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[연재기고]강민철 3D프린팅연구조합 상임이사
방산부품 제조기술 국내외 개발동향과 기술적 이슈(2)
연재순서
▷적층제조방식에 의한 방산용 부품산업의 필요성과 가능성
▷적층제조방식에 의한 방산부품의 적용 사례와 발전전망
▷미래지향적인 방산부품의 가능성과 산업발전 방향


전통적인 금속부품의 생산방법은 주조, 단조, 절삭가공, 압출 등의 방법으로 제품을 생산하였다면, 적층가공기술은 3차원으로 디자인된 도면과 재료, 적층장비만 있으면 바로 제품화가 가능하다. 따라서 누구나 도면만 있으면 제품을 생산할 수 있는 적층제조기술이 전세계인의 관심을 한 몸에 받고 있다.

이 기술은 기존 전통방식으로 제조가 불가능한 복잡한 부품과, 자동차와 항공기부품 등을 더욱 경량화하는 방향, 그리고 개인 맞춤형 의료용 부품 등으로 새로운 시장영역을 꾸준히 확장하고 있다.

또한 아직은 관련 장비 및 재료가격이 비싸고 대량생산이 힘들다는 한계로 회의적인 시각도 존재하고 있으나 기존 제조공법으로 제조가 불가능한 제품을 만든다는 제조업의 패러다임의 변화와 전통적인 제조공정의 혁신을 이끌 능력이 이제 죽음의 계곡(Dead Valley)를 지나 산업화가 진행되고 있다.

본고에서는 메탈 3D프린터와 관련된 장비의 원리, 금속 분말제조 공정, 방산부품의 적용가능성을 살펴보고 한국산업계와 국방력 강화를 위한 방향을 모색해 보고자 한다.

미래 하이테크 무기 핵심 기술로 발전하는 3D프린팅


■戰時 긴급 부품조달 최적 수단
방산 및 국방 부품에 사용되는 소재를 보면 프로토 타입이 아닌 실제 제품은 거의 금속이다. 따라서 금속 적층제조장비는 크게 세가지로 분류할 수 있는데 Powder Bed Fusion (PBF) 방식과 Directed Energy Deposition (DED) 그리고 용접방식과 유사하게 금속 와이어 공급하여 용융 풀을 적층 후 마무리 가공하는 EBF 기술 등이 있다.

PBF 방식은 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수 십 ㎛(마이크로미터)의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다.

기존 주조방법으로 제조가 불가능한 언더컷, 다중공 형태 제품의 생산이 가능하며, 두께도 0.3mm 이하로 제작 가능해 정밀한 부품제조가 가능하고 Net-shape 성형이 가능하기 때문에 성형이후 기계가공 공정을 대폭 줄일 수 있다. 레이저를 사용하는 회사로는 독일의 ConceptLaser, EOS, SLM사, 미국의 3D System 등이 있으며 스웨덴의 Arcam사는 전자빔(Electron Beam)을 사용한다.

DED 기술은 kW급의 집속된 열에너지에 의해 소재의 용해 및 응고과정을 통한 3차원 형상의 적층기술이다. 즉 레이저빔과 같은 고에너지원의 조사에 의해 모재표면에 형성된 용융풀(melt pool)에 외부로부터 분말소재를 공급하여 급속용융과 응고과정을 거쳐 모재표면에 새로운 층을 만들고, 반복적으로 적층하여 조형하는 기술이다.

DED기술의 최대 장점은 금속제품의 조직이 치밀하여 강도 및 연신율 등 기계적 물성이 우수하고, 분말의 사이즈를 최대 200㎛까지 폭넓게 사용할 수 있어서 경제적이다. 또한 손상된 금속부품이나 금형 등의 보수재생이 용이하다.

<사진1>에 나타낸 바와 같이 전쟁터에서 긴급하게 수리하기 위해 MPH(Mobile Parts Hospital)를 도입하여 긴급조달에 필요한 부품을 현장에서 수리하여 전력(戰力)소모를 방지하는 방법 등이 도입되고 있다. 또한 이 기술은 이종금속을 이용한 복합재 등의 적용 등에 적용할 수 있으나 복잡한 구조를 제작 하는 것은 한계가 있으며, 기존 소재위에 적층하거나 대면적의 제품 성형에는 유리하다.
<사진1>미 육군에서는 MPH(Mobile Parts Hospital)를 도입하여 마모된 헬리콥터의 Rotor를 DED 방식으로 보수하고 있다.
■금속 3D프린팅, 방산부품 적용 확대일로
국방부품의 요구사항은 미래전에 대비한 장사정화, 고정밀화, 고생존성, 고기동성, 고속화가 기본이며 이에 따라 국방소재는 초고온 내열, 장갑성능 향상, 고강도화 및 경량화가 필수적이다. 따라서 유도무기, 전차, 탄약, 차기 병사 체계에 적용·구축하기 위한 많은 노력이 진행되고 있다.

민수에서 진행되고 있는 분야가 점차적으로 방산부품에 확산되는 것이 추세인데 향후 적용분야가 더욱 더 확대될 예정이다. 금속 3D프린팅 제품의 응용분야는 크게 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등으로 나눌 수 있으며 2015년 방산용에 적용된 것은 5.9%에 불과하나 미사일이나 전투기와 관련된 우주 항공분야는 16.6%로 민간에서 개발된 부품이 군사용으로 사용될 가능성은 매우 높다. 따라서 향후 방산용 부품에 적용 비율은 급증할 것으로 예상되며 따라서 금속분말의 수요량도 매년 80% 이상의 고성장을 이끌고 있다.
전세계 적층제조 응용분야. 특히 우주항공 분야와 방산관련 부품이 급증하는 추세이다. (출처 : Wohlers Report 2016)

금속 3D프린팅 방산부품 적용 확대, 금속분말 수요 年 80% 고성장

단종부품·미래로봇·유도무기·무인무기 등 방산경쟁력 강화 기술 주목


금속 적층기술로 제작된 전투기 및 로켓 연소기 관련 부품
최근에는 고강도 세라믹으로까지 적용 영역이 넓혀지고 있다. 러시아 톰스크 주립대학에서는 세라믹을 적층하는 기술이 소개하면서 많은 산업 영역에 세라믹 적용의 돌파구가 될 것으로 기대하고 있다. 세라믹은 기존 전통제조 방식으로는 복잡한 형상의 부품 생산에 제약이 많았다.

이 대학에서는 자기전파고온합성법으로 3D프린팅에 적합한 고유 특성을 갖는 세라믹 분말을 제조하여 3D프린팅 원료로 사용 가능하다고 보고하고 있다. 3D프린팅으로 반제품을 생산하고 이를 열처리하여 원하는 특성과 형상을 얻는 공정으로 복잡한 형상의 부품이 단일체로 되어 있고, 수십 마이크론까지 인쇄할 수 있는 세계 최초 기술이라고 소개하고 있다.

미국의 레이시온 대학에서는 로켓엔진, 핀, 유도시스템과 제어시스템 부품 등 유도무기의 거의 모든 부품제작에 3D프린팅을 적용하여 빠른 설계와 신속한 변경을 통하여 기존의 제조 방식으로는 불가능하였던 복잡한 내부 형상을 설계, 제작하여 비용을 크게 줄인 것으로 보고하였다. 그들은 패트리어트 같은 미사일 방어시스템의 첨단 레이더 블록을 제작하는데 필요한 복잡한 전자회로나 마이크로웨이브 부품을 개발하였으며, 최근에는 탄소나노튜브, 탄소원자로 연결된 미세 구조를 생산할 수 있고, 이들을 연결시켜 미래의 전자회로를 제작하고자 하고 있다.
러시아 DRF에서 개발한 총알
또 하나, 방산에 적용된 3D 프린팅의 예는 총알이다. 러시아는 국가 방위와 보안의 이익을 위한 연구개발을 촉진하기 위해 2012년에 DRF(Foundation for Advanced Studies)를 설립하여 세가지 영역, 즉 생물학적 및 의학적, 물리적 그리고 화학적 기술 정보를 수행하도록 하였으며, 2015년 말에는 로봇의 기본 요소와 기술을 개발하도록 DRF 하부에 국립센터를 설립하여 50개 이상의 과제를 수행하고 있다.

이 과제 중 상당 부분이 적층제조 관련 기술이다. DRF에서는 총알을 적층 레이저 용해 방법으로 제작하여 규격시험을 통해 모든 요구 성능을 만족함을 보였으며, 이 방법으로 제조하는 경우 총알 생산이 저비용으로 빠르게 성장할 것이며, 산업화 생산을 위한 하이테크 산업의 새로운 패러다임으로 자리 매김할 것으로 예상하고 있다.

특히 방산부품의 경우 대량생산이 아닌 맞춤형으로 제작되고 단종된 부품을 역설계에 의해 재생산하거나 조달이 불가능한 제품도 기존 방식보다 신속하고 가격을 저렴하게 제조 가능한데 주요 방법과 응용 분야는 다음과 같다.

첫째로는 단종되거나 조달이 어려운 부품을 국산화 하는 것이다. 국방부가 3D프린팅 기술을 단종·조달 애로 부품 등 군 물품 조달에 적극 활용할 계획으로 있으며 육군은 이를 위해 금속, 비금속 형상을 만들 수 있는 3D프린터를 종합정비창에 설치, 단종·조달 애로 품목의 시범제작에 들어간 바 있다.

두 번째는 또한 미래 군사전략과 합동작전개념 등 새로 구상된 군사력 운용 개념에 따라 전투원이 착용하는 근력증강 로봇 제작에 활용할 수 있다. 이미 미국 록히드 마틴사는 근력증강로봇을 완성한 바 있으며 우리나라도 추진 중이다. 근력증강 로봇기술은 70Kg의 군장을 하고 미래 전장환경에서 임무수행 능력 극대화가 가능하며 현재 연구개발에 착수한 상태다.

세 번째는 무인비행기 개발 등으로 해상에서 24시간 감시 정찰, 대잠탐색의 임무수행이 가능한 무인 수상정 기술 개발에 활용가능하며, 향후 북한의 소형무인항공기(UAV)를 요격하는 레이저무기 기술개발을 예정하고 있다.

이러한 일련의 개발계획에 있어 부품 개발 및 생산은 3D프린팅이 대안이라고 해도 과언이 아니다. 그 이유는 부품을 경량화하고, 다품종 소량에 적합하며, 개인의 체형별로 다양화할 수 있기 때문이다.
잠수함용 안테나와 인공위성용 안테나 브라켓. 좁은 공간에 활용가능하며 기능성과 경량화가 가능하다.

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신근순 기자 (shin@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
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