[연재순서]
◇제조업과 3D프린팅 협업, 제조 선진국 지름길
◇금형-입체냉각몰드 금형 효율·생산성 증대
◇사형주조-대형주물 제작, 보다 빠르고 정확하게
◇정밀주조-디지털 매뉴팩처링 선도 소형정밀 부품

현재의 제조업 패러다임은 이전의 얼마나 경쟁력 있게 제품을 생산하는가에서 다양한 고객의 요구에 얼마나 즉각적으로 정확하게 대응할 수 있는가로 전환되고 있다. 즉, 고객의 요구 속에 숨어있는 욕구를 이해하고 이를 구현해 내는 유연 생산방식이 중요해지고 있고 따라서 자연스럽게 이를 구현하는데 최적화된 3D프린팅기술의 보급도 확대되고 있다.

3D프린팅은 뿌리산업계가 고민하고 있는 공정혁신에 도움을 줄 수 있는 훌륭한 기술로 현재의 기술로 효율적으로 만들기 어려운 제품이나 단품 제품 생산에 우선적으로 특화 적용될 전망이다.

예를 들면 복잡한 금형 냉각채널과 같이 기존 방식으로 만들기 어려운 부분과 금형 일부분이 마모되었을 때 보수하는 용도 등에 우선적으로 사용이 활발해 질 것으로 생각된다. 주조에 있어서는 다양한 형태의 중자(core)나 주형을 제조하는 주물사 활용 3D 프린팅 기술과 언더컷이 있는 복잡한 부품의 쾌속 시제품 생산 영역이 우선적으로 유망할 것으로 보인다. 독일의 경우 소형 병원발전용 터빈 휠, 대형선박용 부품과 같이 단품의 제품을 생산하기 위해 많은 비용과 시간이 투입되는 경우가 많은데 이를 3D프린팅 기술을 활용해 저렴하고 빠르게 생산하고 있다.

그러나 3D프린팅은 갑자기 생겨난 기술이 아님을 명심하고 냉정하게 쓰임새를 고민해야 한다. 3D프린팅은 이미 20~30년전부터 제조업에 활용된 쾌속조형법 (RP, Rapid Prototyping)의 기본 개념이 시대적 분위기를 타고 급격한 제조업 변화에 맞춰 진화를 하고 있는 제조법의 일종일 뿐이다.

다시 말해, 기존의 대량생산 방식의 깎아 나가는 공정의 개념에서 소비자 요구 대응 유연 생산 방식에 적합한 붙여나가는 공정 방식으로의 전환인 것이다. 다만, 기존의 제조업의 패러다임을 송두리째 바꿀 수 있는 잠재적 위력이 크기 때문에 대중의 관심의 초점에 있다.

이제 제조업 선진국 독일에서 3D프린팅 기술과 뿌리기술이 접목되어 산업기술로 진화하고 있는 실제 사례를 살펴보자.

복잡한 언더 컷이 많이 들어있어 제작의 어려움이 많은 디젤 차량용 대형 실린더 블록의 경우 주조기술의 분할 몰드 기법을 도입하여 2주 정도면 시제품을 제작할 수 있다. 또한 공정이 복잡하고 어려운 발전용 부품들도 기존의 주조기술인 중자 제조기술을 조합하여 훌륭하게 해결하고 있다. 또한 표면의 문양이 매우 섬세하고 복잡한 고가의 개인 선물 제품들도 기존의 주조, 소성가공, 표면처리 기술들이 결합되어 설계에서 완성품 제작까지 3주 정도면 가능하고 특히, 원거리에 떨어져 있는 사람에게 선물을 보낼 경우, 제품을 만들어 보내는 것이 아니라 제품의 도면을 인근의 제작소에 보내 인근의 제작소에서 3D프린팅 장비로 제작하여 운송비를 대폭 절감할 수 있는 제품 공급망도 구성하여 운영할 수 있는 능력을 키워나가고 있다.

일본의 경우도 이미 20여년전부터 관련 기술들을 축적하면서 산업계에 3D프린팅기술을 접목하여 선도적 기술과 제품들을 속속 선보이고 있다. 특히, 기존의 쾌속조형법 (RP, Rapid Prototyping)이 시작품 제조 위주의 기술이라면, 향후 일본은 쾌속제조법 (RM, Rapid Manufacturing) 으로의 승화를 통해 가격경쟁력까지 확보한 대량생산 체제 구축을 위한 총력을 기울이고 있다.

이를 위해 광 성형, 분말 소결, 잉크젯 분사, FDM(압출적층), SLS(선택적 레이저 소결), SLA(광경화 수지 조형), 종이적층, 후처리 하이브리드 기술과 같은 분야의 지속적 개발을 추진하고 있다. 금형제조 기술의 경우, 분말성형, 함침공정, 마무리 절삭공정 등이 3D프린팅 기술과 접목되어 특화 발전되고 있고, 수지압출과 고속 밀링의 복합조형에 의한 새로운 제조기술도 탄생되고 있다.

주조기술의 경우 11.4Kg에 달하는 종래의 용접공정을 포함하여 제작하던 수송기계용 알루미늄 탱크프레임을 용접공정이 필요없는 6.9Kg의 중공형 주조제품으로 대체함으로써 40%의 경량화를 달성하고 있다. 자동차용 서브프레임도 적층 사형공법으로 개발된 주조용 중자기술과 결합하므로써 45%의 경량화 기술을 속속 선보이고 있으며, 금형없이 제작 가능한 광조형 방식의 정밀 주조기술도 선보이고 있다. 표면처리 분야도 표면연마와 도장기술이 3D 프린팅 기술과 결합하여 이미 생산 라인에 투입되는 기술로 입증되고 있는 상황이다.

獨·日 3DP·뿌리산업 접목 활발…산업기술 진화

공정개선·애로해결 경험축적 및 정책반영 적극 나서야

▲ 3D프린팅 활용을 통한 주조공정 혁신.

우리나라의 경우에도 한국생산기술연구원을 중심으로 20여년전부터 쾌속조형법을 바탕으로 신속한 중자, 주조용 주형 등의 시제품 제작 기술을 확보하고 있다. 역설계 기법을 활용한 선 개발된 외국 제품의 유사 신제품 개발, 3D프린팅 기술과 기존의 주조용 목형 기술의 결합, 복잡형상 분할형 쉘 코어 기술 개발 등이 이루어져 있으나, 제조 선진국들과의 격차는 이미 상당하게 벌어져 있는 실정이다.

지금처럼 뿌리산업과 3D프린팅의 접목을 통한 실제 산업기술 개발을 등한시 하면 그 격차는 점점 더 벌어지게 된다. 그나마 최근에 고융점 금속 직접 제조형 3D 프린터, 국내 개발된 고출력 3D프린팅 장비나 주물사 사용 3D프린터 출현, 고속 주형제조 시스템 입수 등은 반가운 뉴스중 하나이지만, 실제 산업용 기술로 발전될 수 있는 3D 프린팅기술 개발의 지원이 없어 막막한 실정이다.

뿌리산업을 포함한 제조업계에 3D프린팅 기술을 보급하고 활용이 활발해지게 하려면 어떠한 상품 개발이 가능하고 어떠한 제조상의 장점 및 문제점이 있는지를 정확하게 판단하고 그에 따른 지원책 및 해결책이 강구되어야만 한다.

그런데, 현재 정책의 초점은 적은 예산 등의 문제로 국산 장비 및 관련 소재 개발에만 우선적으로 맞춰져 있는 것 같다. 하지만, 기존 제조업 공정의 3D프린팅 적합성 개발 수요를 반영하지 않고 진행하는 3D프린팅 기술개발은 인위적 3D프린팅산업 규모만 키우는데 그칠 뿐이며, 실제 제조업에 융화되어 활용되기까지에는 또 다시 장구한 세월을 기다려야 한다.

따라서 제조산업에서 적용가능한 3D 프린팅 기술을 개발하고 구축하기 위해서는 1차적으로는 이미 선 개발된 외국의 우수 장비와 소재를 들여와 사용하면서 다양한 경험을 축적하고 뿌리기술과의 접목시 발생할 수 있는 애로기술을 어떻게 해결할 수 있는 지에 대한 노하우를 확보해야 한다. 이러한 경험을 바탕으로 2차적으로 국내 산업에 맞는 한국형 장비와 소재 개발 및 이에 따른 공정이나 상품 개발이 가능하다.

한국의 뿌리산업은 4개의 기술적 지향점을 가지고 있는데, 형상능, 동작능, 환경능, 공정능이 바로 그 것이다. 또한 뿌리산업계의 국제적 경쟁력을 얻기 위해서는 품질, 가격, 납기, 환경, 에너지, 소재, 생산성, 신뢰성 등과 같은 8개의 부문에서 각각의 경쟁력을 확보해야만 한다.

이를 위한 하나의 방안으로 지금부터는 3D프린팅 업계와 뿌리산업계 기술자 간 협업이 무엇보다 중요하다고 판단된다. 뿌리기업들이 신기술 도입에 따른 두려움을 떨치고 적극적으로 3D프린팅 기술을 받아들여 각자 공정개선이 시급한 부분에 적용하고 그 과정에서 3D프린팅 업계와 정부에 필요한 요청 사항을 지속적으로 전달해야한다.

정부와 유관기관들도 뿌리산업 전문가들로부터 산업발전에 필요한 진정한 3D프린팅 기술 개발 방향 및 전략에 대한 충언을 귀담아 듣고 이에 따른 발전 로드맵 및 구체적 프로그램 구축 및 지원에 앞장서야 할 것이다.

▲ 생산기술연구원에서 제작 지원한 중자(core), 상형, 하형 .