Update2024.05.18 (토)
뿌리산업·3D프린팅 융합, 제조업 지속 발전 이끈다
[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
3D프린팅 기술과 뿌리산업과의 접목과 관련한 연재기고 마지막으로 정밀주조산업에서의 3D 프린팅 기술의 활용을 다룬다.
최근에 들어 3D프린팅 기술에 대해 ‘제조혁신이다’, ‘미래기술이다’라고 방송매체와 온-오프라인에서 이슈화되고 있지만, 이미 수십년 전에 원리와 원천기술이 확립된 기술이다. 특히 FDM(압출적층), SLS(선택적 레이저 소결) 등 주요 3D프린팅 기술의 원천 특허가 만료되어 자유롭게 사용 가능해졌으며 그간 3D프린팅의 주요 요소기술인 소재, 소프트웨어, 위치제어 기술 등의 발전으로 그 적용 범위가 확대되고 있다.
뿌리기술이란 앞선 기고문에서 여러 전문가가 언급하였듯이 제조산업의 근간을 이루는 주조, 금형, 용접, 열처리, 표면처리, 소성가공 등의 6대 기반기술로써 그 중요성이 높은 반면 열악한 제조환경으로 인해 외면 받고 있는 실정이다.
이를 해결하기 위해 제조환경개선, 고부가가치화가 필수적으로 이루어져야 한다. 3D프린팅 관련 하드웨어, 소프트웨어기술의 발전으로 뿌리산업과의 상호 융합을 통한 제조환경, 수익구조 개선 등이 시도되고 있으며 현재 뿌리산업에서 직면하고 있는 문제점의 해결 방안으로 제시되고 있다.
2012년 기준 모든 주조산업을 포함한 세계 생산 규모는 약 1억톤 이상으로 우리나라의 경우 약 250만톤으로 8번째 생산강국이다. 또한 전세계적으로 5만여개의 생산공장이 가동 중인 것으로 보고되어 있으며, 중국이 약 3만개로 가장 많고 인도(4,500개), 일본(2,100개), 미국(2,000개), 한국(890개) 순이다. 이 중 정밀주조업체는 전 세계적으로 약 1,600여개가 있는 것으로 파악되는데, 전체 주조업체의 약 3%에 불과하며 약 70%이상 아시아지역에 집중되어 있다.<그림 1>
정밀주조산업의 전 세계시장규모는 2011년 기준으로 115억달러이며, 전년 대비 약 15% 증가한 규모를 나타내고 있다. 2008년 세계경제위기 이후 급격히 감소하였으나, 2010년 기점으로 예년 수준을 회복하였으며 약 3% 정도 꾸준한 성장세를 이어가고 있다. 국내 시장규모는 2011년 약 2,100억원 정도였으며 세계 평균에 비해 크게 높은 약 20%의 성장률을 보이는 것으로 나타났다.
그러나 <표 1>에서 보듯이 국내정밀주조 산업은 자동차 및 산업기계 부품이 주류를 이루고 있으나, 선진국을 중심으로한 세계시장에서는 50% 이상이 항공우주부품, 귀금속, 의료기기 등의 고부가가치 제품에 주력하고 있으며 이들 제품에 3D프린팅 기술의 적용 시도가 이루어지고 있다.
금속 제품을 제조하는데 적용되는 3D프린팅 기술은 기본적으로 3D모델링 데이터를 이용하여 금속분말을 적층하는 방법(Powder Bed Fusion)을 생각하게 되나 3D프린팅으로 제작된 사형몰드 또는 왁스패턴를 이용하여 제품을 생산하는 적용하는 방법이 많이 이용되고 있다.
대표적인 예가 사형주조에 사용되는 사형몰드, 정밀주조에 사용되는 왁스패턴이 3D프린터로 제작되어 최종제품을 주조하게 된다.
정밀주조 기술은 소모성 왁스패턴에 세라믹 슬러리를 입혀 주형을 만들어 주조하는 것으로 크게 패턴제작, 주형제작, 용해/주조, 후처리 단계로 이루어져 있으며, 3D프린팅 기술은 패턴제작에 적용될 수 있다.
일반적인 정밀주조공정에서는 제품 형상의 패턴의 준비를 위해 금형몰드를 제작하여 사출해야 하는 단계가 필요하지만, 3D프린팅 기술을 적용할 경우 몰드가 불필요하다. 몰드가 필요하지 않다는 것은 단순히 몰드 제작에 소요되는 시간적, 경제적 비용의 절감뿐만 아니라 제품의 간단한 설계변경 등에도 금형을 다시 제작하지 않고 단순히 컴퓨터 모델링 파일의 수정만으로 원하는 왁스패턴을 확보할 수 있다는 것을 의미한다.<그림 2> 이는 프로토타입의 제품이나 설계변경이 많은 제품, 개발단계의 제품 제조에 탁월한 이점을 가진다.
정밀주조, 항공우주·귀금속·의료기기 고부가화…3DP 융합 활발
韓 뿌리산업 재도약 위한 3DP 보급·기술지원·제도마련 절실
■ 정밀주조 공정에서의 3D프린팅 적용 사례
정밀주조공정에서의 3D프린팅 기술은 액상 광경화성 수지 및 50㎛이하의 PMMA 수지를 주로 사용하는데 100㎛ 내외의 적층 두께를 가지기 때문에 중소형 정밀 부품인 쥬얼리, 덴탈용 초정밀 제품의 제조에 유리하지만, 대형 제품으로의 적용이 어려운 단점이 있다.
반면 사형주조의 경우 상대적으로 큰 모래를 사용하여 약 200~500㎛의 적층두께로 제작되어짐에 따라 정밀도는 다소 떨어지지만 중대형 제품의 제조가 가능하며, 주형을 여러 파트로 쪼개어 제작, 조립하여 사용할 경우 크기에 대한 제약이 거의 없는 장점이 있다.<표 2>
독일의 Voxeljet社에서는 binder jetting 방식을 적용하여 impeller 왁스패턴을 제작 후 정밀주조하여 제조한 사례가 있다. 45㎛ 크기의 PMMA 수지 분말을 적층, 결합제 도포를 반복하여 패턴을 제작하여 주입컵 부착, 세라믹 슬러리 코팅, 주조, 후처리를 단계를 거쳐 최종 제품을 생산하게 된다.
이 제품은 크기가 500×500×45㎜이며 왁스패턴 제조는 약 150㎛의 적층두께로 1.8시간 소요된다. 패턴 금형 제작이 불필요하여 제작 기간이 단축될 뿐만 아니라 제품의 설계자유도가 높고 최적화가 가능하여 블레이드 수의 증가를 통해 제품의 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.<그림 3>
액상광경화수지를 이용하는 SLA(광경화 수지 조형), DLP(디지털 광학기술) 3D프린팅 기술은 적층두께가 50㎛ 이하에 불과하여 주얼리, 덴탈 산업에서 보다 정밀하고, 소형 제품의 맞춤제작에 이용되고 있다. EnvisionTec社에서 DLP 방식을 적용하여 다양한 쥬얼리과 덴탈제품의 왁스패턴을 제작 후 정밀주조하여 제품을 제조한 사례가 있다.<그림 4>
특히 고가의 귀금속을 사용하는 쥬얼리의 경우 소재 손실을 줄이고 다양한 크기, 형태를 가지는 디자인 제품을 소량 생산가능하여 제고에 대한 부담을 줄이고 시장에서 요구하는 사항에 대한 빠른 대응이 가능하다. 또한 덴탈 산업에서는 모든 사람의 치아, 구강 형태가 다르기 때문에 기성품 형태의 제품은 불가능하여 기존에는 인플란트나 인공치아 치료시 본뜨기 작업이 필요하다.
그러나 3D프린팅 기술을 이용할 경우 구강스캐닝 데이터 파일로 왁스패턴의 제작이 가능하다. 이러한 1대 1 맞춤형 제작이 필요한 의료분야에서의 적용 확대가 기대된다.
이외에 자동차용 엔진블럭, 각종 임펠러, 터보챠저 부품에서 항공용 블레이드 부품, 생체의료부품, 전기전자부품 등 산업전반에 걸친 제품 적용 시도가 활발히 이루어지고 있다.<그림 5>
■ 맺음말
산업화의 중추적인 역할을 하던 뿌리산업이 정보통신기술의 발달 등의 고도화산업에 들어서면서 산업전반에 걸쳐 점차 외면받고 있는 실정이다. 모든 산업의 근간이 되는 뿌리산업 기술을 간과할 경우 산업의 기초가 무너진다는 중요한 사실을 잊지 말아야 할 것이다.
독일 등의 선진국의 경우 국제 경기가 어렵더라도 뿌리산업을 바탕으로 한 제조업이 든든한 버팀목 역할을 하고 있다. 이러한 선진국에 비해 산업변화에 대응하고자 하는 의지와 이를 뒷받침할 수 있는 정부지원, 제도마련 등이 현재까지는 부족했던 것이 사실이다.
특히, 국내 주조산업은 제조환경이 열악하여 대표적 취업기피 업종으로 취업난 속의 구인난이 지속적으로 나타나고 있어 기술의 영속적인 발전과 개발이 어려운 악순환이 계속되고 있다. 이러한 상황을 해소하기 위해 3D프린팅 기술의 주조산업 접목은 가장 효과적인 방법일 것이다.
현재 한국이 3D프린팅 기술이 미국, 독일 등의 선진국에 비해 낮은 수준이나 세계 최고 수준의 기술과 제조 인프라를 갖추고 있으므로 3D프린팅 적용 관련한 기술의 확보는 빠른 시일내에 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해 현장 주조산업업체에서의 3D프린팅 기술의 도입과 그에 따른 제조환경 변화에 대한 두려움을 없앨 필요가 있으며 뿌리산업과 3D프린팅 기술의 융합을 위해 정부차원의 집중적인 지원이 절실히 필요하다.
