Update2024.05.21 (화)
금형强國 도약, 금속 3D프린터 활용에 달렸다
[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
뿌리산업은 주조, 금형, 용접, 열처리, 표면처리, 소성가공 등 6대 분야를 지칭한다. 과거에는 3D(dirty, difficult, dangerous)한 산업으로 인식하고 있으나 모든 기간산업의 부품을 제작하는 중요한 산업분야이다. 자동차에 있어서 2만4천개의 부품 중 87%가 이러한 뿌리산업으로 제조되는 부품으로 제조된다.
전세계적인 3D프린팅기술개발 및 관련 산업 시장의 급성장과 개인 맞춤형의 소량 다품종 제조시장으로의 패러다임 변화로 인해 이미 전문가가 아닌 일반인들 사이에서도 3D프린팅 기술에 대한 관심도가 증가되고 있으나 아직까지는 3D프린팅이라 하면 플라스틱을 이용한 피규어나 프로토타입 제품 제조에 한정되어 사용되는 것으로 인식하고 있다. 그러나 이러한 시장외에 기존의 전통산업과 접목하여 기존 제품보다 우수한 품질과 생산성 향상을 확보할 수 있는 시장분야가 3D프린팅을 활용한 금형분야이다.
금형은 중간재나 부품을 성형하는데 있어 필수적으로 사용되는 공구로서 플라스틱 사출성형, 금속의 다이캐스팅, 압연, 압출, 프레스, 인발 등 모든 가공공정에서 사용되고 있고 산업규모 또한 매우 크다. 세계 5대 금형강국인 일본, 중국, 독일, 미국의 금형 수출입현황을 조사한 결과, 지난해 우리나라 금형수출 규모가 세계 3위에서 2위로 한단계 올라선 것으로 조사됐다. 지난해 우리 금형산업은 수출 32억2,811만달러, 수입 1억5,881만달러로 사상 처음 수출과 무역수지 흑자 모두 30억달러를 넘어섰다.
본고에서는 아직까지는 보급단계에 있지만 3D프린팅을 활용한 고효율의 금형냉각코어 제작방법 과 적용된 사례를 살펴보고 금형강국으로서의 가능성을 타진해 보고자 한다.
■금속 3D프린터를 활용한 금형제작 기술
3D프린팅에 적용되는 소재로는 고분자, 세라믹, 섬유, 고무, 금속 등 다양한 소재가 사용가능하나 이들 소재 중 현재 상업적으로 직접 부품 제조에 활용되고 있는 소재는 고분자 및 금속소재로 볼 수 있다.
고분자소재는 시제품제작, 개인 맞춤형 제품시장, 피규어 등 다양한 분야에서 활용도가 높고 현재 3D프린팅 제품이라고 하면 이들 고분자소재를 활용한 제품을 떠올릴만큼 전체 3D프린팅 시장에서 차지하는 비중이 높으나 소재 특성상 강도가 낮아 실제 산업용 구조용 부품 제조에 사용하기에는 어려운 부분이 있고 금형, 금속 소재부품 등 금속 제품을 대체하는 데는 한계가 있기 때문에 근래에는 실제 구조용 부품제작, 의료용 임플란트, 금형소재 등에 직접적으로 활용될 수 있는 금속소재 3D프린팅 기술에 대한 관심도가 높아지고 있다.
ASTM(미국재료시험협회)에서 분류한 제조기술중에서 금속소재를 이용한 3D 프린팅 기술은 Powder Bed Fusion(PBF), Direct Energy Deposition(DED), Sheet Lamination(SL) 등 3가지가 있다.
3D프린터용 금속소재는 금속판이나 와이어 타입의 사용은 많지 않고 대부분 PBF방식이나 DED방식으로 제조되기 때문에 금속분말이 주로 사용된다. PBF 방식은 20-55㎛ 크기의 구형분말을 파우더 베드에 이송하여 50-120㎛ 두께의 한층에 레이저를 조사해 녹인 후 적층시켜 입체 조형 하는 방식이며, 다시 한 층에 분말을 공급하여 또다시 레이저를 조사하는 과정을 반복하게 되면 3차원 형태의 제품이 완성된다.
두 번째 방식인 DED방식은 보호가스분위기에서 분말을 실시간으로 공급하여 고출력의 레이저를 사용하여 공급 즉시 용융시켜 적층해 나가는 방식이다. 전세계 장비 판매량을 볼 때 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많으며 이들 장비의 70%가 독일에서 생산되며 2014년을 기준으로 ConceptLaser가 111대, EOS가 60대 판매가 되었다고 한다.
복잡한 냉각채널 구현, 고품질화·생산성 증대 기여
정부 고가장비 도입, 中企 금형제작지원 나서야
■금속 3D프린팅 기술, 금형분야 적용 활발
금형분야는 금속 3D프린팅 제품의 응용분야들 중 가장 주목받고 있는 분야로 볼 수 있으며 활발하게 적용이 확대되고 있다. 현재 금형은 사출성형용 금형의 냉각채널에 널리 활용되고 있으며 그 시장 규모도 제일 큰 것으로 알려져 있다.
최근에는 사출금형 개발분야에서 제품의 생산성 향상과 변형을 최소화하기 위한 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channel)을 가진 금형기술에 대해 연구개발과 적용이 활발히 진행되고 있다. 또한 수명연장을 위한 표면개질이나 보수재생분야에 활발히 적용되기 시작하고 있다. 3D프린팅 기술로 금형을 제작하면 짧은 SET-UP 시간, 공구 작동 오차감소, 생산성향상 등의 이점이 있다.
기존의 제작방식인 CNC에 의한 금형의 경우 가공방법 및 공구의 제약으로 인해 단순한 막대형태의 냉각수/유로가 설치된 냉각코아밖에 설치할 수 없어 사출제품에 온도편차가 없는 냉각이 불가능하다. 그러나 3D프린팅 방식을 적용하는 경우 <그림1>에 나타낸 바와 같이 금형내 냉각코어(Cooling Core)의 내부에 복잡한 냉각채널도 구현이 가능하여 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 배치하여 냉각효율을 높일 수 있고 이로 인해 사이클 타임감소 및 냉각속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있다. 또한 108℃ 내외의 온도를 가지는 시간도 전통적인 제작방법은 8초이나 입체냉각을 하게 되면 냉각시간을 절반으로 줄일 수 있다. 즉 장비 5대 가지는 있는 공장이 10대 장비를 가진 업체와 동등한 생산능력을 가질 수 있다.
자동차 변속기 제품의 다이캐스팅 금형 코어에 대해 3D프린팅기술을 적용한 사례가 있다. 이 금형은 제품의 복잡한 형상으로 인한 인서트 금형의 과열, 알루미늄 소착과 이로 인한 제품 표면이 거칠어지는 문제점이 발생하고 있었다. 이에 3D프린팅으로 금형코어를 제작하고 5축가공기로 표면을 가공해 적용한 결과 복잡형상부의 전면 냉각이 가능해져 소착이 억제되고 알루미늄 제품의 표면 급랭조직의 두께가 증가하였으며 제품 형상부의 광택이 증가하는 효과를 얻었다.
이외에도 냉장고의 guard 코어에 3D프린팅 기술을 적용, 코어에 냉각 수로를 설치함으로서 플라스틱 제품의 휨문제를 개선하였고 주조 사이클 시간을 65초에서 46초로 단축시킨바 있다. Guard 코어 외로 냉장고의 팬(Pan) 금형에도 적용한 사례가 있으며 3D프린팅기술을 적용함으로서 냉장고 팬의 편심량을 개선하여 냉장고 팬 소음을 감소시킨 바가 있다.
최근 독일에서는 <그림2>에 나타낸 바와 같이 1만4개의 스팀 노즐이 있는 발포금형제작이 양산적용되고 있고, <그림3>에 기존 이젝터 핀대신 금형 표면에 미세한 공기 통로를 만들어 공압을 이용한 취출방식 등도 연구되고 있다.
■금형·3D프린터 접목, 정부지원 절실
현재 3D프린팅 기술에 있어서 소재 및 설비의 제약으로 인해 금속분야의 응용범위가 제한적인것은 사실이다. 상기에서 설명한 바와 같이 금형제작, 기성 코어제작 등 금형분야의 수요량이 증가하고 있다. 국내에도 이미 금형제작 분야에 많은 적용 사례가 있으나 적용을 통한 효과에 대해서는 타 회사에 공개하기를 꺼려하는 것이 사실이다. 냉각코어 등 핵심부는 사출금형부터 시작하여 향후 다이캐스팅, 프레스, 압출 금형 등에 보편적으로 적용될 수 있을 것으로 전망된다.
뿌리산업의 발전을 위해서는 뿌리산업의 기초가 되는 금형분야와 3D프린팅기술의 접목이 매우 중요하다. 한번도 입체냉각몰드를 사용해보지 않은 생산자는 내구성이나 효율성이 의심을 가지고 있고, 또 경험과 기술이 축적되더라도 10억 이상의 금속 3D프린터 장비를 선뜻 구입하기에는 어려운 현실이다.
따라서 금형산업의 스마트화를 위해서는 정부가 나서야 한다. 이미 중국에는 입체냉각몰드 제작 지원해 주는 센터가 있다. 한국이 비록 일부 국가보다 늦었지만 지금이라도 국가차원에서 고가의 장비를 도입해 중소기업의 아이디어를 반영한 금형제작지원을 통해 중소중견기업 육성에 나서야 한다.
