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

적층제조, 첨단 항공·국방산업 미래 연다


■ 적층제조 적극 도입하고 있는 선진국

유럽항공기 제조업체 에어버스는 지난해 6월 베를린에서 열린 국제항공우주박람회인 ‘ILA 베를린 에어쇼’에서 무인비행기(UAV)를 공개했다.

길이 약 4m, 무게 20kg의 무인비행기의 이름은 ‘토르’(THOR:Test of High-tech Objectives in Reality)다. 흥미로운 점은 2개의 전기모터와 송수신 장치(radio control system)를 제외하고는 모두 적층제조로 제작되었으며 타이타늄 알루미늄 등의 부품수는 50개에 불과하며 기존 방식보다 30-50% 경량화가 가능했다는 점이다. 이에 에어버스는 적층제조방식이 ‘첨단 항공산업의 미래’라며 자평했다. 이러한 무인비행기는 카메라 등을 설치하면 바로 정찰용으로 활용가능하며 크기가 작아 레이더에도 잡히지 않는다.

에어버스와 경쟁업체인 GE Aviation이 개발 중인 세계 최대의 상업용 제트 엔진인 GE9X의 경우 엔진 노즐을 비롯한 복잡한 부품에 적층제조방식을 이미 도입하였으며 2020년까지 상용화를 목표로 하고 있다.

이와 같이 항공기 제조사와 방산업체에서 적층제조기술에 관심을 보이는 기계가공으로 절삭방법보다는 내부 구조를 중공화하고 보다 가볍고 빠르게 제조할 수 있기 때문이다. 최근 DfAM(Design for Additive Manufacturing)이란 용어가 확산되고 있는데 이는 자연계에 존재하는 벌집이나 중공화된 새의 뼈의 구조를 응용하여 구조강성의 감소 없이 최적 경량화를 위한 설계기술로서 기존 절삭가공이나 주물로서는 구현하기 힘든 경량 부품의 제작이 가능하다. 특히 복잡한 부품이 많은 방산용 미사일이나 항공기 엔진의 특성상 엔진의 제작은 물론 유지 보수에 필요한 많은 부품을 제때 수급하는 것이 중요한데, 금속 적층제조기술은 여기에 새로운 가능성을 제시하고 있다.

대표적인 미국 방산업체 록히드마틴은 트라이던트 II D5 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM)에 알루미늄으로 제작된 커넥터를 적층제조 방식으로 제작한 바 있다.

이미 NASA와 유럽 우주국(ESA)은 금속 3D프린터를 로켓 엔진에 사용하는 연구를 진행 중이다.

미 해군의 수직이착륙기인 MV-22B 오스프리 엔진의 하우징과 링크부품을 타이타늄으로 적층하여 신뢰성 조사를 완료하고 비행테스트를 성공하였고 미 해군은 앞으로 더 많은 부품을 테스트할 예정이다. 미 해군이 이 기술에 관심을 보이는 이유는 부품의 수도 다양하고, 단 한 개의 부품도 문제가 생겼을 경우 즉각적인 제작이나 보수 면에서 유리하기 때문이다. 다양한 항공기를 운용하는 항공모함이나 상륙함에서 필요한 부품을 바로 제조할 수 있다면 해군 입장에서는 정비 및 보급에서 일대 혁신이 된다. 물론 이런 혁신은 미 해군 군용기뿐 아니라 다른 군용기 및 민간 항공기 부분에서도 충분히 파급될 수 있다.

중공화·경량부품 신속 제작, 유지보수 시간·비용 대폭 절감

효율적 무기 개발·보수 위한 적층제조 ‘스마트 팹’ 구축 必


■ 대한민국 국군 활용사례

지난 1월20일 국회의원회관에 개최된 ‘ICT 융합 국방&우주항공 3D프린팅’ 세미나와 전시회에 많은 국방부 관계자가 참여하여 열띤 강연이 진행되었다. 이날 직접적으로 국방사례에 대한 발표는 없었지만 한 관계자는 “3군내 3D프린팅 활용기반을 구축하고 개발된 기법을 방산 중소기업에 제공하는 등 전략을 수립·추진할 계획”이며 “과거 외국에서 생산돼 조달애로나 단종 부품을 제작하는 사업에 3D프린팅 기술을 활용하고 있다”고 전했다.

육군은 UH-1H 헬기 힌지를 포함한 19개 품목을 설정하여 조달애로 및 단종부품 생산시범 사업을 내년까지 추진할 계획이다. 공군에서는 CN-235 수송기의 스피커 덮개와 KT-1 훈련기의 계전기 덮개를 국내에서 3D프린터로 제작한 바 있으며 KF-16의 베어링 에어 실(금속) 부품을 3D프린터로 해외에서 정비하는 작업을 해왔다. 이 같은 경험을 토대로 공군은 국내에서 자체적으로 금속 부품을 정비하는 작업을 준비하고 있다.

국방부는 3D 프린팅 기술로 부품을 정비할 전문 인력도 양성하고자 교육을 진행해 왔으며 향후 적층제조기술을 적용할 영역을 단계적으로 확대하여 국방 분야의 효율성을 높일 것으로 기대하고 있다.

■ 적층제조, 국방무기 발전 기여

적층제조방식을 사용하면 미사일 발사체 연소기 부품, 무인항공기 날개 구조체 등 공중무기 및 비롯하여 지상무기 등 다양한 부품개발에 사용될 수 있다. 외국의 사례는 보안상 알려진 것은 일부분이지만 상당수 부품이 개발되고 있는 듯하다. 특히 수십년 사용되는 군수무기 특성상 단종돼 부품조달과 수리보수가 어려운 경우가 많은데 적층제조 기술을 통해 부품의 제조에 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다.

그러나 국내의 현실을 돌아보면 아쉬움이 많은데 그 이유는 간단하다. 첫째로는 도면의 부재다. 3차원 형상의 도면은 물론 2차원 도면 자체도 없어 바로 대응이 불가능한 것이 대부분이다. 따라서 역설계 인원의 전문인력화를 통해 청년실업의 해결도 가능하다.

둘째는 대형부품 제조를 위한 장비 및 활용 기술의 부족이다. 이는 육해공군의 국방무기 개발과 각각 정비가 따로 운용되고 잇다. 따라서 한정된 재원으로 장비가 소형에 머물 수밖에 없어 효율적인 운영이 안 되고 있는 실정이다. 이에 대한 해결방안은 간단하다. 국방 부품을 보다 저렴하면서 신속하고 정밀하게 설계, 적층, 주조할 수 있도록 대형 적층제조장비 및 주조장비, 후공정 등이 일괄 구축된 ‘3D 밀리터리 스마트 팹’을 마련하여 고가의 장비 도입시 효율성을 높이는 방법이다. 우수한 소재 도입·전환, 신규업체의 인허가를 완화하여 진입 장벽을 낮추고, 신공정 기술에 대한 인식변화가 필요한 시점이다.

국방무기의 유지보수, 명품 무기개발을 위해 소재의 융복합과 디지털 생산방식을 통한 비용절감이 뒷받침이 되어 평화를 위한 스마트한 국방체계가 이루어지기를 간절히 바래본다.
적층제조기술이 적용돼 무게가 20Kg에 불과한 무인비행기 ‘THOR’
수직이착륙기인 MV-22B 오스프리에는 3D프린팅으로 제작한 부품이 확대 적용되고 있다.
지난 1월20일 국회의원회관에 개최된 ‘ICT 융합 국방&우주항공 3D프린팅’ 행사에서 군 관계자들이 3D프린팅 관련 제품을 둘러보고 있다.

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