플라스틱 적층제조, 제조 공정 자리매김 ‘블루오션’ 주목

◇연재순서

1)전시회 총괄평가
2)금속 적층제조 장비
3)플라스틱 적층제조 장비
4)바이오메디컬 적층제조 기술
5)우주항공분야 적층제조 기술
6)금속분말 제조 및 응용분야
7)플라스틱 소재와 응용분야
8)좌담회-적층제조기술의 미래 발전 방향

2020년 코로나로 인해 열리지 않았던 세계 최대 적층제조 전시회인 폼넥스트(Formnext)가 2년 만에 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 지난 11월16일부터 4일간 개최됐다.

겨울철 날이 추워지고 코로나가 급증하는 시기에 조심스러웠지만, 현장의 분위기는 뜨거웠다. 참가자 각자 마스크 착용 및 개인위생에 신경썼지만 출국 전부터 귀국 후까지 4차례 PCR 검사 결과를 초조한 마음으로 기다리는 긴장의 연속이었다.

필자는 폼넥스트 참관이 처음이었지만, 기존 시제품이나 단순 형상 확인 등을 주목적으로 하는 제한된 개념에서 벗어나 점차 생산재, 최종재를 염두에 두는 기술적, 소재적, 공정적 진화를 거듭하는 플라스틱 적층제조 산업의 변화 흐름을 느끼기에는 충분하였다.

필자가 일하고 있는 글룩은 ‘3D프린팅을 통해 제조산업을 혁신하자’는 모토로, 2013년 3D프린팅 서비스를 시작한 젊은 기업이다. 국내에서 처음으로 국산 3D프린터를 가지고 3D프린팅 자동화 공장을 구축 중에 있으며 12월 중 완공을 앞두고 있다. 특히 의료분야의 3D프린팅 심장 수술시뮬레이터, 의료 모형 등 국내외 특화된 고객군에 3D프린팅 서비스를 제공할 계획이다.

이번 폼넥스트에서 첫 번째로 느낀 점은 플라스틱 적층제조 하드웨어 분야에서는 시제품이 아닌 양산과 생산성을 우선시 하는 생산 활용 사례와 시도들이 눈에 들어왔다는 것이다. 이를 위해 다양한 소재를 사용할 수 있는 하드웨어적 진보, 열 비전 카메라를 통한 실시간 검사, 제어 기술 등을 통한 정밀한 제어, 고속 출력을 위한 연속출력 등의 기술 발전 등을 통해 실제 산업과 제조업 시장에서 3D프린팅 활용 가능성을 증명하고자 했다.

▲ 다양한 3D프린팅 방식과 더불어 다양한 후가공 공정과 관련된 제품과 기술이 적층제조 기술 발전에 발맞추어 출시되고 있다. (左부터) 블라스터, 염색, 후경화 공정

뿐만 아니라 적층제조 이후 세척이나 폴리싱, 염색, 분류 및 자동화 설비 등 여러 다양한 후공정 하드웨어가 전시돼 관련 업체들이 3D프린팅을 활용한 부품 생산을 염두하고 있다는 점이 눈에 띄었다.

특히 이미 주력기술로 자리 매김하고 있는 덴탈, 쥬얼리, 안경, 메디컬 검체용 비강 면봉 등의 소비재들과 더 나아가 신발, 자동차 및 기계부품, 스포츠 및 안전 헬멧 보호구, 지그 픽스처 등의 다양한 산업 부품에 대한 3D프린팅 생산 가능성이 증명되고 있었다.

하지만 기존 제조공정에 특화되어 있는 제품에 3D프린팅을 적용하기 위해선 생산성, 기능성, 제품마감, 소재 안정성 등 여러 가지 요인을 고려해 더욱 연구개발이 필요하다고 느꼈다.

광경화성수지(포토폴리머) 소재가 다른 적층제조 소재 대비 가지는 장점은 다양한 색상 구현이 가능하고 고강도 탄성소재에서부터 고내열성까지 다양한 물성을 가지며 상대적으로 가격경쟁력이 있어 다양한 분야에 적용 가능하다는 것이다. 이를 살려 광경화성수지를 이용한 3D프린팅은 현재 적층제조 산업에서 가장 많은 생산량과 가장 넓은 어플리케이션을 자랑한다.

고기능 소재·실시간 품질관리·후공정·자동화 등 부품생산 솔루션 초점
엔지니어링 폴리머 분말 성장세↑, 생산성·안정성 등 고려 기술개발 나서야

▲ 다양한 물성과 구조적 응용을 통해 광경화성 3D프린팅이 다양한 소비재에 활용되고 있다.

두 번째로 느낀점은 소재의 다양화와 기술고도화다. 과거 PP나 ABS에 가까운 물성을 가지고 프로토타입 제작에 주로 사용된 3D프린팅 소재는 다양화된 산업계 요구에 발맞추어 고기능성 소재들로 진화하고 있다.

글로벌 소재 회사인 바스프(BASF), 코베스트로(Coverstro), 헨켈(Henkel), 아케마(Arkema) 등은 다양한 폴리머 소재를 선보이며 소재 발전 속도를 가속화 하고 있다. 이로 인해 3D프린팅용 폴리머 소재의 시장 점유율과 성장속도가 변화하고 있는데, 과거에는 액상 형태 광경화성 수지의 시장 점유율이 가장 높았으나 최근엔 PA, PEEK를 필두로 하는 분말 형태의 엔지니어링 폴리머 분말 소재의 개발이 가속화되면서 시장이 성장하고 있어 우리도 이러한 변화에 능동적으로 대처할 필요가 있다.

▲ 적층제조용 소재시장의 변화

세 번째로 눈여겨 본점은 생산 과정 전반의 소프트웨어(SW)적 제어 및 관리이다. 기존 적층제조 산업에서 SW 역할은 주로 3D모델링의 슬라이싱(Slicing)에 한정됐다. 그러나 2021년 현재 주요 업체가 생산 과정 중 실시간 정보를 생산에 반영하는 솔루션을 제공하거나 준비하고 있고, 다양한 업체가 고객과의 의사소통 역할을 하고 정보를 취합하고 있다.

즉 제품수명주기관리(PLM)의 역할에서부터 출력 중 열 비전 화상카메라 등을 통해 실시간 정보를 생산과정에 활용하여 최적의 결과를 유도하며 출력 이후 후처리와 배송까지 공정 전반에 걸쳐 생산 이력 관리를 하는 솔루션을 선보여 적층제조 산업이 제조업 한 분야로써의 안착을 준비하고 있는 것을 느꼈다.

이처럼 플라스틱 적층제조는 3D프린팅의 한 분야에서 벗어나 제조 산업의 일부로 자리를 잡을 준비를 빠르게 진행하고 있다. 장비 외에도 소프트웨어, 소재 등 함께 발전해 나가야 할 부분이 많은 산업으로, 앞으로의 우리가 개발해야 할 분야가 무궁무진하다 할 수 있다.

아직 많은 부분에서 외산에 의존하고 있는 우리는 기술개발로 적절한 3D프린팅 성공사례와 새로운 어플리케이션을 발굴해나가야 하며, 이를 통해 세계적인 제조업 강국인 대한민국이 세계시장 점유율을 더욱 확대해 나가길 기대한다.

▲ AM FLOW社는 적층제조 공장 자동화를 위한 비전, 분류, 패키징 등 생산 이후 공정의 자동화 솔루션을 선보였다.