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  • 기사등록 2022-01-25 15:08:40
  • 수정 2022-01-25 16:36:45
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우리나라 3D프린팅 전문가 단체인 3D프린팅연구조합은 국내 산학연 관계자 29명과 함께 지난 11월15일부터 5일간 일정으로 독일 프랑크푸르트 메쎄에서 열린 세계 최대 적층제조(3D프린팅) 전문 전시회인 ‘폼넥스트(FORMNEXT) 2021’를 참관하고 현지 업체인 ‘ZOZ GmbH’ 방문과 ‘한·독 기술세미나’를 진행했다. 지난해 코로나 팬데믹의 영향으로 2년만에 폼넥스트를 방문한 관계자들은 적층제조 부품 양산에 필요한 소재·자동화 기술 발전 및 우주항공·자동차·반도체·배터리 등 어플리케이션 확대를 눈으로 직접 보고 산업용 부품을 적층제조로 양산하는 시대로 빠르게 진입하고 있다고 입을 모았다. 이처럼 세계 선진기업들이 적층제조 양산시대를 맞아 선제 투자와 기술개발에 박차를 가하고 있는 상황에서 우리나라도 제조업 고도화 및 신산업 창출을 위해 적층제조 산업에 보다 많은 관심과 투자가 요구되고 있다. 이에 본지는 이번에 참관단을 구성한 3D프린팅연구조합과 산학연 전문가들의 연재기고를 통해 현장에서 보고 느낀 점을 바탕으로 적층제조시대의 기술 및 어플리케이션 발전 방향은 어디이고 우리가 어떻게 대응해야 할 것인지 생각해보는 자리를 마련했다. 마지막으로 폼넥스트에 참관한 젊은 세대가 직접 목격한 적층제조 트렌드와 느낀 점을 공유하는 좌담회를 정리한다.

산업·소비재 영역 넓히는 적층제조, 우리도 준비해야 한다


◇연재순서
1)전시회 총괄평가
2)금속 적층제조 장비
3)플라스틱 적층제조 장비
4)바이오메디컬 적층제조 기술
5)우주항공분야 적층제조 기술
6)금속분말 제조 및 응용분야
7)플라스틱 소재와 응용분야
8)좌담회-적층제조기술의 미래 발전 방향



▲ 좌담회 참석자



홍지연(사회) ■이번 폼넥스트를 참관한 소감을 말씀해주시고 적층제조 관련 주목할 만한 응용분야에 대해 말씀 부탁드립니다.

▷안솔보름: 코로나에도 불구하고 세계에 많은 나라 및 기업이 전시회에 출품하고 참관하러 왔다는 것이 조금 놀라웠습니다. 저 또한 이처럼 뜨거운 관심을 받고 있는 산업에서 함께 일하고 있다는 게 좋았습니다.

금속 적층제조 분야에서는 많은 기업들이 B2B 사업을 위주로 사업을 확장하고 있는 가운데 열교환기 등 부품을 적층제조를 통하여 제작하는 방식을 주로 봤습니다. 그런데 이번 폼넥스트에서 타이타늄 적층제조를 통하여 자전거 프레임을 전시하고 있는 업체를 보았습니다. 금속 적층제조 산업도 기존 B2B 사업 뿐만아니라 B2C 사업으로 확장할 수 있다는 것을 확인 할 수 있는 좋은 기회였습니다.


▷장광현: 적층제조 산업은 시제품 제작을 주 목적으로 크게 성장해 왔으나 해외에서는 코로나 검체, 치과보철물, 투명교정기 등의 의료 관련 제품, 안경, 쥬얼리, 신발 등 소비재와 더 나아가 생산 설비, 지그 픽스처 등 제조 공정 부분에 활발하게 응용되고 있는 움직임이 일고 있어 우리나라도 더 혁신적으로 변화의 흐름을 만들 필요가 있다고 느꼈습니다.


특히 소재의 개선을 통한 출력 제품의 개선, 그리고 제품의 진화를 통한 소재의 개선 등으로 이루어지는 선순환적 산업 구조에 부러움을 느꼈습니다. 기존 PP나 ABS에 가까운 물성을 가지고 프로토타입 제작에 주로 사용된 폴리머는 글로벌 회사인 바스프(BASF), 코베스트로(Coverstro), 헨켈(Henkel), 아케마(Arkema) 등이 다양한 소재를 개발하면서 발전 속도가 빨라지는 상황이었습니다.


▷함건희: 저는 의치를 제작하는 치과기공사로 치과제조 관련 분야에서 느꼈던 점을 말씀드리겠습니다. 우선 우리나라에서 개최되는 치과기자재 전시회에서도 적층제조 분야는 각광을 받고는 있으나 아직까지는 일부에 지나지 않는 것에 반해 폼넥스트에서는 많은 기업이 참가했고 참관 내내 ‘이런 것도 있구나’ 하는 감탄이 절로 나올만큼 흥미로운 적층제조 제품을 볼 수 있었습니다. 물론 산업분야에 비하면 치과관련 분야는 아주 작았지만, 다양한 방식으로 광범위하게 발전해 있는 산업분야를 보면서 ‘앞으로 치과 관련 적층제조 또한 급속도로 발전하겠구나’를 직감할 수 있었습니다.


적층제조가 치과 분야에서 응용될 만한 분야는 모델작업에서부터 크라운, 교정장치, 의치, 임플란트 등 다양합니다. ASTM에서 분류하는 7가지 적층제조 기술 중 접착제 분사, 재료분사, 분말 소결, 고에너지 직접조사, 광중합 방식들은 모두 활용되고 있으며, 그 소재 또한 레진, 세라믹, 메탈, 복합재료 등 다양합니다. 현재 치과 제조 분야에 있어서 활용되고 있는 적층제조는 제작 공정을 단축시킨다는 점에서 상당한 장점이 있습니다.

그러나 고가의 장비 및 소재, 후공정에 따른 제조 시간의 비효율성, 적층 제조 관련 전문 지식을 갖춘 치과 제조 분야의 전문인력 부족, 정확도와 정밀성의 부족 등으로 아직까지는 기존의 주조 방식이나 절삭 가공 방식에 비해 비중을 많이 차지하지는 못하지만 점차 활용 범위가 커지고 있는 것은 사실입니다.


또한 새로운 기술적인 면에서 인상에 남았던 것은 보통 3D프린터에서 헤드가 움직이며 적층하게 되고 그 과정에서 헤드의 가속과 감속으로 인해 속도의 손실이 일어날 수 밖에 없는데 이를 극복하기 위해 스트라타시스(Stratasys) J5 장비에서는 원반 형태의 베드가 등속원운동을 하며 적층했습니다. 또한 Nexa3D xip의 경우도 베드가 회전을 하는 방식으로 적층 속도를 빠르게 해 효율성을 높이려는 노력들을 볼 수 있었습니다.


또한 적층제조에서 40~50%를 차지하는 후처리 분야에서 safeetch는 서포트의 구조와 초음파 보조 에칭 기술로 서포트를 제거하면서 어느 정도 표면 또한 매끄럽게 할 수 있었습니다. 이러한 기술들은 앞으로 치과 분야에서의 적층제조 속도를 빠르게 하고 작업의 효율성을 높이는데 기여할 것으로 여겨집니다.



▲ 3D프린팅연구조합 참관단이 그래피 부스에서 형상기억소재(shape memory) 기능을 갖는 투명레진으로 제작된 투명교정장치를 보고 있다.(사진:3D프린팅연구조합)


■적층제조시대에 접어들면서 금속, 플라스틱, 세라믹, 복합소재 등 소재사업도 활발해지고 있습니다. 전시회에서 눈여겨 본 소재는 무엇이고 앞으로 필요한 소재의 개발방향에 대해 말씀해 주십시오.


▷박승민:이번 전시회에서는 그동안 적층제조에서 거의 사용되지 않던 구리소재의 비약적 발전을 체감할 수 있었습니다. EOS, GE, 트럼프(TRUMPF), 마크포지드(Markforged) 등 주요 장비제조사에서 순수구리 적층물을 전시하였으며 수년전에 비해 전기전도율 및 열전도율이 대폭 향상된 사실을 확인할 수 있었습니다.


최근 순수구리를 이용한 적층제조가 활발해짐에 따라 순도 99.95% 이상의 구리를 적층제조 하여 100% IACS 이상 전기전도도를 달성하고 있습니다. 적층 파라미터 데이터를 지속 축적하여 최적의 공정을 찾아내 기존 주조재의 기계적 성질을 뛰어넘는다면 구리의 적층제조는 비약적 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대합니다.


▷이수봉: 제가 근무 중인 대건테크는 금속 3D프린터를 만드는 업체다 보니 금속 분말을 눈여겨 보았습니다. 3D프린팅 초기에는 몇 종의 금속 분말만 적층이 된다고 했으나 지금은 다양한 분말과 새로운 특성의 분말이 많이 개발되고 있습니다.


특히 대건테크의 경우 기존의 장비업체가 하고 있는 상용분말 외에도 마그네슘이나 알루미늄(Al-Cu 계열) 혹은 SUS 410L 등 특별한 분말을 가지고 분말제조기업과 협업을 할 수 있는 기회를 가지려고 합니다. 새로운 분말에 대한 수요나 기술 개발에 많은 연구를 하고 있으며, PBF 장비에 이종 분말을 동시에 사용할 수 있는 장비에 관하여 연구도 하고 있습니다.


▷함건희: 국내 3D프린팅 소재 기업인 그래피(Graphy)가 전시회에 출품한 shape memory 기능을 갖는 투명레진으로 제작되어 변형된 형태도 뜨거운 물에 담그면 다시 본래의 형태로 돌아가는 투명교정장치, 폴리우레탄 소재로 파절과 변색에 강한 플랙시블 덴쳐, 180-200 MPa의 강도를 갖는 퍼머넌트 크라운 등 우수 소재를 보고 놀랐습니다.


또한 캐리마와 에이온(AON)의 알루미나 실리카 베이스의 레진 복합체나 지르코니아를 사용한 세라믹 3D프린팅 등 우수한 장비를 생산하는 한국 기업이 세계적인 기업들 사이에서 큰 이목을 끌며 당당히 자리를 잡고 있어 한국 기술의 자긍심을 느꼈으며 발전 가능성도 보게 되었습니다.




▲ 3D프린팅연구조합 참관단이 독일 현지 기업인 Zoz GmbH를 방문해 세미나 및 좌담회를 가졌다.(사진:3D프린팅연구조합)


■다양한 방식의 3D프린터 출현은 수요기업이 제조공정에 적용하기 위해 필요한 요구사항이 높아진 것으로 해석할 수 있습니다. 3D프린팅 개발자 또는 사용자 입장에서 어떠한 3D프린터가 필요하고 개발되길 원하는지 말씀 부탁드립니다.


▷장광현: 적층제조의 메인 키워드는 주문제작(Customize)임에도 불구하고 앞으로 시장에서 점차 발전할 적층제조장비는 구체적인 니즈를 바탕으로 목적성이 구체화되어 더욱 맞춤형 생산에 적합한 설비가 아닐까 생각합니다. 특수 소재나 특수한 제조 환경을 구성하고 유지하기 위한 설비 구조 혹은 기존 공정을 개선한 서포터를 최소화 하거나 아예 서포터 없이 출력하는 벨로3D(Velo3D) 장비와 같이 현재 3D프린터의 한계를 뛰어넘는 개발이 필요하다고 생각합니다.


▷한아름: 저는 정확도 높고, 후처리(서포트 제거)가 편리한 3D프린터가 개발되었으면 합니다. 지금 사용하고 있는 재료압출(material jetting) 방식 3D프린터는 치수 정확도가 높지 못해 조립이 필요한 부품을 출력할 때에는 편측으로 0.1씩 여유 있게 출력하고 있습니다.

그리고 Water jet 장비를 이용해 후처리를 하지만 파트에 밀착되어 있는 서포트를 완전히 제거하기에는 무리가 있어 후공정이 대단히 복잡합니다. 앞으로 3D프린팅으로 생산하기 위해선 높은 정확도, 후처리가 편리한 장비 개발이 꼭 필요하다고 생각합니다.


▷이수봉: 장비 개발자의 입장에서는 기존 장비의 단점을 보완할 수 있는 새로운 방식의 나온다면 상당한 관심을 가질 수 있습니다. 현재 PBF 방식 3D프린터의 경우 속도와 품질을 동시에 보장하기는 어려운 면이 있습니다. 그래서 속도를 빨리 할 수 있는 새로운 모듈 개발을 위해 대건테크도 많은 연구를 진행하고 있습니다. 시장에서 요구하는 적층속도를 만족시키기 위해서는 지금의 방식으로는 한계가 있어서 새로운 방식에 의한 적층속도 향상을 기대합니다.


▷함건희: 스트라타시스 J5의 경우 5가지 레진 재료를 믹스하면서 동시에 프린팅이 가능했고, 산업용이었지만 3DUJ-2207 LED UV 큐링 시스템의 경우 여러 종류의 레진을 선택해 믹스하며 다양한 색으로 출력이 가능한 장비였습니다. 이는 현재 의치 제작 분야에서는 잇몸 부위를 재현하는 의치상 부분과 치아를 재현하는 인공치아 부분을 따로 출력하여 접합시키고 있는데 한번에 제작할 날이 머지 않았음을 예측할 수 있었습니다.


■우리나라는 적층제조시대에 필요한 새로운 디자인과 설계능력을 가진 인력과 함께 이를 사업화할 서비스 기업이 부족한 상황입니다. 이번 전시회에서 벤치마킹할 만한 사례를 소개해 주시고 서비스산업 활성화를 위한 제언을 해주신다면.


▷안솔보름: 이번에 항공우주 분야와 초내열 합금 위주로 전시회 참관을 했습니다. 국내에서도 초내열 합금에 대한 수요가 증가하고 있으나 향후에는 내화 합금(텅스텐, 몰리브덴)을 활용한 사례를 기반으로 서비스산업을 활성화하면 좋을 것 같습니다.


▷한아름: 이번 전시회에서 독일의 protiq社를 흥미롭게 봤습니다. protiq는 시제품제작, rapid tooling, 역설계 등 일반적인 3D프린팅 서비스와 Indurtor, gear 등 같은 산업 제품군및 밸트, 펜과 같은 생활용품을 온라인 관리 프로그램(online configurator)을 통해 주문 제작하는 서비스를 제공하고 있습니다.

제가 관심 있게 본 부분은 이 주문 제작 서비스인데요, 3D 모델링을 직접 할 수 없는 사람들도 홈페이지에 업로드된 제품에 한해 크기를 조절하고 drag & drop을 통해 형상을 추가하면서 자신이 조절한 형상을 즉각 확인하고 주문까지 가능합니다. 간단한 조작으로 내 마음대로 모델링 할 수 있다는 점이 3D 모델링을 직접 할 수 없는 사람들에게 흥미를 유발시킨다고 생각합니다. 이를 벤치마킹해서 사람들이 접근하기 쉬운 제품군을 online configurator를 통해 주문 제작 서비스로 제공해 봐도 재미있을 것 같습니다.


▷함건희: 전시회에 출력만을 대행하는 서비스업체가 출품했는데 치과 관련 제조는 전문성이 필요한 영역으로, ‘누구나 제작할 수 있다’는 생각은 위험할 수 있습니다. 마치 우리가 요리를 할 때 전문가가 아닌 사람도 레시피나 사진을 보고 비슷한 모양이나 색감으로 흉내는 낼 수 있겠지만, 다양한 방식과 소재를 가지고 수백 번, 수천 번 시행해본 전문가가 만든 요리의 그 맛의 깊이나 식감까지는 흉내 낼 수 없습니다.


치과 기공물 제작은 전문적인 교육 과정을 거치고 임상 경험이 있는 치과기공사만이 하나하나의 요소들을 다 반영해서 제대로 된 치과 보철물을 제작할 수 있습니다. 적층제조는 이전의 주조방식이나 절삭가공 방식보다 효율적이고 창의적인 방법으로 접근할 수 있게 해줍니다. 다만 앞으로 설계능력을 갖춘 인력을 양성하기 위해서는 기존 주조나 절삭가공 등 방식으로 제조되어 왔고, 구강 내에서 문제가 없었던 바람직한 수준을 명확히 규명할 수 있는 아날로그 방식 전문가들을 중심으로 적층제조 기술에 관한 전문적인 교육이 필요하다고 생각합니다.



소재·장비·서비스 발전 속도 빨라, 생산 효율성 및 적용처 확대

장비 활용도 높이고 현장 전문가 양성하는 정책지원 전환해야



▲ 적층제조물과 기존 압출소재와의 연결을 통해 부품의 충격 흡수능을 향상과 경량화 효과를 거뒀다.(GKN社, 사진:3D프린팅연구조합))


■우리나라는 장비, 소재 등 국산화를 어느 정도 달성했으나 이렇다 할 성공사례를 창출하지 못한 상황입니다. 제조공정 적용과 수출 산업화로 이어질 수 있도록 하는데 필요한 정책적 지원이나 건의사항에 대해 한말씀 부탁드립니다.


▷박승민: 우리나라의 적층제조 산업은 대부분 정부 주도로 발전해 왔습니다. 대다수의 국가과제는 기업간 컨소시엄을 형성하여 과제 연차 별 성과를 달성하는데 급급한 모습을 보이는 게 사실입니다. 전년도 과제 달성 성과, 예산 소모 등을 종합하여 차년도 과제 진행여부를 결정하는 시스템이기 때문에 무언의 성과압박 속에서 과제가 진행되고 있습니다. 이러한 산업 분위기를 탈피하기 위해선 정부 R&D 과제의 절차가 바뀌어야 합니다. 연차별 성과중심 과제에서 벗어나 당초 설정한 목표 대비 달성도에 따라 예산을 추가 지원하는 등 차등 지원이 필요하다고 생각합니다.


▷장광현: 현재 안전과 관련된 이슈 등이 발생하고 있어 관리와 시설에 대한 보다 명확한 인과 관계와 체계적이고 데이터에 근거한 정책 가이드라인이 필요할 것으로 보입니다. 적층제조 산업을 육성하기 위해 산업안전보건 등 국제표준 가이드라인을 한국이 앞서 만들어 나간다면 시장을 선점하고 위기를 기회로 만드는 계기가 될 것으로 기대합니다. 또한 우리나라 산업의 관리 기준이 높아 3D프린팅을 검토하고 가능성을 찾는데 많은 비용과 시간이 발생하는 편인데, 이에 대한 산학 연계와 정부의 지원의 필요합니다.


▷함건희: 지난해 3D프린팅연구조합을 통해 3D프린팅 전문인력양성 교육을 받음으로써, 어렵고 막연하게만 느껴졌던 적층제조 기술을 이해하고 기존 제작방식과 접목시키면 효율성을 높일 수 있겠다는 가능성을 보게 되었습니다.


제조업에서의 기술 습득은 우수한 숙련공 또는 명장으로부터 전수받는 도제 학습이 주를 이루다 보니 아날로그에서의 경험이 많은 전문인력이 적층제조 기술력 또한 갖추게 된다면 그 직무를 왜 그렇게 해야 하는지에 대한 빠른 이해와 논리적 설명으로 차후 젊은 세대들에게도 학습 될 수 있을 것이고, 이는 경쟁력 있는 치과 산업의 발전을 이루게 될 것입니다.


메탈 3D프린팅의 경우 아직까지는 고가의 장비와 소재, 높은 유지비용, 적층제조 기술 이해 부족 등으로 소규모의 치과기공소에 적용되기에는 한계가 있으므로 치과기공소 중에서도 적층제조 시대에 필요한 새로운 디자인과 설계능력과 소재 및 방식에 있어서 충분한 이해와 활용이 가능한 전문가를 갖춘 센터식의 치과기공소가 운영될 필요가 있다고 생각합니다. 이에 대한 전문기관과 정부의 적극적인 지원이 필요할 것으로 여겨집니다.


▷이연규: 3D프린팅 기술이 발전하면서 기존 선진국의 제조업의 생산방식을 바꾸고 있습니다. 미국과 유럽 등 선진국에서는 항공우주, 자동차, 전자제품, 의료 등을 중심으로 다양한 제조비용 절감 사례들이 발표되고 있는데, 주요 선진국인 독일의 경우, 의료와 바이오 분야를 국가의 중점 분야로 설정한 후 전략적으로 연구 개발을 추진하고 있습니다.


반면 우리나라는 3D프린팅 발전에 필요한 제조업, 뛰어난 인력, 인프라가 구축되어 있음에도 불구하고 정부 주도 정책에 따른 보급형 수요가 3D프린팅 시장을 형성하고 있으며 국내 업계도 기술 수준이 주요 선진국보다 떨어지는 것이 사실입니다. 때문에 우리가 갖추고 있는 기술력과 자원을 선진국과 비교 및 분석하여 상대적으로 우위에 있는 요소를 중심으로 연구개발 및 지원을 확대할 필요성이 있다고 봅니다. 3D프린터 뿐만아니라 소재 개발에도 집중하여 기술 경쟁력을 확보한다면 한국 제조업의 미래는 밝을 것으로 예상합니다.


▷이수봉: 우리 정부의 3D프린팅 지원정책은 장비와 소재의 국산화를 시키는 것을 주요 목표로 추진됐습니다. 그러다 보니 국산화는 어느 정도 성공을 하였으나 산업은 발전하지 못했습니다. 많은 수요가 있어야 함에도 불구하고 정부의 정책자금은 공공기관의 외산 장비 구매하는데만 그치고 그 장비를 사용하는 데는 관심을 가지지 않았던 것이 사실입니다.


3D프린팅 산업이 발전하기 위해서는 많은 사람이 사용해야 하는데 공공기관, 국책연구소, 대학이 보유하고 있는 장비를 일반 수요자가 접근해 사용하는 것은 너무 어렵습니다. 또한 고가의 외산 장비다 보니 손망실의 우려도 있고 자주 교체되는 장비운용자, 새로운 인력의 장비 교육의 어려움 등으로 장비를 구매만 하고 활용하는데는 관심을 갖지 않고 있습니다.


산업이 발전하려면 많은 사람들이 사용해야 하고 많은 사람들이 운용할 수 있어야 합니다. 공작기계처럼 정부가 특성화 고교나 폴리텍 대학 등 장비 운영자를 교육할 수 있는 교육기관에 표준화된 국산 장비를 구매 보급하여 장비 인프라를 구축하여 단순히 보여주기식 보다는 실습을 통한 사용자 교육이 필요합니다. 그래야만 이들이 산업체에 들어가서 금속 3D프린팅 활용도를 높일 수 있다고 봅니다.

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