3D프린팅 수요·공급기업 협업 통한 新 적용분야 도전 시급

◇연재순서

(1)전시회 총괄 평가 (강민철 3D프린팅연구조합 상임이사)
(2)금속소재와 부품 응용 (정재원 재료연구소 선임연구원)
(3)산업용 플라스틱 소재의 활용과 전망 (김윤철 성균관대 교수)
(4)적층제조의 세라믹부품 개발현황과 기술적 이슈 (홍찬우 일루미네이드 이사)
(5)경량화와 효율 향상을 위한 설계기술과 S/W 개발 동향 (신진국 전품연 3D프린팅사업단장)
(6-完) 전문가 현장 간담회

2018년 폼넥스트(FORMNEXT)가 지난 11월13일부터 나흘간의 전시회와 컨퍼런스를 마치고 지난 11월16일 프랑크푸르트 메쎄에서 폐막됐다. 이 전시회는 TCT가 주관하여 영국, 중국 상하이, 한국 창원에서 매년 개최되고 있으며 일본에서는 내년 1월에 처음으로 개최된다. 미국에서는 Rapid란 이름으로 개최되는 세계 최대의 산업용 3D프린팅 전시회다. 초기의 전시회는 주로 장비 및 소재업체 중심이었으나 점차적으로 서비스, 소프트웨어, 적층제조물 후공정 기업 등으로 확대·다변화되고 있다.

FORMNEXT란 이름에서도 알 수 있듯이 미래의 제품 형태를 제시함과 동시에 이에 따른 제조방법의 지평을 알려주는 것으로 올해 4번째 개최되었다. 필자는 첫 전시회부터 방문하였으며 매년 전시부스가 확장되고 참관객도 증가하고 있음을 실감했다.

총 참관객수는 32개국에서 2만7,000명에 육박하며 외국인이 차지하는 비중이 절반에 가깝다. 전시업체도 632개로 전년도에 비해 35%가 증가하여 내년부터는 새롭게 단장한 Portahause로 이동하여 전시된다고 한다. 플라스틱 전용 장비업체들이 금속적층제조 방식의 장비를 전시하지는 않았지만 스트라타시스(Stratasys), HP 등에서도 곧 출시를 앞둔 분위기였다.

이번 전시회의 특징을 살펴보면 첫째, 소재기업의 약진이다. 플라스틱의 경우 기존의 PLA, ABS 필라멘트 위주에서 PEEK, PEKK, ULTEM, 폴리아라미드(PA) 등 엔지니어링 플라스틱을 활용한 분말, 광경화수지 등 다양한 기업이 전시를 했다, 엔비전텍(EnvisionTec)의 경우 금형 대체용으로 사용되는 QDM( Quick Delivery Mold)용 소재는 경우 1천회까지 가능한 광경화성수지를 소개하여 준양산이 가능함을 소개했다.

금속의 경우 과거 타이타늄, 니켈계 초내열합금인 인코넬 718, 625, Al-Si 계열의 알루미늄 합금 등 20여종에 불과했으나 열전도성이 우수한 순수 구리와 CuCrZr, 인코넬 939, Al-Fe 계열의 고온용 합금, 경량 고온강도가 우수한 TiAl 금속간 화합물, 초경량소재인 마그네슘 합금 등이 대거 등장했다. 그러나 향후 개발되어야할 소재는 무궁무진할 것으로 예상되며 한국도 소재강국으로서 많은 가능성을 가지고 있다.

▲ 3D프린팅연구조합의 참관단이 폼넥스트에서 금속분말제조기업인 Blue power system의 부스를 방문하여 설명을 경청하고 있다.

둘째, 보다 대형으로 보다 정밀한 장비의 출현이다. 대형장비의 가속화는 이미 2-3년 전 부터 시작되었지만 GE Additive, EOS, 트럼프(Trumpf), SLM 등 메이저 기업이 선도하고 있지만 3D시스템즈, 중국 BLT 등이 추격하고 있는 양상이다. 아울러 금속 와이어를 이용한 방법과 금속분말을 DED로 적층하여 가공하는 방식으로도 대형화를 추진하는 다수의 기업이 있다. 또한 적층 시간단축을 위한 적층 후 후처리 이동, 분말의 재사용을 위한 장비 등 후공정, 적층 후 내부결함을 관찰하기 위한 CT 장비 등이 눈이 띄었다.

셋째, 자동차부품의 양산화 가능성이다. SLM과 Hofmann 그룹에서 자동차 한 대를 적층제조로 제조한 부품으로 제조된 완성차를 전시하기는 했으나 이는 기술력을 과시한 쇼(show)의 성격이었다. 과거에는 프로토타입 또는 시제품, 열교환기 등의 제품이 단골 메뉴였으며 모터 스포츠용 튜닝 부품이나 단종된 클래식 카 등 생산수량이 얼마 안되거나 연료 인젝션 등 실험적인 부품이 주를 이뤘다. 그러나 이번 전시회에는 적층제조 방식으로도 대량생산이 가능성 부품이 쏟아져 나왔다.

▲ Hofmann 부스에 전시된 적층제조 부품으로 구성된 자동차. 주요 흴, 범퍼, 시트프레임 등이 다양한 소재로 자체를 구성하였다.

대표적인 사례가 친환경자동차 부품이다. 특히 배터리의 효율향상과 수명향상을 위한 배터리 쿨링 베드, 배터리의 고열을 방지하기 위한 쿨러, 모터의 냉각장치 등은 주목할 만하다. 그 이유는 공간을 효율적으로 이용하기 위한 열방출 특성을 최대한 살릴 수 있고 경량화가 가능하기 때문이다. 그 외 캘리퍼, 너컬, 실린더 헤드 커버(캠 커버), 피스톤, 휠, 시트 프레임, 하우징류 등 경량화가 필수적인 부품에 우선 적용가능하며, 일부 연간 생산량이 많지 않은 차량의 경우 리프트 힌지 등은 양산적용하고 있다. 다만, 앞으로는 적층시간을 빠르게, 분말가격은 저렴해져야만 양산 가능성은 더 높아질 것이라고 생각한다.

소재 다양화·장비 대형화·SW 통합화·中-日 약진 등 ‘춘추전국시대’ 방불
車 배터리 성능향상 적용 인상적, 시장 요구 설계기반 소재부품 상용화 추진해야

넷째, 적층제조 관련 소프트웨어가 춘추전국시대로 접어들었다. 과거 3D 도면을 DfAM(적층제조 특화 설계), melt pool 모니터링, 응력해석 단계를 뛰어넘어 적층 후 치수변형, 열응력분포, 내부 결함 가능성을 예측하는 프로그램 등이 개별적인 소프트웨어가 아니라 통합적인 프로그램으로 진화되고 있다.

▲ 배터리의 수명연장과 효율성을 향상시키기 위해 필수적인 부품인 전기자동차용 배터리 냉각 베드. 경량화와 냉각효율 향상, 공간확보를 위해 적층제조 방식으로 접근한 사례이다.

마지막으로 중국, 일본업체의 약진이다. 이번 전시회에 상당수의 중국과 일본의 업체가 참가한 것이 눈에 띄었다. 산업적으로 성공한 것은 아니지만 중국은 광경화수지를 사용하는 SLA 및 FDM 장비를 비롯하여 화순, BLT 등 금속 적층 전문업체가 적층크기에서 압도하는 수준으로 성장하였다. 그 외 플라스틱 소재 기업과 다수의 금속분말 업체가 대거 참가하였다.

일본의 경우 PBF 적층 및 절삭가공을 반복하는 하이브리드 장비를 제작하는 소딕사와 마쯔우라가 장비를 전시하고, 미쯔비시 케미컬과 PREP 방식으로 분말을 제조하는 JMAMPT 기업 등이 출품하는 등 지난해에 비해 참가사가 부쩍 늘어났다.

세계는 장비기업과 굴지의 수요기업이 성공사례를 쏟아내고 있다. 반면 한국은 초기에는 정부 주도형으로 많은 개발과제와 교육 프로그램이 진행되었다. 여전히 국내 관련 산업은 선진기업에 비해 투자 열위에 있고 각 소재부터 공정까지 가치사슬별 집중지원이 요구되고 있다.

따라서 국내 자체적인 기술개발이 부족한 점도 있지만 중요한 것은 수요기업이 대상 품목을 찾고 중소기업과 협력하는 것이다. 국내에는 반도체 장비, 의료용 부품, 발전 및 방산 부품 등 개발 품목에 도전적인 자세가 필요하고 이제는 수요기업과 장비기업이 함께 나서야 할 때다. 우리도 디지털 프로세스 체인이라는 거창한 말보다 대기업 등 수요기업이 시장관점에서 설계기반의 부품 및 소재개발을 통한 상용화 추진이 절실히 요구되는 시점이다.

▲ 3D프린팅연구조합 참관단은 독일 쾰른 북부에 위치한 SMS 그룹을 방문하여 양국간의 상호 관심사를 논의하고 금속 분말제조 제조과정과 부품제조현황 등을 견학했다.