금속 적층제조 장비 트렌드, 고품질·양산·대형·협업 다양화

◇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

▲ 김세원 대건테크 연구원

지난 11월7일부터 11월10일까지 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 ‘폼넥스트(FORMNEXT) 2023’를 참관했다. 전시회는 세계적인 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회로 859개 기업이 참여해 금속 3D프린터를 비롯한 다양한 형태의 적층제조 출력물, 적층 관련 프로그램, 재료 및 기자재 등이 전시됐다.

전시장 규모는 축구운동장 7개에 해당하며 우리나라의 경우 분말제조업체인 코스글로벌, 이엠엘(EML) 등이 한국관에, 링크솔루션, 그래피, 화천기계 등이 단독부스를 구성해 한국의 적층제조 기술을 알렸다.

지금까지 금속 적층제조 장비에 대해 일반적으로 양산화까지 오랜 시간이 걸릴 것이라는 인식이 있었다. 그러나 이번 전시회에 출품된 금속 적층제조 장비를 비롯해 기업들과 협업을 통해 만든 출력물들은 고정관념을 깨기에 충분했다. 열교환기와 관련된 출력물들이 가장 많이 보였으며 우주·항공분야 등 다양한 출력물들은 금속 적층제조 장비가 우리 일상에 많이 가까워졌음을 보여준다. 아울러 기존 뿌리산업과 접목된 금형, 반도체 장비 등 전 분야에 확산되고 있음을 알 수 있었다.

▲ Conflux社에서 제조한 카트리지형 열교환기(사진: 3D프린팅연구조합)

금속 적층제조 장비를 양산하고 출력물 서비스를 제공하고 있는 대건테크 입장에서 이번 전시회를 통해 본 금속 적층제조 장비의 동향은 크게 네 가지로 보인다.

첫 번째로 출력 품질의 상승이다. 이번 전시회에서는 기존에 없던 특별한 소재를 사용한 출력물이 보이지는 않았지만 타이타늄, 인코넬, 알루미늄, 구리 등을 이용해 산업에 적용 할 수 있을 정도의 높은 품질을 지닌 출력물이 전시됐다. 이러한 높은 품질을 보여줄 수 있었던 것은 기업마다 가지고 있는 모니터링 시스템이 큰 영향을 미쳤다고 생각한다.

또한 출력 이후 스캔 장비를 통해 각 기업이 개발한 독자적인 피드백 시스템을 이용해 공정조건 등을 수정하며 파라미터를 개선한 것은 기업들이 금속 적층제조 장비를 활용해 출력 품질 향상을 위해 노력하고 있음을 보여준다.

▲ Nikon SLM 솔루션즈社에서 출력한 Liquid Combustion Chamber 출력물(사진: 3D프린팅연구조합)

두 번째로 보이는 특징은 양산화이다. 각 기업마다 개선점을 적용해 양산화에 돌입했다. 레이저를 사용하는 PBF 장비는 출력 속도가 다소 느린 것이 단점이었는데 이를 보완하기 위해 사용하는 레이저의 수량을 증가시켰다. 일례로 니콘(Nikon) SLM 솔루션즈에서는 12개의 레이저를 사용해 출력속도를 개선시켰다.

에너지 빔을 사용한 적층제조 장비는 기존 장비가 정밀도가 떨어지는 단점을 개선시켰다. 일례로 GE에서는 Point Melting 방식을 통해 레이저를 사용한 적층제조 장비와 유사할 정도의 정밀도를 가진 출력물을 소개했다. DED 장비도 밀링 또는 다양한 후처리 방식을 도입해 최종 표면의 품질을 개선시켰다.

이렇게 기업들이 적층제조 장비의 단점을 개선하는 방법 외에도 기존 PBF 적층제조 방식을 개선하고 양산화에 대응하기 위해 프라운호퍼는(Fraunhofer) 갠트리를 이동하며 레이저를 조사하는 Gantry-base LPBF 방식을 소개했다.

추가로 소비자가 원하는 방식을 선택해 출력할 수 있도록 파라미터를 다양화하고, 이중소재 연구, 후처리 과정을 축소하고 서포터를 최소화하기 위한 서포트 프리에 대한 연구가 진행되고 있는 것은 사용자의 부담을 줄여주고, 금속 적층제조 장비의 적용분야가 많아졌음을 의미한다.

장비 모니터링·피드백 시스템 적용, 출력물 품질 상향 평준화

후공정 최소화·소재 발굴 등 생산성↑, 미래 금속제조 핵심 자리매김

▲ 프라운호퍼에서 출력한 Multi-material Aerospike 이중소재 출력물(사진: 3D프린팅연구조합)

세 번째로 보이는 특징은 대형 출력물이다. 3D시스템즈에서는 이번 전시회에서 최대 크기의 반도체 웨이퍼에 사용되는 샤워헤드를 만들었다. 샤워헤드의 지름이 488mm에 달하는데 기존 샤워헤드와 비교하여 더 나은 성능을 보여줬다.

또한 EOS에서는 AMCM 4K 장비를 활용하여 출력한 대형 구리 출력물을 통해 다양한 소재를 가지고 대형 출력물을 만들 수 있음을 보여줬다. 이외에도 전시회에서 다축 로봇 머니 퓰레이터를 적층제조 장비와 결합하여 대형화 된 출력물을 만드는 방식이 많이 보였다. 금속적층제조 장비는 주로 DED와 결합하여 제조하는 방식이 많이 보였으며 이러한 방식은 차후 조선, 건설 등의 재제조분야에 적용이 가능하리라고 본다.

▲ VLM Robotics社의 머니퓰레이터 활용 DED 장비(사진: 3D프린팅연구조합)

마지막으로 보이는 특징은 다양한 기업과의 협업이다. 기업들이 과거 유사한 형상을 만들어 출력물을 전시한 것과 달리 이번에는 실제 기업과 연계하여 제작한 프로젝트 출력물을 기존 제조 공정으로 제작한 제품과 비교 전시해 금속적층제조가 가지고 있는 장점을 보여줬다.

기존 제조 공정에서 제작이 불가능한 효율적인 형태를 제작할 수 있으며 성능의 향상, 소재와 디자인의 변경을 통한 경량화 등 효과를 소개했는데 이러한 점은 금속적층제조 장비를 사용하는 기업의 품질 상승에 기여하리라 본다. 또한 환경과 관련한 관심이 높아지며 적층제조 시 탄소배출 감소량을 명시한 기업들도 많이 보였다.

이번 전시회를 참관하며 금속적층제조 산업이 금속 제조분야에서 중요한 부분으로 자리잡았음을 잘 느낄 수 있었다. 여기에서 더 나아가 금속적층제조 장비제작 업체에서는 공통적으로 더 빠른 출력, 후공정 최소화를 통한 비용감소, 적층제조 가능 소재 발굴 등을 목표로 연구개발에 힘쓰고 있음을 봤다.

필자가 속한 대건테크는 레이저를 4개 사용해 대형 금속 부품을 고속으로 적층할 수 있는 M500 및 M800을 출시한 바 있다. 향후 이러한 노력을 통해 금속적층제조 분야는 더 낮은 비용으로 고효율의 부품과 장비를 생산할 수 있는 미래 금속제조산업의 핵심이 되리라 생각한다.

▲ EOS社에서 기업에 납품을 목적으로 출력한 Combustor Nozzle for Gas Turbines 출력물(사진: 3D프린팅연구조합)