▲ ‘첨단 신소재 기반 3D프린팅 전문인력양성 사업’을 총괄하는 신진국 사업단장(KETI 동남권지역본부장)이 인사말을 하고 있다.

기존 제조공정 방식으로 불가능했던 새로운 제품 생산이 가능하면서 디지털 전환시대에 적합한 적층제조(AM)의 장점을 살려 새로운 제조업 적용 분야를 살펴보고 미래 인재들과 공유하는 자리를 마련했다.

산업통상자원부가 추진 중인 ‘첨단 신소재 기반 3D프린팅 전문인력양성 사업’을 총괄하는 전자기술연구원(KETI)은 2월9일부터 11일까지 힐튼 호텔 경주에서 온·오프라인을 통해 ‘4차년도 하반기 온라인 총괄워크숍’을 개최했다.

이날 워크숍에는 사업을 총괄하고 있는 신진국 KETI 동남권지역본부장, 이은희 KETI 전북센터장, 강승철 3D융합산업협회(3DFIA) 실장, 이범주 전북대 교수, 김진천 울산대 교수, 이기안 인하대 교수 등과 울산대, 인하대, 경북대 등 사업 참여 석박사 학생 등이 참석했다.

이번 워크숍은 전문인력양성사업의 성공적인 추진을 위해 참여 석·박사생들의 역량 강화를 위한 단기교육, 산학 프로젝트 발표, 취·창업 프로그램 등과 사업책임자 및 실무자 회의 등으로 진행됐다.

9일 열린 단기교육에서는 △디자인 변화가 주는 고용환경 변화-DfAM과 AI, 진화하는 AM(고현웅 애리조나주립대 교수) △세라믹 프린팅 기술적 동향(윤희숙 재료연구원 책임연구원) △DfAM 설계 기술을 이용한 기능성 부품 제조 사례(박근 서울과기대 교수) △광경화 3D프린팅 기술(윤범진 전자기술연구원 책임연구원) △3D 바이오프린팅 기술을 이용한 조직공학 및 재생의학 적용(심진형 티앤알바이오팹 대표) △메디컬 3D프린팅 기술 동향 및 적용 사례(김정성 코렌텍 본부장) 등이 발표됐다.

적층제조는 디자인 변경이 자유롭고 복잡한 형상도 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있어 우주항공, 의료 등 여러 산업에 적용되며 공정혁신 기술로 자리매김하고 있다. 기존 절삭가공이나 금형 등 생산 방식과 다르기 때문에 DfAM(적층제조특화설계)이라는 새로운 개념의 설계가 필요한데 경량화, 부품의 일체화, 위상최적화 등이 대표적이다.

일례로 가벼우면서도 강도를 높이는 라티스 구조를 쉽게 구현할 수 있고, 내부에 기능성 센서를 삽입한다든지 원하는 소재를 적합한 부위에 적층함으로써 인류가 능동적으로 다양한 기능을 발현 시킬 수 있게 된 것이다.

DfAM을 통해 우주항공 분야에서는 보다 가볍고 한 번에 조립이 가능한 부품을 3D프린팅 해 제작비용과 시간을 크게 절감시켰고 의료 분야에서는 인체 친화적인 다공성 구조로 임플란트를 제작해 치료기간을 단축시키는 등 새로운 사업도 창출되고 있다.

▲ 고현웅 애리조나주립대 교수가 온라인을 통해 발표하고 있다.

고현웅 애리조나주립대 제조시스템 네트워크학과 교수는 AM이 제품 형상 자유도가 높지만 이는 완전히 자유로운 설계를 의미하는 것은 아니며, DfAM 전에 고려해야할 요소로 △구조 복잡성 △형태 복잡성 △소재 복잡성 △기능 복잡성 등이 있다고 설명했다.

그는 AM 공정 자체가 아직까지 복잡하면서 방식이 다양하고 일관성이 부족한 부분이 있기 때문에 디자인 단계에서 반드시 이를 고려해야 한다고 강조했다. 일례로 부품을 지지하는 서포터 위치나 각도에 대한 사전 설계가 없으면 부품 적층이 실패할 수밖에 없다. 또한 같은 부품이라도 세우거나 눕힐 때마다 고려할 요소가 완전히 달라진다.

고현웅 교수는 DfAM은 제조업에서 형상 최적화, 커스터 마이제이션 등에 활용되면서 새로운 기회(Opporrtunities Dfam)을 고민해야 한다고 밝혔다. 또한 새로운 부품을 제대로 만들기 위해선 서포터 구조, 후공정 등을 반영한 Restrictive DfAM을 고려해야 한다고 덧붙였다.

DfAM은 머신러닝과 결합해 혁신을 불러일으킬 것으로 기대되고 있다. AM에서는 부품이 만들어지는 공정에서 카메라와 센서 등이 결합돼 맬트풀 모니터링, CT 등을 통해 수많은 새로운 데이터들이 생성 중이다. 이러한 데이터를 빅데이터로 분석하고 머신러닝에 적용하면 디자인 가이드라인과 표준을 만들 수 있다.

고현웅 교수는 “이러한 데이터를 기반으로 인공지능(AI)을 통해 원하는 고강도, 경량화, 소재 등을 반영한 창조적인 설계도 가능해지고 있다”며 “보다 많은 인재들이 이러한 부분을 고려해 관련 연구에 관심을 가지길 바란다”고 밝혔다.

▲ 박근 서울과기대 교수가 DfAM 설계기술을 이용한 기능성 부품 사례를 발표하고 있다.

박근 서울과기대 교수는 DfAM을 통해 실제 제작한 기능성 부품 사례를 소개했다. 장애인 아이스하키용 썰매의 경우 장시간 팔로 움직여야하기 때문에 경량화가 필수적인데 박 교수는 위상최적화를 적용해 기존대비 부품 수와 파이프 용접 부분을 줄여 썰매 19% 경량, 강성 50% 향상, 안정성 30% 향상 등의 효과를 거뒀다.

금형 분야에서도 냉각 효율 향상을 위해 내부의 복잡한 입체 형태의 냉각채널을 금속 3D프린팅으로 제작하고 있다. 그러나 비싼 제조 가격, 적용 소재의 제한, 유지보수 비용 등 문제로 적용 확대에 어려움을 겪고 있다.

이를 위해 박 교수는 TPMS(삼중 주기적 최소곡면) 적용 사출금형 등각 냉각구조를 개발해 부분적으로 필요한 부분만 3D프린팅 했다. 기존 3D프린팅으로 제작한 냉각채널 대비 쿨링 시간을 줄였고 내부에 물때가 끼면 부분적으로 교체가 가능해 유지보수 비용도 대폭 줄일 수 있다.

박 교수는 “자동차 업계에서는 그간 주로 경량화를 위해 DfAM이 적용돼 왔지만 전기차 시대 도래로 배터리, 모터 등 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 관리할 수 있는 새로운 부품 제작에 널리 활용될 것”이라며 “갈수록 빨라지는 신산업 트렌드를 주시하고 DfAM을 적용하는 방안을 깊이 있게 고민하길 바란다”고 밝혔다.

이번 워크숍을 기획한 신진국 KETI 동남권지역본부장은 “이번에 전문가들이 발표한 것과 같이 AM은 경량화, 부품 일체화, 경사기능재료, 생체모방 구조 등 기존 기술로 구현할 수 없었던 것을 물리적으로 구현할 수 있는 기술”이라며 “단순한 뿌리기술 보조 수단이나 만능 도깨비 방망이로 인식하는데서 벗어나 인류의 문명을 재구성할 수 있는 기술 잠재력에 주목하고 ‘우공이산(愚公移山)’의 자세로 단기적인 부흥책이 아닌 차근차근 기술 확보하고 제조 전반에 확산할 수 있는 정책 지원이 절실한 시점”이라고 밝혔다.

한편 ‘첨단 신소재 기반 3D프린팅 전문인력양성 사업’은 의료·자동차·조선 등 주력산업 제조혁신에 기여할 3D프린팅 관련 핵심·응용기술을 가진 석·박사급 R&D 전문인력을 연간 60명씩 양성하고 취·창업으로 연계하는 것을 목표로 하고 있으며 2018년 3월1일부터 2023년 2월28일까지 5년간 추진된다. 현재 울산대, 전북대, 단국대, 산업기술대, 인하대, 경북대 등 6개 대학과 100여개의 컨소시엄 기업이 참여 중이다.