▲ 3D시스템즈가 출시한 왁스 패턴 제작용 3D프린터 ‘프로젯 MJP 2500IC’는 복잡한 형상이나 가공이 힘든 합금 제품을 만드는데 최적화 됐다.

우리나라가 제조업 강국으로 도약하는데 기반이 된 뿌리산업은 자동차, 가전 등 주요 수요산업의 침체로 성장이 정체되고 있고 주 52시간 근무제의 도입과 신흥국과의 경쟁 심화 등으로 위기를 겪고 있다. 특히 4차 산업혁명시대 도래와 함께 산업 트렌드가 갈수록 경량화·고강도의 제품을 신속히 개발·생산하는 방식으로 바뀌면서 공정 변화가 필요한 상황이다. 제조공정 혁신의 중요한 기술인 3D프린팅이 금형, 주조 등 뿌리산업의 ‘스마트화’에 기여할 솔루션을 날로 확대하고 있음을 확인할 수 있는 자리가 마련됐다.

한국금형공업협동조합(이사장 박순황)이 주최하고 산업통상자원부와 중소벤처기업부, 중소기업중앙회 등 후원으로 ‘제24회 국제금형 및 관련기기전(INTERMOLD KOREA)’이 3월12일부터16일까지 일산 킨텍스에서 열렸다.

이번 전시회는 중국, 독일에 이어 세계 3대 금형 관련 전시회로 ‘스마트(Smart) 금형산업, 4차산업 혁명을 주도한다’라는 주제로 우리나라를 비롯해 미국, 일본, 독일, 스위스 등 20개국, 450여개 업체가 금형 소재부품, 공구, 금형가공 공작기계, 기타 관련기기 등을 출품했다.

전시회 주제를 스마트로 정한 배경에는 세계 생산 5위, 수출 2위인 우리나라 금형산업의 위기와 직결된다. 우리나라 금형산업 수출은 지난 2014년 수출 32억달러로 최대실적을 기록한 이래 2017년 28억달러, 2018년 29억달러로 정체를 거듭하고 있다. 금형생산도 2017년 기준으로 전년대비 2% 성장한 9조3,429억원을 기록했는데 지난 2013년부터 2017년까지 연평균성장률 5%에 비교하면 부진한 결과다.

이와 같은 금형산업의 위기는 세계 경기회복 둔화 및 보호무역주의 강화에 따라 주요 시장인 자동차, 전자 등이 침체에 빠졌고 후발주자인 중국 등 신흥국과의 경쟁심화와 함께 주 52시간 근무제 도입에 따른 인건비 상승 등에 따른 것이다. 그간 한국산 금형의 경쟁력은 납기 준수와 높은 품질이 기반이 됐기 때문에 이를 이어가기 위해 정부와 금형조합은 스마트공장 도입과 공정혁신 사업을 지원하고 있다.

제조업 패러다임 전환으로 인해 뿌리산업은 단순 제조에서 벗어나 고객의 요구를 즉각 반영해 맞춤형으로 제품과 서비스를 제공해야 하기 때문에 3D프린팅 기술과의 융합이 확대되고 있는 추세다.

일찍부터 자동차업계에서는 지그, 컨셉카 제작을 위한 시제품 제작 생산을 위해 3D프린팅을 활용해 왔으며 자동차 개발주기가 갈수록 빨라지고 단종 부품 생산 및 관리 등이 필요해지면서 자동차 기업들은 다양한 디자인의 부품을 빠르고 저렴하게 생산할 수 있는 3D프린팅을 양산부품 생산공정에 도입하는 것을 목표로 하고 있다.

이번 전시회에서도 시제품 제작을 넘어 부품양산 공정에 적용이 확대되고 있는 3D프린팅 솔루션이 대거 출품됐다. 3D프린팅은 보다 복잡한 금형, 목형·금형이 필요 없는 주조공정 혁신 등에 활발히 활용되고 있으며 다품종 소량 부품의 경우 기존 공정대비 경쟁력에서 앞서가고 있다.

■다품종 소량 정밀주조 생산 최적화
3D프린팅은 정교한 다품종 소량 제품을 생산하는데 최적화된 기술이다. 이번 전시회에서 3D시스템즈코리아는 인베스트먼트 주조 공정에 사용가능한 왁스 패턴 제작용 3D프린터인 ‘프로젯(ProJet) MJP(MultiJet Printing) 2500IC’와 함께 다양한 어플리케이션을 선보였다.

인베스트먼트 주조(로스트 왁스)는 생산하고자 하는 주물과 동일한 모형을 왁스나 플라스틱으로 만들고 형상의 패턴 표면에 슬러리와 세라믹 등의 내화물을 입히고 굳혀 주형을 제작한 후, 주형 내의 패턴을 제거하고 용해된 금속을 주입함으로써 주물을 생산하는 정밀 주조의 한 방법이다. 복잡한 형상이나 가공이 힘든 합금 제품을 만들기에 좋은데 기존엔 왁스 패턴을 만드는데 있어 사출에 필요한 금형이 필요했지만 3D시스템즈의 ‘프로젯 MJP 2500IC’을 통해 어떠한 모양이라도 빠르게 생산이 가능하다. 특히 디지털로 수백개의 패턴을 단 시간내에 확보·수정할 수 있기 때문에 시간과 비용을 크게 절감하면서 부품의 구조 최적화, 경량화 등을 통한 고부가화가 가능하다.

백소령 3D시스템즈코리아 본부장은 “항공 블레이드나 전기전자 임펠러와 같이 움직이는 부품은 무게중심 때문에 균형을 잡아야 하기 때문에 정밀주조 생산에 있어 정밀한 설계와 출력이 가능한 3D프린팅이 경쟁력을 가지고 있다”고 밝혔다. 이밖에 3D시스템즈는 주얼리, 덴탈 등의 산업 분야를 타깃으로 ‘MJP W 시리즈’ 3D프린터를 판매하고 있는데 왁스가격을 대거 낮춰 수요처에 호응을 얻고 있다.

세계적인 사형주조용 금형제작 3D프린팅 전문기업 독일 복셀제트(Voxeljet)社의 장비를 유통하고 있는 KTC는 정밀주조 3D프린터를 선보였다. 이 장비는 소모성 왁스패턴(PMMA 수지)를 바인더젯(Binder Jet) 방식으로 적층 후 표면에 세라믹 슬러리를 입혀 주형을 만들어 왁스패턴을 제작한다. 이 공정은 사형주조와 마찬가지로 패턴 제작을 위한 금형이 필요없어 시간과 비용을 절감할 수 있고 쉽게 원하는 형상의 패턴을 얻을 수 있다.

▲ 스트라타시스는 빠른 시제품제작 또는 소규모 제품생산에 필요한 간이금형 출력 솔루션을 선보였다.

■시제품 및 소량 부품 제작, 금속 금형 없이 빠르게
3D프린팅은 시제품 제작에 필요한 금속 사출금형을 플라스틱으로 대체함으로써 시간과 비용을 크게 절감하고 있다.

스트라타시스는 빠른 시제품제작 또는 소규모 제품생산에 필요한 간이금형 출력 솔루션의 실제 응용사례를 중점 홍보했다. 스트라타시스의 폴리젯 방식 3D프린터 ‘Connex 500’를 통해 ABS 소재로 사출에 필요한 정밀한 플라스틱 금형을 값싸고 빠르게 제작할 수 있다.

일례로 독일 가전 및 차량용 전자기기 제조사인 SEUFFER은 제품 개발과정에서 스트라타시스의 3D프린터로 시제품 제작에 필요한 플라스틱 금형을 제작해 기존 금속금형대비 비용과 시간을 각각 98%, 96% 절감했다. 독일 Berker도 소형 제품제작에 필요한 사출금형을 3D프린터로 출력했는데 이를 만드는데 개당 4~5시간 밖에 걸리지 않았고 비용도 1천~1,200유로에 불과했다.

독일 소형 정밀 사출 성형기 전문기업 Dr.Boy社는 자사의 사출성형기에 스트라타시스가 출력한 간이금형으로 제품을 생산하고 있다. 일본에서는 이러한 디자인회사를 중심으로 이러한 장비가 구축돼 출력서비스를 제공하는 사례가 확대되고 있다. 스트라타시스는 시제품을 넘어 PET병이나 기타 플라스틱 부품 제작에 필요한 거푸집을 출력해 사용하는 소프트 몰드 기술을 강화하고 있다.

▲ 자이브솔루션즈 전호성 팀장(右)과 직원들이 로봇팔이 장착돼 현장에서 대형 사형주조 제작이 가능한 ‘VIRIDIS 3D’ 3D프린터 솔루션을 소개했다.

■목형·금형 없이 빠르게 부품 제작
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 보통 2개월~6개월 이상 시간이 필요하다. 그러나 3D프린팅을 활용하면 목형 또는 금형 제작과정없이 바로 사형을 제작할 수 있기 때문에 단 하루면 충분하다. 때문에 3D프린팅은 잦은 디자인 변경이나 다품종 소량생산이 필요한 분야에서 각광받고 있다.

주원의 3D프린팅솔루션 자회사인 ㈜자이브솔루션즈는 로봇팔이 장착돼 대형 사형주조 제작이 가능한 ‘VIRIDIS 3D’ 3D프린터 솔루션을 소개했다. 이 장비는 로봇팔로 모래와 바인더 레진을 시간당 6cm 속도로 적층할 수 있는 장비로 주조 현장에 바로 설치가 가능해 공간의 제약이 덜하다는 특징이 있다. 프린트 헤드를 추가하면 900x900x1800mm(가로x세로x높이) 이상의 대형 부품 제작이 가능하며 사용된 모래도 기존 사형주조 방식에 재사용이 가능해 경제적이다.

▲ KTC는 사형주조용 몰드 제작에 사용되는 복셀제트의 대형 3D프린터와 출력물을 소개했다.

KTC는 사형주조용 몰드 제작에 사용되는 3D프린터와 출력물을 소개했다. 복셀제트의 사형주조 3D프린터는 최대 4mx2mx1m(가로x세로x높이)까지 대형으로 제작이 가능하기 때문에 기존 주조공정을 완전히 대체할 수도 있다. 특히 납기일을 90% 이상 단축할 수 있으며 기존 공정대비 무게를 18%(45kg)나 감소시킨 사례도 있어 경량화 트렌드에 적합한 솔루션이다.

▲ 삼영기계는 사형 3D프린터로 주조용 몰드·코어 및 주조품 제작 서비스사업을 추진 중이다.

삼영기계(주)의 3D프린팅 서비스 브랜드인 샌드그래피는 독일 엑스원(EXOne)社의 바인더젯 방식의 사형 3D프린터로 주조용 몰드·코어 및 주조품 제작 사업을 소개했다. 회사는 43년 이상 주조공정 노하우를 바탕으로 3D데이터입수에서 출고까지 3~7일 이내에 몰드를 빠르게 출고하는데 노력을 기울이고 있다. 특히 일체형 코어 출력 서비스를 통해 고객의 작업 효율 향상과 합형시 품질문제를 감소하는데 기여하고 있다. 주조품 시제품 제작 서비스도 제공하는데 주철, 알루미늄, 주강, 스테인리스, 특수강 등 다양한 소재가 가능하다.

▲ 3D시스템즈의 ‘프로젯 CJP 660’로 표면조도가 향상된 부품을 제작할 수 있다.

3D시스템즈는 사형 3D프린팅과 유사한 잉크젯 방식의 ‘프로젯 CJP 660’를 소개했다. 이 장비에 쓰이는 소재는 석고와 바인더이며, 주형틀을 출력해 주조하면 제품 표면조도가 훨씬 향상되는 효과가 있다. 또한 CMYK 컬러를 사용하기 때문에 견고하고 고해상도로 출력이 가능해 의료, 교육, 미술품 생산 등에도 활용할 수 있다.

▲ 프로토텍은 대량생산에 초점을 맞춘 데스크탑 메탈의 솔루션을 소개했다.

■적층제조 부품 양산 미래 제시
3D프린팅의 궁극적인 목표는 부품을 직접 양산하는 것이다. 이를 위해선 소재 다양화, 속도 개선, 출력 크기 증대, 자동화 등에 대한 개발이 더 필요한데 글로벌 기업들은 이러한 솔루션 개발에 박차를 가하고 있다.

3D시스템즈는 레이어링 없는 연속출력방식을 채택해 기존 3D프린터 대비 최대 15배나 빠른 속도를 자랑하는 비접촉식 연속적층 DLP( Non-contact membrane DLP) 방식 3D프린터인 ‘Figure 4’를 선보였다.

Figure 4는 개별 모듈로 초고속 적층 제조 기술을 구현하여 조립 라인에서도 최종 완제품의 세척, 건조 및 경화 공정을 포함해 자동 조립 라인의 보조 공정에 사용될 수 있다. 소재 다양성과 경제성 확보를 위해 3D시스템즈의 소재 디자인 센터는 Figure 4에 사용되는 생산 등급 소재 중 기존 성형 제품 및 우레탄 주조를 실제로 대체할 수 있도록 개발했다. 이번 전시회에서는 우선 독립형 프린터인 Standalone이 출시됐는데, 이 제품은 시간당 103mm에 달하는 빠른 출력 속도를 자랑하며 고강도·고기능 부품 제작이 가능한 플라스틱 계열 소재와 탄성 소재, 보석 가공과 기타 산업용 캐스팅 제작이 가능한 소재 등 다양하다

스트라타시스, 데스크탑 메탈, 트럼프 등 세계적인 3D프린팅 솔루션을 유통하는 프로토텍은 대량생산에 초점을 맞춘 데스크탑 메탈 장비와 기술을 소개했다. 금속분말과 바인더가 섞인 필라멘트를 FDM처럼 녹여서 금속 부품을 출력하고 디바인더, 소결 등 후처리를 거치는 방식인데 손으로 서포터를 제거할 수 있고 고가의 레이저를 사용하지 않기 때문에 유사 레이저 기반 시스템 대비 10배나 저렴한 것이 장점이다. 프로토텍은 올 상반기부터 본격적인 영업 활동에 나선다는 계획이다.