[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


우리는 너무나 빠른 시대에 살고 있다. 그리고 이보다 더 빠른 시대를 부추기는 것이 요즘 여러 방송 매체에서 혁신이라고 이야기하고 있는 3D프린팅(3D Printing)이다.

3D프린팅은 기본적으로 적층 가공을 대원칙으로 하는 기술이다. 간단히 말해 어떤 방식으로든 한 층씩 만들어서, 쌓아 올려 붙여가는 것으로 형상을 제작하는 기술이 ‘3D프린팅’, 혹은 ‘AM(additive manufacturing)’이라고 불리는 기술이다. 그 기본적인 제작 과정은 <그림1>과 같다.

이 기술자체가 혁신적이라는 사실을 부정하는 이는 극히 드물다. 분명 앞으로의 거의 대부분의 가공 기술들이 이를 이용하거나 이와 융합된 형태를 가질 것이며, 그 소재들도 복잡화 다양화될 것이다. 하나의 단면을 계속 만든다는 형태로써의 이점은 현재보다 간소화되고, 일회용화되어가는 미래 시대에 가장 적합한 가공 공법일 것이다.

하지만 우리가 직면한 현실은 이상과는 조금 다르다. 우선 인식에 대한 문제를 들 수 있다. 3D프린터를 접한 대부분 실무자들의 인식은 ‘신기한 플라스틱 조형기’에서 끝나버리는 것이 문제점이다. 그 인식이 꼭 틀린 것만은 아니고 오히려 직관적이라고 표현할 수도 있는데, 그렇다고 해서 올바른 인식이라고 할 수 없다. 현재 시장에 나타난 모든 분야의 3D프린터들만으로 해결할 수 있는 것은 그다지 많지 않다. 하지만 기존의 공법, 기존의 기술에 3D프린팅을 첨가한다면 완전히 다른 이야기가 된다. 그 대표적인 예가 3D프린팅을 주조에 직접적으로 응용한 사례다.

워터자켓과 같은 냉각 회로를 갖고 있는 아주 복잡한 형상의 금속 부품을 얻기 위해서 들어가는 비용은 상상을 초월한다. 단순하게 돈만 들어가는 것 뿐만 아니라 그 비용에는 시간도 포함된다. 위와 같은 형상의 금속 시제품을 얻기 위해서는 보통 2개월~6개월 이상 소비된다. 즉, 이는 시제품을 얻기 위한 시간이며, 지금까지는 당연히 걸쳐야 하는 절차였다. 높은 가치의 물건을 얻기 위해서 모든 재화를 지불하는 것이 당연했던 시대에 우리는 있었다. 하지만 이제는 전혀 다른 시대에 우리가 살고 있음을 깨달을 필요가 있다.

▲ <그림1>3D프린팅을 통한 사형제작 과정 1)설계된 3차원 CAD 데이터를 일정한 두께 (보통 0.3mm)를 갖는 각 단면 데이터로 변환 2)모래를 일정한 두께로 도포 3)CAD 데이터에서 취득한 첫번째 단면 데이터에 해당하는 부분에 바인더 분사 4)테이블을 일정한 두께만큼 Z축 밑 방향으로 이동 5) 2)~4)번 과정을 반복 6)테이블을 위로 올리고 바인더가 분사되지 않은 모래를 제거 7)CAD 데이터와 동일한 모래 제품 (사형) 제작 완료.

▲ <그림2>voxeljet의 3D프린터로 워터자켓(左)제작시간이 3시간 내외로 단축된다. 3D프린팅을 통해 출력된 사형(右).

아주 복잡한 내부 구조를 가진 금속제품을 제작하기 위해서는 그 내부 구조와 동일한 사형 (Sand Core)가 필요하며, 이런 사형을 만들기 위해서 필요한 목형 또는 금형을 제작하는데 위에서 언급한 소비 시간의 대부분을 차지한다. 바로 이 많은 시간을 차지하고 있는 목형 또는 금형 제작 없이 바로 사형을 제작하는 것을 3D프린터가 가능하게 할 수 있기 때문에, 3D프린터의 파괴력이 상상을 초월한다는 것이다.

현재 사형을 제작하는 3D프린터는 Binder Jetting방식에 포함되며, 이 방식으로 사형을 제작하는 장비를 판매하는 회사는 전세계에서 독일의 ‘voxeljet’과 미국의 ‘EXONE’ 2곳이 전부다. 기존에는 Laser Sintering방식을 이용하는 사형 제조장비도 있었으나, 작은 Laser Beam으로 작업하는 방식을 이용하다 보니 Binder Jetting방식에 비해 매우 늦은 작업 속도 등으로 인해 이제는 시장에서 사라지고 있다. Binder Jetting 방식은 넓은 프린트헤드를 이용하여 넓은 면적을 1회에 작업할 수 있기 때문에 다른 3D프린터에 비해 아주 월등히 빠른 속도를 갖는다.

3D프린터들 중에서도 빠른 제작 속도와 넓은 제작공간이 특징인 이 방식으로 시간당 Z축으로 36mm를 제작할 수 있고, 최대 제작공간은 4m x 2m x 1m (X x Y x Z)까지 가능한 장비도 voxeljet에서 개발되어 판매 중에 있다.

위의 워터자켓을 제작하는데 고작 3시간 내외라는 것이 매우 인상 깊게 볼 내용이다. ‘최소 2~6개월을 이야기하던 그 작업이 3시간에 끝난다?’ 이것이 3D프린팅이 혁명이라고 하는 이유다. 3D프린터는 기본적으로 타 양산 시스템에 비하면 터무니 없이 느리고 적은 수량을 제작해낸다. 하지만 그 양산 시스템 이전 프로토타입 이라고 표현하는 시제품 제작에 있어서는 압도적인 효율을 자랑한다. 설계과정, 생산비용, 공정시간 등 모두에서 말이다.

6개월 걸리던 복잡한 부품제작 단 3시간으로 단축

주조산업 혁신, 3DP 적용확대 및 응용처 개발나서야

▲ <그림3>Nijhuis의 3D프린터 사용 효과.

3D프린팅을 적용하는데 가장 효율적인 분야는 다량생산이 아닌 다품종 소량 생산, 아니 극소량을 필요로 하는 분야이다. 연구개발에서 시제품을 1~2개 제작한다는지 또는 연간 생산수량이 10개가 되지 않는 특수한 제품들에 적용하기 아주 최적화된 장비가 3D프린터라고 할 수 있다.

선진국에서도 연간 생산수량이 많지 않은 제품의 양산에 3D프린터를 적극 활용하고 있는데 그 대표적인 사례로 네덜란드 펌프 제조사인 Nijhuis의 경우, 대형 펌프를 제작하기 위해 필요한 목형 제작 기간 및 비용을 3D프린터를 이용해 사형을 직접 제작함으로써 개발기간 단축 및 비용을 대폭 절감하고 있다. 이외에도 검색해 보면 3D프린터를 이용해 제작된 사형이 다양한 분야에 적용되고 있는 것을 알 수 있을 것이다.

주조는 모든 생산의 기초 기술이다. 이에 근래 들어 정부도 주조 및 기타 기초 기술의 중요성을 깊이 인식하여 뿌리기술이라는 카테고리를 만들어서 중점 육성하고 있다. 금형, 용접 등 많은 분야가 여기에 포함되어 있다. 누가 뭐라고 해도 뿌리기술은 정말 중요한 기초 기술인 것은 분명하다. 그 중에서도 가장 중요시 되고 있는 것이 주조이다.

요즘 우리나라에서 3D (Dirty, Difficult, Dangerous)로 대표되는 산업이 주조산업이다보니 많은 젊은이로부터 환영 받지 못하는 분야이고 취직하기 꺼려하는 분야이다. 하지만, 선진국에서는 주조산업이 핵심 산업으로 인식하여 많은 지원을 하고 있다. 깨끗한 환경에서 작업을 할 수 있는 환경을 만들어 간다. 그 대표적인 것이 3D프린터를 주조산업에 적용하는 것이다. 힘들고 어려운 분야를 3D프린터로 해결함으로써, 좋지 않은 느낌의 3D를 해소해 가는 것이다.

많은 사람이 힘들여 가면서 만들어야 하는 사형을, 3D프린터는 CAD 데이터를 이용하여 자동으로 원하는 사형을 만들어 준다는 것은 뿌리산업, 특히 주조에 있어서는 획기적인 변화이며, 젊은이들을 다시 주조 산업으로 이끌어 줄 수도 있을 것이다. 아이러니하게도 가장 구식으로 생각되던 주조가 가장 최신 기술인 3D프린터를 만나서 새롭게 태어나고 있는 것을 우리는 직면하게 될 것이다.

이에 대한민국의 먹거리를 책임질 뿌리기술 발전을 위해서 사형 제작용 3D프린터의 신속한 도입 및 확대 적용이 절실하다.

우리는 3D프린터를 보는 시선을 조금 달리 할 필요가 있다. 새로운 기술에 새로운 솔루션이 따르는 것은 당연하다. 기존의 공법과 새로운 기술을 접목시키는 것 또한 새로운 솔루션 제시에 한 방향을 담당한다. 3D프린터는 만능 기계가 아니다. 그 한계와 적용법이 제한적이다. 그 적용을 어떻게 할 것인가? 한계 안에서 어떻게 운영할 것인가에 따라서 아무 쓸모없는 애물단지가 될 수도 있고, 고부가가치를 매일 찍어내는 황금알을 낳는 거위가 될 수도 있다.

우리는 빠른 변화 속에 살아간다. 하루가 다르게 변하는 이 시대에서 혁명이나 급변의 상징으로 표현하는 3D프린터는 단순히 아름다운 조형의 단계를 넘어서 초경량화, 고강도의 제품을 신속히 만들어 낼 수 있는 열쇠가 될 수도 있고, 3D프린터로 제작된 다양한 사형들을 이용하여 제작된 복잡한 엔진은 에너지 효율을 높여 우리 생활을 윤택하게 하고 있다.

이미 주조산업에 있어 3D프린터는 깊게 관여하고 있다. 당신은 생각해야만 한다. 어떻게 하면 내가 제작하고자 하는 부품의 제작 프로세스를 혁신하여 회사 경쟁력을 높이는데 3D프린터를 활용할 수 있는가를.

▲ 3D프린팅에서 제작된 사형을 이용한 금속 임펠러 제작과정.