의 글로벌 시장 진출 계획은

쓰리디팩토리는 단순히 기계 장비만 팔고 끝내는 회사가 아니라, 장비와 제조공정, 촘촘한 공정 데이터, 그리고 피지컬 AI까지 완벽하게 통합해서 고객이 진짜로 필요로 하는 부품 제작과 품질 검증까지 책임지는 ‘첨단 제조 솔루션’을 제공하고 글로벌 시장에 진출하는 것이 목표다.

구체적인 지역별 전략을 보면, 우선 미국에서는 조선·해양 분야, 특히 급성장하는 선박 수리·보수(MRO) 시장을 정조준 할 계획이다. 현재 미국은 조선산업의 공급망 안정화를 강력하게 추진하고 있다.

올해부터 추진 중인 한·미 국제공동 R&D 사업을 통해 5m급 선박용 대형 기자재와 프로펠러를 성공적으로 실증하고, 여기에 대형 금속 3D프린팅과 피지컬 AI를 결합한 차별화된 품질 신뢰성으로 미국 현지 시장을 적극적으로 공략할 계획이다.

반면 유럽에서는 소재와 에너지 분야를 중심으로 시장이 넓어지고 있다. 독일의 유명 연구소인 프라운호퍼 연구소와 함께 진행 중인 3D프린팅용 신소재 공동연구를 발판 삼아 소재 적용 범위를 넓히고, 풍력 등 신재생 에너지 산업에 꼭 필요한 대형 금형과 부품 제조 분야로 진출할 계획이다.

회사는 금속, 폴리머, 복합소재, 콘크리트를 모두 다룰 수 있는 초대형 3D프린팅 기술과, 한 챔버에서 쌓고 깎는 것을 동시에 해내는 적층·절삭 통합 장비, 그리고 생산 데이터를 똑똑하게 활용하는 피지컬 AI 기술이라는 강력한 무기들이 있다.

앞으로 국제 공동연구와 현지 파트너십을 단단하게 다져서, 세계 어디서든 복잡하고 커다란 부품을 가장 효율적으로 생산하고 품질까지 완벽하게 입증해 내는 글로벌 첨단 제조 솔루션 리더로 확실하게 성장하도록 하겠다.