기사 메일전송
  • 기사등록 2019-05-17 15:58:13
기사수정

3D 프린팅, 다양한 제조공정 속 차별화 무기


■ 기술의 정의 및 분류


2016년 2월 스위스 다보스 세계경제포럼에서는 4차 산업혁명은 인공지능, 빅데이터, 사물인터넷, 생명공학기술, 3D프린팅 기술 등의 10대 유망기술의 융합으로 완성될 것이라고 밝히고 있다. 3D프린팅기술은 3D도면과 재료, 레이저 등을 소스로 하는 적층장비만 있으면 금형 없이 바로 제품화가 가능하다. 기존 전통방식으로 제조가 불가능한 입체냉각몰드, 항공기부품 등을 더욱 경량화하는 방향, 그리고 개인 맞춤형 의료용 부품 등으로 새로운 시장영역을 꾸준히 확장하고 있다.


과거에는 급속조형을 의미하는 RP(Rapid Prototyping)란 용어는 의미가 퇴색되고 최근에는 절삭가공(Subtractive Machining)과 대비되는 적층제조(Additive Manufacturing)가 공식적인 용어로 자리 잡고 있다. 즉 제품의 생산에 앞서 확인하는 기술이 아니라 양산을 위한 기술을 의미하며 ASTM에서는 총 7가지의 기술로 정의하고 있다.


■ 기술의 원리


적층제조장비로 금속부품을 만드는 방법은 <표 3-2-1-2>에 나타낸 바와 같이 간접방식과 직접방식으로 나눌 수 있다. 직접방식은 금속분말 또는 와이어를 사용하는 방식이나 간접방식은 정밀주조나 사형주조를 위하여 왁스 패턴이나 사형(sand mold)를 입체적으로 만드는 기술이다.


직접방식은 금속분말이나 금속 와이어를 사용하여 레이저, 전자빔(Electron Beam), 플라즈마를 에너지로 사용하여 직접 용융시켜 3차원으로 형상을 제작한다. 직접방식은 PBF(Powder Bed Fusion)방식과 DED(Directed Energy Deposition)방식으로 대별되며 최근 이러한 적층과 가공을 겸한 하이브리드 장비가 일본을 중심으로 시판되고 있으며 일부 업체에서는 금속 와이어를 사용하여 적층 종료 후 최종형상으로 기계가공으로 마무리하는 방법도 적용되고 있다.


PBF 방식은 분말공급 장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수 십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층 한 층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다. PBF 방식은 SLS(Selected Laser Sintering) 또는 SLM(Selected Laser Melting), Laser Curing, DMLS(Direct Metal Laser Sintering) 등의 용어가 제조 메이커마다 혼용하고 있으나 그 원리는 동일하다.


과거에는 SLS란 용어를 많이 사용했는데 소결(sintering)이란 용어는 레이저의 성능향상으로 에너지원이 바로 금속분말을 용융할 수 있어 최근에는 melting 또는 fusion이란 용어가 더 많이 사용되는 것이 현실이다. 이들 분말을 용융방법은 에너지원에 따라 레이저와 전자빔으로 나누어지는데 적층이 완료되면 열처리 과정을 거쳐 최종 제품으로 사용된다.


DED 기술은 kW급의 집속된 열에너지에 의해 소재의 용해 및 응고과정을 통한 3차원 형상의 적층기술이다. 즉 레이저빔과 같은 고에너지원의 조사에 의해 모재표면에 형성된 용융풀(melt pool)에 외부로부터 분말소재를 공급하여 급속용융과 응고과정을 거쳐 모재표면에 새로운 층을 만들고, 이층을 CAD Data로부터 산출된 공구경로에 따라 반복적으로 적층하여 조형하는 기술이다.


DED 기술의 최대 장점은 금속제품의 조직이 치밀하여 강도 및 연신율 등 기계적 물성이 매우 우수하고, 단일 분말 뿐 아니라 이종의 금속분말을 사용하기 때문에 표면 내구성을 위해 다층(multi layer) 구조도 가능하다. 주용 활용분야로는 또한 손상된 금속부품이나 금형 등의 보수재생이 용이하고, 대면적의 제의 적층이 가능하다. 그러나 단점으로는 복잡한 over-hang 구조는 불가능하여 내부의 중공화가 부분적으로 가능하여 경량화와 구조강성 향상을 위한 적층제조의 장점을 극대화하기에

는 어려운 점이 있다.


PBF와 DED의 장단점을 <표 3-2-1-3>에 정리해 두었으며, 전 세계 장비판매량은 비교적 정밀하고 형상자유도 구현에 유리한 PBF 방식이 월등히 많다. 간접방식은 정밀주조의 경우 왁스를 대신하여 패턴을 PMMA 수지 또는 광경화성 수지를 적층한 후 세라믹 코팅 후 가열하여 패턴을 제거한 공간에 용융금속을 주입하는 방법으로 비교적 중소형부품 제작에 사용된다. 주로 사용되는 패턴 적층제조 기술은 광경화 수지를 사용하는 방법과 PMMA 수지를 접착제로 분사하는 Binder Jetting 기술이 사용된다. 치과용이나 쥬얼리 산업에서는 정밀도가 우수한 DLP를 사용하며 중형 크기 정도의 부품은 Photopolymerization(SLA) 또는 PMMA 수지를 사용하여 항공기 터빈브레이드나 각종 밸브류, 자동차 터보용 부품에 널리 적용되고 있다.


사형주조는 과거 목형이나 금형을 제조하지 않고 모래를 적층하며 주로 접착제인 바인더를 선택적으로 분사하는 Binder Jetting 방식을 이용하여 적층 크기 및 시간 단축이 가능하여 최장 4m의 크기까지 제작이 가능하다.


소비자 욕구 충족 맞춤형 다품종 소량 생산 가능
4차 산업혁명시대 스마트 팩토리 등 新시장 창출


■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성


누구나 도면만 있으면 제품을 생산할 수 있는 적층제조기술은 ‘4차 산업혁명’, ‘제조업의 인터넷 혁명’으로 불리며 전 세계의 관심을 한 몸에 받고 있다.


아직까지는 장비 및 재료가격이 비싸고 대량생산이 힘들다는 한계로 회의적인 시각도 존재하고 있다. 그러나 소비자가 직접 제품을 만든다는 제조업의 패러다임의 변화와 기존의 제조공정을 파괴하는 능력을 가고 있다.


삼성경제연구소는 2013년 ‘미래 산업을 바꿀 7대 파괴적 혁신기술’이라는 보고서를 통해 적층제조기술이 웨어러블 컴퓨터, 상황인식 기술, 자동 주행자동차, 초경량 소재, 유전자 치료제, 포스트 배터리와 함께 향후 10년 내에 구현될 가능성이 큰 혁신기술로 선정한 바 있다. 이들 기술은 새로운 시장과 사업모델을 만들어내는 기술들로 특히 장기화되는 저성장 국면을 타개할 것으로 기대를 모으면서 적층제조기술이 신산업으로 각광받고 있음을 알 수 있다.


이 기술은 이미 20여 년전 활용된 기술이나 최근 플라스틱 수지의 다양화, 색체 도입뿐만 아니라 금속, 세라믹 등 소재의 다양화가 진행되고 산업체의 활용도가 확장되고 있다.


적층제조 기술이 미래의 강력한 생산제조 기술로 진화하면서 산업생태계의 동반 발전이 필수적이다. 적층제조산업 생태계는 소재, 장비, 서비스 요소를 직간접적으로 연결해 대규모의 적층제조산업 생산요소와 자원의 네트워크를 통합하고, 이를 통해 전 세계 수요기업에 토털 솔루션을 제공하게 될 것이다. 4차 산업혁명 시대 제조산업의 핵심 생산기지로 회자되는 스마트 팩토리와 같이 최근 적층제조 산업의 서비스 사업을 주도하는 글로벌 기업에서는 3D 프린팅 산업생태계에 기반한 새로운 개념의 적층제조 공장을 제안하고 있다. 이러한 공장의 워크플로는 모델링, 머시닝, 모니터링의 세 단계로 구분할 수 있는데, 이를 지원하는 SW의 운영체제 확보가 적층제조 서비스 사업의 중요한 과제이며, 새로운 시장을 창출할 수 있는 영역이다.


지금까지 기업들은 소비자가 좋아할 만한 상품을 개발해 대량생산해서 최대한 많이 판매하는 것을 목표로 삼았다. 그러나 적층제조기술을 이용하면 다양한 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있는 맞춤형 다품종 소량 생산이 가능하다. 제조공정의 다양화 속에서 기업의 차별화된 무기가 될 가능성이 높기 때문에 제조업계가 적층제조기술을 주목하고 있는 이유는 다음과 같다.


첫째는 ‘Freedom of design’이다.


항상 엔지니어는 제조 설계단계에서 적용할 제조공정, 즉 주조, 단조, 압출, 프레스 등의 공정을 염두에 두기 때문에 언더컷이나 내부 중공화 등을 고려한 설계가 중요하다. 그러나 적층제조기술은 엔지니어가 설계한 디자인을 그대로 적용가능하기 때문에 기존의 전통적인 제조공정에서 만들 수 없는 어떠한 제품도 제작이 가능하다.


아래 그림에 나타낸 것과 같이 복잡한 냉각채널을 가지는 열교환기 부품의 경우 기계가공으로는 복잡한 냉각수 채널을 제조할 수 없으나 적층제조기술을 적용하면 가능해진다. 일반적인 열교환기는 파이프를 가공하거나 주조를 통해 제한적인 디자인으로 제작되는데 이 경우에는 분할 형태이거나 단순한 형태의 냉각수의 흐름만 가능하여 국부적인 방열효과를 기대할 수밖에 없다. 그러나 적층제조기술을 활용하면 복잡한 구조의 냉각채널을 제조가 가능해짐에 따라 방열효과를 극대화할 수 있다.


둘째는 ‘Complexity for free’이다.


아래 그림은 항공기에 사용되는 브라켓으로 최적 설계를 통해 구조강성의 변화 없이 동일한 구조강성을 확보하기 위하여 내부를 중공화함으로서 소재 절감 및 경량화에도 기여할 수 있는 장점이 있다.


셋째는 ‘Potential elimination of tooling’이다.


기업들이 proto-type이나 시제품 생산 시 필요한 금형비용을 대폭 줄일 수 있어 도전적인 제품개발이 가능한 것도 큰 매력이다. 정밀주조의 경우 소모성 왁스패턴에 세라믹 슬러리를 입혀 주형을 만들어 주조하는 것으로 패턴금형제작, 왁스패턴제작, 주형제작, 용해/주조, 후처리 단계로 이루어져 있으며, 적층제조 기술은 왁스패턴제작에 적용될 수 있다. 일반적인 정밀주조공정에서는 제품 형상의 패턴 준비를 위해 금형몰드를 제작하여 사출해야 하는 단계가 필요하지만, 적층제조 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 쉽게 원하는 형상의 패턴을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.


넷째는 ‘Part consolidation’이다.


이 개념은 한 개의 부품을 만들기 위해 여러 단계의 공정을 대폭 축소가 가능하다는 것을 의미한다. 그 대표적인 사례가 GE사가 양산하고 있는 연료분사(fuel nozzle)이다.


연료분사장치는 터빈 블레이드를 작동시키기 위한 연료공급을 담당하는 것으로 1300℃의 가혹한 조건에서 사용된다. 기존에는 일반적인 브레이징 및 용접 등 30여개의 공정을 거쳐 완성되는 부품인데 적층제조장치로 제조하게 되면 공정이 대폭 축소되고 25%의 경량화 및 내구성이 4배 증가한다고 보고하고 있다.


다섯째로는 ‘Material Saving’이다.


<그림 3-2-1-4>에는 Norsk Titanium사가 Rapid Plasma Deposition™ 기술을 사용하여 제작한 항공기용 브라켓의 사례이다. 기계가공(Subtractive Manufacturing)으로 제조하는 경우 가공 칩이 부품 중량보다 20배 이상 발생하나 타이타늄 와이어를 사용하여 적층 후 기계가공한 제품은 원소재를 대폭적으로 절약할 수 있다. 물론 기계적 강도나 내부 기공의 문제가 될 수 있으나 FAA 승인을 받아 이미 양산을 하고 있다.


▲ <표 3-2-1-1>ASTM에서 규정하는 적층제조기술의 분류


▲ <표 3-2-1-2>금속부품 제조방식의 정의 및 장단점


▲ <표 3-2-1-3>PBF vs DED 기술비교


▲ <그림 3-2-1-1>복잡한 냉각채널을 가지는 열교환 부품


▲ <그림 3-2-1-2>구조최적화를 위한 항공기용 브라켓 개발사례


▲ <그림 3-2-1-3>마그네슘합금을 이용한 항공기 seat frame 정밀주조 사례


▲ <그림 3-2-1-4>GE에서 개발한 연료 분사 장치


▲ <그림 3-2-1-5>복잡한 냉각채널을 가지는 열교환 부품


0
기사수정

다른 곳에 퍼가실 때는 아래 고유 링크 주소를 출처로 사용해주세요.

http://www.amenews.kr/news/view.php?idx=39424
기자프로필
프로필이미지
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
인터아이코리아
3D시스템즈 260
대건테크
월드마켓
TCT260
윈포시스
제로스툴
모바일 버전 바로가기