▲ 장웅성 산업통상자원 R&D전략기획단 단장이 `대전환의 시대, K-Industry의 새로운 성장경로는?`을 주제발표하고 있다.

세계 각국이 자국의 이익 극대화를 위해 인공지능(AI), 로봇, 디지털트윈, 3D프린팅 등 신기술을 활용한 제조업의 디지털 전환을 가속화하고 있는 가운데 우리나라의 제조업을 고부가화하기 위해선 AI, 적층제조(3D프린팅) 등 신기술을 융합해 서비스업으로 확장해야한다는 의견이 제시됐다.

한국공작기계산업협회가 주최하는 ‘서울국제생산제조기술전(SIMTOS, 심토스) 2024’가 4월1일부터 5일까지 일산 킨텍스 전시장에서 열렸다.

이번에 3D프린팅연구조합은 제조업계가 직면한 공통 문제의 해결방안을 제시하고 새로운 비즈니스 모델 발굴의 기회를 제공하고자 부대행사로 ‘SIMTOS 2024 글로벌 디지털 제조혁신 컨퍼런스-산업의 변화를 이끄는 적층제조 기술’을 지난 2일 제2전시장 8홀 컨퍼런스룸 B에서 주최했다. 컨퍼런스에는 이조원 3D프린팅연구조합 이사장과 산학연 관계자 200여명이 참석해 디지털 제조혁신을 이끄는 3D프린팅에 대한 많은 관심을 나타냈다.

이날 △DED 기술의 다중 소재 적층 공정(Multi Material Manufacturing) 적용 및 산업 내 활용사례(임승환 (주)인스텍 전략기획본부 본부장) △대전환의 시대, K-Industry의 새로운 성장경로는?(장웅성 산업통상자원 R&D전략기획단 단장) △Exploring the Future: Additive Manufacturing Innovations(신진국 한국전자기술연구원 공학박사) △물리기반 Hybrid Virtual Twin을 활용한 금속적층제조의 품질예측 및 가상제조기술 개발(이재욱 한국생산기술연구원 공학박사) △금속 적층제조 양산화를 위한 품질관리 공정개발(정현국 ㈜스타코 연구소장) 등이 발표됐다.

기존 제조업은 대량생산을 기반으로 비용을 절감하고 생산의 효율성을 높이는 것이 경쟁력이었지만 글로벌 공급망 불안, 탄소중립 요구 강화 등으로 인해 친환경 제조, 자율 제조, 맞춤 신속 제조 등으로 진화하고 있다. 세계 선진 제조기업들은 공정에 필요한 모든 데이터를 디지털화해서 비즈니스 모델을 혁신해 융합 서비스업으로 확장하면서 산업구조를 재편하고 있는 중이다.

일례로 GE Aviation은 제트엔진 노즐을 금속 3D프린팅으로 제조하면서 공정을 단순화시키고 유연 생산에 성공했고, 테슬라는 자율주행용 통합 OS 기반으로 차량 성능을 원격 통합·관리하면서 제품의 부가가치를 높였다. 또한 자동차 제조기업들은 자동차를 만들어서 파는 비즈니스에서 벗어나 모빌리티 서비스를 제공하는 플랫폼 서비스 기업으로 탈바꿈하고 있다.

데이터를 기반으로 제조업의 부가가치를 높일 수 있는 대표적인 디지털제조 기술인 3D프린팅은 대형화·고속화·양산화를 통해 적용 산업분야가 확대되면서 서비스 사업도 지속 확장 중이다. 2022년 기준 세계 적층제조 시장은 180억달러(23.4조)였는데 이중 60%가 서비스 분야다.

장웅성 단장은 “물리 기반 기술인 3D프린팅·로봇 등과 사이버 기반 기술인 AI·데이터 등이 플랫폼 기술과 융합하면 디지털 제조혁신이 가능해질 것”이라며 “K-제조업이 대체불가능한 산업경쟁력을 갖추기 위해 혁신·제조서비스와 같은 서비스신산업을 적극 육성해야 한다”고 제언했다.

DED(Directed Energy Deposition:에너지제어용착) 방식 금속 3D프린팅 기반 재료기술 전문기업 인스텍은 우주, 의료 등 다양한 산업의 고부가화를 이끌고 있는 DED 3D프린팅 기술을 소개했다.

용접과 유사한 ‘DED 공정’은 레이저 빔을 부품 표면에 선택적으로 쏘아 금속 분말을 녹여 쌓는 방식으로, 다중 소재를 조합해 적층할 수 있어 원하는 기능성을 부여하고 손상된 기계 부품 보수 등에도 널리 활용되고 있다.

인스텍은 CVM(Clogged Vibration Method)라는 분말 공급 기술을 바탕으로 스테인리스, 알루미늄, 니켈, 타이타늄 등 다중 소재를 안정적으로 넓은 범위에 분말을 공급해 적층하면서 모니터링할 수 있는 DED 장비를 국내를 포함한 15개국에 80여대의 장비를 구축할 정도로 기술력을 인정받았다.

회사는 우주, 의료를 중심으로 DED 장비 판매와 서비스 사업을 확대하고 있다. 3D프린팅으로 로켓 몸체와 로켓 노즐, 챔버 등 부품을 적층하는 것을 목표로 항공우주연구원과 3톤급 이종소재 로켓노즐 적층기술을 개발 중이다. 내구성 향상이 필요한 외부는 인코넬 625로, 내부 쿨링채널은 AL-Bronze(알루미늄 청동)으로 적층하기 위해 소재 설계 단계에서부터 최적의 조성을 찾고 모든 시편을 테스트하면서 다종소재 적층시 발생할 수 있는 내구성 문제를 해결했다.

또한 고관절, 무릎 관절, 발목 관절 등 인공관절 표면에 퓨어 타이타늄을 다공성 구조를 적층하는 MPC(Metal Porous Coating) 기술개발도 성공했다. 기존에는 플라즈마 스프레이 방식은 코팅 품질이 불균일하고 수작업이 많이 요구돼 높은 비용과 품질 문제가 발생했는데 MPC로 완전 자동화가 가능하고 코팅 품질이 균일화되면서 관절 형상에 따라 패턴을 달리하는 것이 가능해졌다. 이 기술은 미국 FDA 인증을 획득해 1천건의 임상시험이 완료됐고 수술 후 합병증도 전무한 것으로 나타났다.

임승환 본부장은 “인스텍은 내부식 선박 밸브, 항공엔진 블레이드 수리, 제트엔진 에어실 수리 등 다종 소재 적층기술이 필요한 다양한 분야를 발굴하고 사업화하는데 매진하면서 글로벌 3D프린팅 기업으로 성장하겠다”고 밝혔다.

컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션함으로써 결과를 미리 예측하는 디지털 트윈은 3D프린팅 분야에서 금속분말 소재의 디지털 관리, 설계, 적층, 후공정, 품질 검사까지 전 공정을 연결해 테스트함으로써 적층제조 생산성과 품질 향상에 기여하고 있다. 적층된 부품의 결함 발견시 설계와 공정 변수 수정을 반복해야하는데 1회당 추가 20일 이상 소요되고 품질 확보까지 전 공정을 반복해야하기 때문에 시간과 비용에 대한 부담도 크다.

이재욱 박사는 “부품 양산을 위해 품질관리가 필요하지만 기존에는 소재, 사이즈에 따라 X레이나 CT 등으로 품질 검사를 하는데 한계가 있었다”며 “디지털 트윈은 실시간 검사 및 디지털 추적을 할 수 있어 적층 부품의 전수검사가 가능하기 때문에 양산 시 활용도가 매우 높다”고 강조했다.

우주항공·방산 등을 중심으로 금속 적층제조 서비스를 제공하고 있는 ㈜스타코의 정현국 연구소장은 이날 '금속 적층제조 양산화를 위한 품질관리 공정개발'을 주제로 적층제조특화설계(DfAM)-제작-후공정-품질검사로 이어지는 금속 적층제조 전체 프로세스에서 부품 서포트 설계가 잘못되면 장비 파손으로 이어지는 경우도 있어 부품 제작시 문제점을 사전에 파악하는 것이 중요하다고 강조했다.

금속 적층제조 부품 계약시 이에 따라 요구하는 제작 규정을 준수하고 적합성을 충족해야 하는데 ㈜스타코는 전체 공정 품질인증을 위해 크게 4단계로 △소재 △장비 △공정 △최종 부품 등 품질관리 계획서 작성이 필수적으로 진행하고 있으며 일례로 소재 재활용 및 보관, 장비의 레이저 파워 및 가스 공급, 파라미터 등에 대해 매년 주기적으로 관리해야 한다고 밝혔다.

정현국 소장은 “적층제조 부품의 품질은 부품의 기하학적·구조적 특성을 반복적으로 감지하고 정량화하는 검사 방법에 크게 좌우된다”며 “이에 검증된 전략 수립 및 업계 표준에 부합하는 품질 시스템을 확보해야 한다”고 제언했다.

▲ 이조원 3D프린팅연구조합 이사장이 인사말을 하고 있다.