Update2024.04.30 (화)
3D 프린터, 車 부품 핵심 ‘뜬다’
■ 3D 프린터, 車 부품 생산 新 활용방안 부상
자동차 부품업체는 개발과정에서 3D 프린터를 활용해 설계품질 제고 및 개발기간 단축 등의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 국내는 3D 프린터 산업의 미성숙으로 규모가 작은 부품업체들은 3D 프린터를 활용하기 어려운 상황이다. 이에 부품산업의 3D 프린터 활용도를 높일 수 있는 통합RP센터, 설비 국산화 등에 대한 정부와 민간의 지원이 필요한 시점이다.
산업용으로 사용되는 3D 프린터는 가정용에 비해 대형, 고정밀, 고속 등 성능이 우수하여 주로 시작제품(Proto type)을 만드는데 사용되고 있다. 따라서 산업에서 사용되는 3D 프린터는 신속조형장비(Rapid Prototyping Machine,이하 RP장비)라고 부른다. 3D 프린터가 아직은 생산성, 품질 등이 낮아 개발과정에 주로 활용된다.
초기 RP장비는 고가, CAD의 저조한 보급률로 널리 활용되지 못하였다. 최근에는 3D 프린터의 조형방법 및 소재기술 발전으로 가격이 낮아지고, 3차원 도면설계가 보편화되면서 산업계의 RP장비 활용이 빠르게 늘어나고 있다.
완성차업체들의 도입에 이어 국내 부품업체들도 자체 개발능력 강화를 위해 RP장비 도입은 늘고 있다. 개발 과정의 비용절감과 효율성 증대효과가 확실하기 때문이다.
◇ 자동차 디자인 단계
RP장비는 다양한 디자인 제안들을 평가하기 위한 실물 또는 축소 모델을 제작하는데 사용된다. 디자인 단계 실물은 모양뿐만 아니라 색깔, 재질 등이 모두 구현되는 경우가 많아 컴퓨터 시뮬레이션만으로 평가하기 어려운 요소들을 수정하는데 도와준다. RP로 제작된 제품은 도장, 도금 등 2차 공정을 거쳐 디자인 품평에 사용한다.
◇ 설계 단계
확정된 디자인이 설계 단계에 돌입하면 RP장비는 설계도면 검증에 활용된다. 특히 움직이는 부품, 여러 부품들의 조합으로 구성된 시스템 부품들은 운전자의 조작성, 생산자의 조립성 등이 사전에 검토되어야 설계 변경으로 인한 실패비용이 줄어든다.
설계자들은 설계완료 전 RP장비로 목업(Mock-up)을 제작해 설계 검증의 기회가 많아지고 설계 오류를 최소화할 수 있다. 현재는 컴퓨터 시뮬레이션을 가상 검증 방법으로 사용하고 있으나 실물 검증을 대체하기는 어렵다.
◇ 시작 단계
RP장비는 시작부품을 직접 제작하여 시작 단계의 금형비용을 줄이는데 활용된다. RP장비를 이용해 시작품을 직접 제작할 경우 설계변경이나 금형수정 및 재제작이 수월해 수천에서 수억원에 이르는 시작금형 투자비를 줄일 수 있다.
부품업체들은 신기술 개발 시 적은 투자비로 다양한 시작품을 제작할 수 있으므로 선행 개발 능력도 향상시킬 수 있다.
◇ 평가 단계
RP장비는 기능적인 항목을 평가하는 단계에 활용돼 문제점을 신속하게 찾아내는 역할을 한다. 전장시스템의 최적화와 유체 흐름이 중요한 부품 평가에 RP 제작부품이 유용하게 활용된다. 센서 등 각종 부품의 최적 조합에 ‘Trial and Error’ 프로세스에 필요한 다양한 평가용 부품을 신속하게 공급할 수 있다. 투명한 플라스틱 소재로 평가용 부품을 제작 공급하여 물·기름 등 유공압 부품의 유체 이동을 눈으로 확인할 수도 있다.
◇ 양산 단계
양산에 돌입할 경우 RP장비는 생산에 필요한 금형부품, 지그·고정구(Fixture)와 같은 전용공구를 제작하는데 활용된다. 금속소재를 사용하는 RP장비는 사출금형의 냉각장치를 제작하는데 유용하다.
외부가공으로 구현할 수 없는 냉각장치를 제작할 수 있어서 사출 성형의 품질 및 생산성을 높일 수 있다. 부품 가공, 검사용 전용장비는 다품종 소량이므로 RP장비로 제작하는 것이 효율적이다.
■ 3D프린팅 기술 美·獨·日 중심, 中 급부상
미국, 유럽의 부품업체들이 가장 활발하게 기술 및 시장을 주도하며 3D 프린터를 활용하고 있다. 3D 프린팅 기술은 미국(점유율 38.3%, 2012년 기준), 독일(9.3%), 일본(10.2%)을 중심으로 발전해 왔으며 특히 2000년대 이후에는 미국이 독보적, 최근 중국(8.6%)이 급부상하고 있다.
해외 부품업체들은 외장부품에서 섀시부품까지 활용 분야를 넓히고, 개발에서 생산부문으로 용도를 확대시켰다. 동력전달장치 등 섀시부품을 주력 생산하는 다나(Dana)는 전체 시스템을 실물로 구성하여 설계를 검증하는데 RP를 사용하고 있다.
오디오시스템 생산업체인 하만베커(Harman Becker)는 최적의 사운드를 구성과 완성차 업체들의 요구에 부응하기 위해 시제품 제작기간을 RP장비로 7~10일 정도 단축시키고 테스트를 강화하고 있다.
국내 부품업체들은 10여년 전부터 내외장 부품업체 위주로 RP를 사용하고 있다. 대표적인 업체는 램프, 칵핏모듈 등을 개발하고 있는 현대모비스, 내장재전문업체인 한일이화, 램프전문업체인 에스엘 등이 있다.
현대모비스는 2002년부터 RP장비를 도입하여 설계 검증을 위한 목업, 실험 장비 제작에 주로 사용하고 있다. 한일이화는 내장재의 대부분을 생산하므로 RP를 가장 초기에 도입하여 활용하고 있는 업체다.
RP장비는 자체 디자인 단계에서도 사용되고 있으나 주로 내장재의 설계 검증에 활용되고 있다. 국내 부품업체들은 RP를 내외장 플라스틱 사출품에 제한적으로 이용하고 있으며 소수의 설비로 내부 여러 부서의 요청에 의해 순차적으로 시제품을 제작하고 있는 실정이다. 따라서 섀시, 파워트레인 등 사용범위의 확대와 검증 부품의 수를 늘리기 위해 제작 능력을 확충하는 것이 과제로 남아 있다.
부품社, 개발능력 강화 RP장비 도입 ↑
中企 운영부담 해결책, TP RP센터 각광
■ 비용·범용장비 보안문제, 해결 과제로 남아
부품개발에 RP장비의 필요성이 점차 높아지고 있지만 중소 부품업체들은 장비를 구매하여 활용하는 것이 여전히 부담이다.
3D프린터의 활용 확대에 가장 큰 걸림돌은 첫째, 고가의 장비구입 부담이다. 부품산업용으로 적합한 대형 3D 프린터는 대당 약 5~10억원이며, 소형도 1억원 수준이다. 개인용 3D프린터는 대중화에 되면서 가격이 떨어지고 있지만 산업용 3D 프린터는 일부 업체의 독과점으로 인해 단기간에 가격이 떨어지기는 어려워 보인다.
조형기술에 대한 특허가 만료되면서 진입업체들이 늘어날 가능성은 있지만, 아직 국내에는 산업용 3D 프린터 산업의 기반이 마련되어 있지 않아 해외 독점업체에 의존할 수밖에 없는 상황이다. 따라서 향후에도 국내 부품업체들은 장비를 싸게 구입하기 어렵다.
둘째, 운영비용에 대한 부담이다. RP장비 운영비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있는 것은 재료비다. 중견기업 기준 1대의 일반적인 RP장비를 100% 가동하는데 드는 재료비는 연간 약 1억원이다.
사용 소재에 따라서 차이가 있으나 일반적으로 사용하는 플라스틱 소재 가격은 약 15만원/kg이고 기능에 따라 40만원/kg까지 증가한다. 금속의 경우 50만원/kg을 넘어선다. 부품업체들이 다양한 소재를 사용할 경우 대당 연간 재료비는 수억 원에 이르게 된다.
현재 소재 조달의 방식은 중소 부품업체에 더욱 불리한 상황이다. 문제가 발생할 경우 A/S를 보장받지 못하기 때문에 3D 프린터를 공급한 업체를 통해서만 소재를 조달받는 구조다.
또한 대기업에 비해 구매량이 적은 중소기업은 구매협상력이 약해서 조달 가격을 낮추기도 어렵다.
셋째, 정부 지원의 효율성 부족이다. 3D 프린터의 활용 생태계를 초기에 구축하기 위해서는 설비 국산화를 위한 기술지원도 필요하지만 효율적인 운영, 서비스 개발 등의 투자가 이루어져야 활용성 제고 및 투자낭비를 줄일 수 있다.
현재 정부는 연구소, 대학, 기업체 등에 투자한 산업기술개발장비를 기업체에 공개하여 필요한 장비를 활용할 수 있게 했다. 2000년대 초반부터 도입된 3D 프린터들도 포함되어 있어 부품업체들은 각 지방에 설치된 3D 프린터를 사용할 수 있다.
하지만 설치된 3D 프린터들은 범용 소형장비들이 대부분이며, 대형 장비는 인천, 부산 등 일부 테크노파크에 설치되어 있어서 부품업체들의 접근성이 높지 않다. 범용 장비사용을 꺼리는 기업체들은 설계도면의 보안문제, 디자인, 설계단계에서 실물과 같은 제품을 제작하기 위해서는 후 공정 과정의 부재 등을 이유로 들고 있다.
또한 공용장비로 시제품을 제작할 경우 정보 검색, 제작대기, 장소이동 등의 시간, 인력 낭비가 발생할 수 있어 사용이 수월하지 않은 상황이다.
■ 부품업체, 양산개발 과정에서 3D프린터 활용해야
부품업체들은 각 사의 특성을 고려하여 RP장비에 대한 투자를 결정해야 할 것이다. 시간적 여유가 적은 양산개발 과정에 3D 프린터를 활용할 수 있는 생태계 구축이 필요하다. 향후 제품개발단계에서 보편적으로 사용될 것을 대비하여 프린터 기술, 소재 등에 대한 장기적인 경쟁력 확보를 위한 준비가 필요한 시기이다. 이런 과제를 해결하기 위해 크게 단기와 장기로 나누어 방안을 제시하고자 한다.
첫째, 중소 부품업체들이 활용도를 높일 수 있는 민관 지원을 강화해야 한다.
성능 및 용도가 다양한 3D 프린터 장비들을 한곳에 모아 설비 사용부터 S/W 지원, 컨설팅, 후처리 등 토털 솔루션을 제공할 수 있는 통합 RP센터 구축이 필요하다.
민간차원에서는 완성차업체가 주도하여 납품업체들과 함께 사용할 수 있는 자동차에 특화된 RP센터운영이 가능하다. 이는 외부 기술유출 가능성을 차단할 수 있고 컨설팅 지원, 소재 통합구매에 따른 비용 절감 측면에서 강점을 가질 것으로 예상된다.
정부 차원에서는 주요 부품업체가 형성되어 있는 지역의 테크노파크를 중심으로 통합 RP센터를 운영하고 방대한 3D 프린터, 소재의 정보를 검색할 수 있는 온라인서비스를 제공할 수 있다.
분산된 RP장비를 통합하여 업체, 연구소, 학교 등의 활용 효율성을 높이고, 도면유출 문제를 보완할 수 있는 관리서비스도 추가할 수 있을 것이다.
또한 RP장비에 대한 정보를 종합적으로 제공하여 중소부품업체들이 자사에 필요한 최적의 사양을 구매할 수 있도록 도울 수 있다. 이는 정보 부족으로 도입을 꺼리거나 필요 이상의 장비구입으로 과잉 투자되는 것을 예방할 수 있을 것이다. 또한 보조금 및 세제지원을 통해 중소 부품업체들이 직접 RP장비를 도입하는 부담을 낮추고, 사설 RP센터 운영 서비스, RP장비 리스 사업을 육성할 필요도 있다.
둘째, 산업용 3D 프린터 설비, 소재 및 관련 S/W국산화에 장기적인 투자가 필요하다. 향후 3D 프린터가 제조업의 필수장비로 자리잡을 경우 국산화 기술여부가 국가간 산업 경쟁력을 좌우할 것으로 예상된다.
현재 국내 소수 업체들이 3D 프린터산업에 진입한 상태지만 중소기업의 규모로 기술개발, 판매망 확보에 어려움을 겪고 있다.
특히 산업용 3D 프린터는 일반용에 비해 높은 성능이 요구되어 특허장벽, 선두업체 선점의 진입 장벽이 더욱 높다.
따라서 정부, 대기업의 지원으로 설비개발 능력을 강화할 필요가 있다. 그리고 3D 프린터의 핵심기술인 소재에 대한 개발도 병행되어야 한다. 부품별 필요 소재가 다양하고 소재의 성능에 따라 활용범위가 넓어질 수 있기 때문이다.
최근 연구가 활발히 이루어지는 분야도 소재이다.
부품산업에서 많이 사용되는 플라스틱 수지와 금속분말은 재료의 성격이 다양하여 화학, 금속업체들과 연계한 공동연구개발 체계가 구축되어야 할 것이다.
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