Update2024.04.30 (화)
3D프린팅 접목으로 혁신 추구하는 獨 제조기업
3D프린팅 관련 산업이 새로운 제조혁명을 이끌 것이라는 전망 속에서 각종 시장보고서가 매주 쏟아지고 있다. 3D프린터를 접해 본 대부분의 사람들은 플라스틱 FDM(용융수지 압출 조형) 및 SLA(광경화수지 조형)방식을 떠올리고 M&A를 통해 시장에서 파워브랜드로 자리잡고 있는 미국의 Stratasys, 3D-Systems 등을 이야기 할 것이다. 그러나 최소 3억에서 30억을 호가하는 메탈 3D프린터의 강국은 바로 독일이다.
필자는 올 초 이른 봄에 독일의 3D프린터 제작업체 및 이를 활용하고 있는 기업들을 현지 방문하여 3D프린터의 산업계 활용도를 조사한바 있다.
독일은 전통적인 기초과학과 레이저 기술을 바탕으로 조용히 메탈 프린터를 준비해 왔으며 지난 1995년부터 판매하고 있다. 물론 전자빔을 사용하는 스웨덴의 Arcam社가 있지만 독일에는 EOS, ConceptLaser, SLM 3개 회사가 메탈 3D프린터를 전문 제작하고 있으며 지난해 전세계 판매시장의 70% 이상을 차지하고 있다. 또한 Voxeljet사는 정밀주조용 및 사형주조용 프린터를 시판하고 있어 주조업계의 대변혁을 예고 있다.
■ 메탈 3D프린터 원리와 소재
메탈 3D프린터의 기본은 SLS(Selective Laser Sintering:선택적 레이저 소결)이며 공식용어는 PBF(Powder Bed Fusion)이다. 구형 분말에 레이저로 녹여 적층시켜 입체 조형 하는 방식으로 한 층을 용융 후 파우더 베드가 하강하고, 다시 한층에 분말을 공급하여 또다시 레이저를 조사하는 과정을 반복하게 되면 3차원 형태의 제품이 완성된다. 수년전에는 결합강도가 약해 소결된 분말을 재소결하여 강도를 증진시켰으나 최근에는 소결이 아닌 분말의 용해를 시켜 후공정인 소결공정을 없애는 방식이 보편화되었다. 아울러 최대 성형 크기도 증대되고 있으며, 수 마이크로 크기의 미세 분말을 사용하여 초소형 정밀부품을 제조하는 장비도 소개되고 있다.
메탈 3D 프린터의 가장 보편화된 4대 소재는 타이타늄 합금, Co-Cr강, 금형강, Inconel 합금이다. 타이타늄합금 및 Co-Cr 합금은 치과 및 인공뼈 등에 사용되며, 초내열합금인 Inconel합금은 우주항공용 연소기 부품 등에, 금형용 부품제작에는 프린터 제조업체별로 일반 금형강의 성분을 조절하여 3D프린터에 적용하고 있다. 그러나 경량소재인 알루미늄이나 마그네슘 합금은 산화성 등으로 인해 일부 합금만 부분적으로 사용 또는 연구개발되고 있다.
獨, 메탈 3D프린터 세계시장 70% 차지…산업계 적용 활발
獨 금형냉각몰드 응용분야 중점 개척…타산지석 삼아야
■ 메탈 3D프린터 선도하는 獨 기업
첫 번째 방문기업은 뮌헨 근처에 위치한 Fassnacht社였다. 종업원 40여명을 두고 있는 금형제작 업체로 3차원 입체냉각몰드 제작에 3D프린터를 주로 활용하고 있다. 이 부품은 주로 사출성형에 냉각수를 입체적으로 균일 냉각시켜 수축을 일정하게 하고 싸이클 타임을 줄이기는 역할을 한다. 일반적인 냉각몰드는 CNC 가공에 의해 제작되는데 이 경우에는 분할 형태이거나 단순한 형태의 냉각수의 흐름만 가능하여 냉각효과가 국부적일 수밖에 없다. 그러나 3D프린터를 활용하면 <사진1>에서 보듯이 복잡다단한 내부 형상의 냉각채널의 형상까지 구현이 가능하다. Fassanacht社 사장도 이 입체냉각몰드를 고객들을 설득시키는데 많은 힘든 점이 있었다고 한다. 그래서 그는 간단한 입체모델을 제작하여 그 장점을 고객들에게 설득했고 이제는 고객사에서 이미 냉각몰드 형태까지 설계하면서 주문이 밀려와 3D프린터가 부족해 추가로 구매한다고 알려줬다.
두 번째 들른 기업은 뉘른베르그 인근에 위치한 ToolCraft社다. 이 회사는 금형 냉각몰드 제작, 메디컬용 부품, 우주항공분야 부품 등 3D프린터를 이용한 시제품 개발 등을 하는 중견기업이다. 이 회사도 냉각몰드에 집중적인 개발과 함께 직접 시제품을 제작하여 MTU, EADS, BOSCH, SIEMENS, 자동차 업체 등과 협력하고 있다. 이 회사는 고객사의 비밀을 유지하기 위해 사진 촬영을 금지하는 등 보안에 신경을 많이 쓰는 편이었으며, 특히 우주항공 분야의 부품개발을 많이 하고 있었다.
세 번째 방문기업은 Hofmann 그룹이다. 이 회사는 금형제작, ConceptLaser라는 상품명의 메탈 3D프린터 제조, 프로토 타입센터를 운영는 중견기업이다. ConceptLaser는 대중적 인지도가 낮아 일반인들에게는 잘 알려져 있지 않지만 메탈 프린터 분야의 판매량은 세계2위를 차지하고 있다. 최근에는 4기통 엔진블럭 크기까지 제작가능한 대형 3D프린터인 X1000R 모델을 출시하여 장비의 진화를 거듭하고 있다. 다양한 금속분말을 이용한 제품 전시실이 있다. 전시실에는 로켓 분사장비, 인공뼈, 항공기용 브라켓 및 연소기 부품 등이 전시돼 있다. 3D프린터의 장점은 소재절감과 경량화에 있다. 기존 알루미늄합금으로 제작된 브라켓의 경우 CNC가공을 할 경우 1.1Kg이나 비중이 무거운 타이타늄 합금을 사용하더라도 내부를 중공화하거나 최적설계를 하여 33%의 경량화가 가능하다. 또한 3D프린터의 활용사례를 볼수 있는 프로토타입 전시관에는 <사진 2> 에서 보듯이 플라스틱 및 메탈장비를 사용하여 만든 다양한 부품을 전시하고 있다. 이곳 프로토타입 센터에는 전세계의 각종 3D프린터를 보유하고 있어 고객의 제품사양 및 용도에 맞는 장비를 갖추고 있어 한국도 이런 기업의 출현을 기대해 보았다.
네 번째 기업은 Voxeljet이다. 이 기업은 금속분말을 이용해 바로 부품을 만드는 것이 아니라 왁스나 사형으로 주형 제작이 가능한 장비를 제조하는 기업이다. 즉, 설계도면에 따라 왁스와 유사한 PMMA 수지로 3D프린터로 제작하여 Lost wax방법을 이용하는 것과 대형 주물부품을 패턴없이 바로 사형몰드를 제작하여 주물을 제조하는 장비를 제작한다. 과거 금형에서 왁스 모델을 제작하거나 사형몰드를 제작하기 위해 패턴에서 모래를 굳히는 힘든 작업이 필요 없는 새로운 방식으로 주물산업계의 혁신을 이끌 것으로 예상한다.
■ 우리산업계의 과제
우리나라에도 플라스틱장비의 경우 각 지역 테크노파크(TP), 학교 등을 중심으로 보급이 급속히 진행되고 있다. 금속 프린터의 경우 일부 치기공용으로 사업이 전개되고 있으며, 일부 대기업에서도 이를 활용하고 있다. 일부 언론에서는 3D프린터가 새로운 산업혁명을 불러일으킬 것으로 예고하고 있다. 그러나 아직까지는 소재가격, 고가의 장비가격, 늦은 조형 속도 등이 문제이기는 하지만 이러한 점들은 점차 진화를 거듭할 것으로 예상된다. 그러나 향후 10년 이내로는 기존 전통제조방식을 완벽하게 대체할 수 없으나 기존 전통산업의 패러다임을 바꾸는 조미료 이상의 역할을 하리라 생각한다.
우리나라의 3D프린터 발전 방향은 다른 나라보다 빨리 산업화가 가능한 분야를 선점하고 이를 활용할 수 있는 능력을 키우는 것이 중요하리라 생각한다. 즉, 우리나라가 전통적인 뿌리산업과 관련한 금형, 주조분야에 집중해 향후 10년 뒤에는 3D프린팅 강국이 되기를 기대해 본다.
