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  • 기사등록 2019-07-15 15:42:24
  • 수정 2019-07-23 16:28:12
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산업통상자원부가 지원하는 ‘첨단 신소재 기반 3D프린팅 전문인력양성 사업’(총괄 주관기관: 전자부품연구원, 단장:신진국, 참여기관:3D융합산업협회)의 일환으로 지난 1년간 추진된 산학 프로젝트는 학생(구직자)과 기업을 매칭시켜 3D프린팅 기술을 활용해 프로젝트를 완수함으로써 경험을 쌓을 수 있는 기회를 제공했다. 울산대, 전북대, 단국대, 한국산업기술대 등 1차년도 사업 참여대학 4곳의 석·박사 과정 학생 41명이 참여했으며 사업 컨소시엄 기업, 3D프린팅 공급기업, 수요산업분야 기업을 대상으로 실시한 수요조사를 통해 발굴된 총 26건의 프로젝트가 진행됐다.
무엇보다 이번 프로젝트에서는 학생과 기업이 함께 소통을 통해 니즈를 발굴하면서 기술애로 해결은 물론 국내 제조업 경쟁력 강화를 위해 시급한 3D프린팅 어플리케이션 발굴이라는 부가적인 효과도 창출했다는 점이다. 이에 본지는 산학 프로젝트에 참여한 학생들의 인터뷰를 통해 3D프린팅을 통한 문제 접근 방식과 성과를 알아보는 연재기획을 마련했다.

머릿속 지식 금속 3D프린팅 통한 현실화, 기술 방향성 감지 성과


■ 이번에 수행한 산학 프로젝트 주제 선정 과정과 성과는


울산대 김진천 교수님과 함께 자동차 부품 생산업체인 D社와 특수 부품을 3D프린팅으로 출력할 수 있는지를 테스트해보는 프로젝트를 수행했다. 이 부품은 강도 및 경도가 크게 요구되지 않고 경량화가 중요한 부품이기에 3D프린팅이 적합할 것이라고 판단했다.

이에 3D프린팅 전문인력양성 사업을 통해 배운 이론 및 실습교육을 바탕으로 기존의 부품보다 경도는 10~30%가 높으며, 무게가 30% 정도 감소한 부품을 설계했다. PBF방식의 3D프린터로 출력까지 완료하고 3D프린팅에 사용되는 분말의 특성 분석 및 출력물의 기계적 특성 분석을 진행했는데 설계시와 비슷하게 경도는 20~30%정도 높게 측정됐으며, 무게도 30% 초반대로 감소한 것을 확인할 수 있었다.

추후 3D프린팅의 단점인 표면 거칠기와 내부기공 문제에 대해서 표면 가공과 열처리 등의 후처리 공정을 하면 실제 산업현장에서 적용할 수 있을 것으로 기대된다.


■ 산학 프로젝트를 기업들과 수행하면서 어려웠던 점은


프로젝트 특성상 3D 모델링을 위한 부품의 2D 도면이 필요한데, 이것이 업체의 기밀이다 보니 정확한 수치가 기록된 도면을 받지 못하는 어려움이 있었다. 하지만 해당 업체에 저희가 진행하려는 연구의 방향성이나 목적을 설명드려서 허가를 받아 제대로 수치가 기입된 도면을 받아 프로젝트를 진행할 수 있었다.



▲ 이동완 학생은 D社와 협의를 통해 특수 부품을 금속 3D프린팅으로 경량화하는데 성공했다.



부품 30% 경량화 성공, 열처리·표면처리 등 후가공 중요성 느껴

금속 3D프린팅 장·단점 및 기업 요구기술 습득, 공정·후가공 연구하고 싶어


■ 3D프린팅을 적용하면서 느낀 개선해야할 점은


출력물의 인장강도 측정을 하기 위해 인장시편을 출력하여 인장시험을 실시하는데 서포터를 제거하는 과정에서 인장시험시 시편을 고정하는 부분인 지그에 지속적으로 파손이 발생했다. 이는 3D프린터로 출력한 시편에 남아 있는 잔류응력에 대해 고려하지 않고 서포터를 제거하려고 할 때 변형이 일어나는 힘과 서포터 제거 시 가해주는 힘에 의해서 파손된 것이었다. 해당 문제를 해결하기 위해 시편을 다시 제작하고 충분한 시간을 준 후 서포터를 제거하여 인장시험을 할 수 있었다.

이 문제는 3D프린터로 출력할 때 많이 발생하는 문제이며, 일반적으로 열처리를 통해 해결할 수 있다. 하지만 열처리만 고려해야 할 것이 아니라 설계할 때 출력물의 수축과 변형을 고려하여야 하는 번거러움도 있다. 또한 출력물의 표면이 출력 후 바로 사용하기엔 적합하지 않아 후가공 역시 반드시 필요하다는 문제점이 있다.

이러한 문제점은 3D프린팅의 장점인 디자인 자유도와 제작시간 감소에 영향을 주기 때문에 개선이 반드시 필요하다고 생각된다. 그렇지만 3D프린팅은 기계가공으로 어려운 내부의 형상과 비대칭 곡선 등 형상에 대한 제한이 덜한 점, 부품끼리의 결합이 필요 없다는 장점을 가지고 있고 한 빌드내에 각각 다른 형상의 출력물을 한 번에 출력할 수 있는 다품종 생산에 적합하다는 것을 느꼈다.


■ 다시 프로젝트를 할 수 있는 기회가 주어진다면


이론적 교육과 실습을 통해 배운 기술을 이용해 산학 프로젝트를 진행하면서 직접 활용해봄으로써 어떻게 활용이 되고, 어떤 부분이 문제점이 있는지에 대해서 알게 됐다. 그리고 기업에서 요구하는 기술과 현재 3D프린팅 기술과 어떤 차이점이 있으며, 어떤 방향으로 가야하는지를 알 수 있는 시간이었다고 생각된다.

만약 다시 프로젝트를 할 수 있는 기회가 주어진다면 연구실에서 보유하고 있는 장비와 분말을 이용해 공정조건과 환경에 따른 제품의 품질과 제품의 출력 후 가공 및 열처리에 대해서 프로젝트를 진행해보고 싶다.

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