Update2024.05.19 (일)
첨단 정밀·대형 부품 생산의 필수
■ 기술의 정의 및 분류
◇ 기술의 정의 및 분류
정밀주조법(Investment Casting)은 1회 소모성 패턴(모형)과 1회 소모성 주형을 사용해, 제조 및 가공이 어려운 정교한 형태의 금속 부품을 높은 정밀도로 제작할 수 있는 특수주조기술의 한 방법이다. 예를 들어, 3차원 곡면의 복잡한 형상 때문에 종래의 기술로는 제작이 어려운 부품인 터빈 블레이드 및 내열 특성이 요구되는 항공기 부품을 제작하는 경우 적용된다. 최근, 정부는 본 공정을 적용해 제5기 대한민국 국새를 제작한 바 있다.
정밀주조부품 소재는 강(Steel)을 위시해 초내열합금, Ti합금, Al 및 Mg합금 등 모든 금속소재가 대상이 되며, 부자재로 패턴용 고분자소재와 주형용 세라믹소재가 사용되고 있다 따라서, 소재분야에서 취급하는 모든 소재를 적절히 활용해야 최적의 정밀주조 부품제조가 가능하게 된다.
소모성 패턴은 탈 패턴 과정 또는 주입 과정에서 용융 혹은 증발시켜 제거한다. 소모성 패턴용 소재로는 △다양한 품위의 왁스·플라스틱 △급속조형(RP, Rapid Prototyping)에 사용되는 고분자 물질 △폴리스티렌과 같은 열가소성 물질 등이 사용되며, 이들 중 왁스 패턴이 주로 사용되므로 로스트왁스법(Lost Wax)이라고도 알려져 있다.
세라믹 주형 제작에는 일반적으로 소모성 패턴을 사용하게 된다. 예로, 왁스 패턴은 내화재인 세라믹 슬러리에 침지, 코팅해 표면층을 형성한다. 표면층은 건조 과정을 거친 후, 다시 세라믹 슬러리에 침지, 코팅 후 건조과정을 반복해 견고한 두께를 갖는 외층을 만든다. 그 후, 외형과 패턴을 함께 오븐 혹은 오토클레브에 넣고 왁스를 용융해 제거한다. 마지막으로 주형 내에 잔존하는 왁스의 제거 및 바인더의 경화를 통해 충분한 주형의 강도를 부여하기 위해 소성과정을 거친다. 주형은 일체형이며, 언더 컷(역 구배)이 있는 매우 복잡한 형상의 부품을 제작할 수 있다.
용탕의 주형 내 완전 충전을 꾀하기 위해 주입 전에 주형을 예열하며, 용탕은 중력, 가압 또는 진공 조건에서 주입할 수 있다.
정밀주조 주형으로 사용하기 위해서는 다음의 항목을 충족해야 한다.
ⅰ 왁스 제거 후 파괴되지 않을 정도의 충분한 생형강도
ⅱ 소성 후 주물의 무게를 견딜 수 있을 정도의 주형강도
ⅲ 용탕 주입 시 균열 방지를 위한 열 충격 저항성 및 화학적 안정성
ⅳ 표면조도 및 치수정밀도 향상을 위한 용탕과의 낮은 반응성
ⅴ 용탕의 유동성 향상을 위한 적절한 주형 통기도 및 열전도도
본 기술을 통해, 중량 2g 정도의 소형부품부터, 알루미늄의 경우 35kg, 주강의 경우 300kg의 대형부품까지 제작이 가능하며, 최소 두께는 0.5mm 정도다. 치수 오차는 ±0.5%가 일반적이나, 소형 부품은 ±0.15% 이하도 가능하다.
◇ 세부공정 및 주요 적용부품
ⅰ 왁스 패턴 : 왁스 사출(Injection Molding) 혹은 급속 조형법(SLA, SLS와같은 급속 조형법, Rapid Prototype)으로 패턴 제작
ⅱ 왁스 트리 조립 : 왁스 패턴을 프루(중심 막대)에 부착
ⅲ 세라믹 쉘 제작 : 왁스 트리를 내화재인 세라믹 슬러리에 침지, 코 팅해 표면층을 형성함. 표면층은 건조과정을 거친 후, 다시 세라믹 슬러리에 침지, 코팅 후 건조과정을 반복해 견고한 두께를 갖는 표면층 형성
ⅳ 탈 왁스 : 오토 클레브를 사용해 왁스를 용융 추출함
ⅴ 소성 : 주형 내 잔존 왁스 제거 및 강도 부여
ⅵ 용탕 주입 및 응고
ⅶ 주형 붕괴 : 진동 혹은 블라스팅을 사용해 주형을 붕괴함
ⅷ 부품 절단 : 중심 스프루에서 부품을 절단함
ⅸ 후처리 : 표면 연마
21세기 문명은 항공 이송 및 세계 전력생산의 상당 부분을 차지하고 있는 가스터빈엔진에 의존하고 있다. 따라서 가스터빈엔진 개발과 정밀주조산업과의 관계 및 그에 따른 시너지는 매우 중요하다. 정밀주조 적용부품 중 항공부품은 중국의 ARJ21-700 상업생산 개시 및 2014년 C919 점보기 생산, Boeing Dreamliner 생산이 예정돼 있고, A380·A350·787·748 등 신 모델 도입이 이뤄지고 있어 해당 부품의 시장 규모가 증가할 전망이다. 또한, 산업용 가스터빈부품의 경우 2009년 4분기 이후 30% 정도의 생산량 감소가 있었으나 전력 수요의 지속적 증가가 필연적이므로 장기적으로 볼 때 이 부품의 시장규모는 확대될 것으로 예상된다.
자동차 산업의 경우, 일본에서는 터보차저 휠 생산량이 증가하고 있다. 또한 첨단 연료 및 배기 시스템, 다중 터보차저, 직접 연료분사 시스템, 하이브리드 및 전기 자동차 부품에 정밀주조 부품이 적용될 가능성이 높다. 항공용·가스터빈용·터보차저용 부품으로 주목
의료산업의 경우 외과수술의 감소에 따라 힙 조인트 등 정밀주조 부품 판매가 부진했으나, 수술 예약이 점차 증가하고 있고, 세계적으로 고령화 진행 속도가 빨라짐에 따라 임플란트, 진단기기 및 치료기기 등에 정밀주조 부품 적용이 확대되고 있다.
■ 기술의 환경변화 및 중요성
◇ 친환경 정밀주조 공정의 수요 확대
최근 고품위·고기능·저비용 부품소재공정 개발이 중요하게 대두되고 있다. 제조기술 측면에서 복잡한 형상의 일체형 부품을 생산할 때 후 가공 공정을 생략하면서 정형(Net-shape)부품으로 제조할 수 있는 정밀주조기술의 중요성이 증대되고 있다.
◇ 신규분야에서 정밀주조 부품소재의 수요 확대
중국, 인도 등 새로운 거대시장의 등장과 더불어 새로운 분야로의 부품소재 수요 확대가 예상되고 있다. 다음의 사례에서 볼 때 향후 정밀주조기술의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다.
ⅰ 민수 및 군수용 항공기산업에 있어서 형상이 더욱 복잡해진 일체형 신 모델 정밀부품의 수요 증대
ⅱ 자동차산업에 있어서 첨단 연소 시스템, 다기능 터보차저 휠, 직접 연료분사 부품, 하이브리드 및 전기자동차 생산 증가에 따른 정밀부품의 잠재적 수요 증대
ⅲ 의료산업에 있어서 노령인구 증가에 따른 임플란트, 진단 장비 및 외과 의료기기 수요 증대
ⅳ 스포츠·레저산업에 있어서 삶의 가치 증대를 위한 고부가가치의 정밀부품 수요 증가
■ 기술동향
정밀주조법은 다음과 같이 여러 가지 장점을 갖고 있다.
ⅰ 설계 유연성이 좋음
ⅱ 철계 및 비철계 합금에 걸쳐 폭 넓은 적용 가능성
ⅲ 제조비용 저감
ⅳ 조립공정 축소
ⅴ 정밀한 재현성
ⅵ 높은 치수 정밀도
ⅶ 급속조형(RP) 기술적용을 통한 공 정 단순화
정밀주조법은 위에 기술된 장점들 융합해 복수의 부품을 일체형 부품으로 제조하는 것이 가능하다. 그리고 고비용의 기계가공 공정을 축소 혹은 생략할 수 있도록 기술개발이 진행되고 있다.
주요 연구개발 분야를 크게 나누면 다음과 같다.
◇ 정밀주조 설비 대형화 및 안정화기술
선진국에서는 소형의 정밀주조 부품뿐만 아니라, 100kg 이상의 대형 부품 주조 기술이 안정화 단계에 접어든 상태다. 소형의 정밀주조 부품과는 달리 대형 주조 부품을 생산하기 위해서는 설비의 대형화뿐만 아니라 주물의 대형화에 따른 주조 방안 및 응고 조직제어 기술 개발이 필수적이며, 이에 대한 신뢰성이 확보돼야 한다.
◇ 특수 용도에 부합하는 합금 및 주형 개발
내열·내식·방열 특성과 같은 요구특성을 충족하는 소재가 개발되더라도 그 소재를 특정 형상으로 제조하는 것은 다른 관점으로 생각해야 한다. 특히, 박육 및 역구배를 갖는 복잡한 형상의 정밀주조품은 유동성을 반드시 고려해야하기 때문에 이를 만족하는 합금 개발이 필요하다. 또한, 세라믹 쉘 주형을 사용하는 정밀주조 주형은 공정 조건에 따라 차이가 있지만 주형과 용탕 간의 반응으로 인해 부품 표면에 발생하는 반응층을 제어할 수 있는 합금 및 주형 개발이 요구된다.
◇ 급속조형 공정 개발
정밀주조 부품의 경우 적정한 단가 및 요구 품질을 유지하면서 리드 타임(Lead Time)을 단축할 수 있는 Rapid Pattern Making(급속 패턴 제작) 상용화 기술이 필요하다. 현재까지 제안된 급속 패턴 제작기술은 다음과 같다.
ⅰ FDM(Fused Deposition Modelling)
ⅱ SLS(Selective Laser Sintering)
ⅲ 3DP(3D Printing)
ⅳ SLA(Stereolithography)
ⅴ MM2(Ink Jet Plotting)
ⅵ LOM(Laminated Object Manufacturing)
ⅶ Multi-jet Modelling
최근 금속쉘 및 중자 제작기술로는 규산지르코늄(ZrSiO4)과 같은 세라믹 분말을 사용해 주형을 직접 제작하는 기술인 CLS(Ceramic Laser Sintering)가 제안돼 연구가 진행되고 있다.
◇ 공정 품위 향상기술
정밀주조 공정은 노동력 집약적인 특징이 있다. 따라서 주형 쉘 제작 및 후가공 단계에서 부품의 불량률 감소 및 품질 향상을 위한 자동화 공정 기술과 더불어, 부품 제조 후 특성 향상을 위한 열처리 공정 및 제품 내 결함 제거를 위한 열간 정수압처리 등의 후처리 공정 기술개발이 필요하다.
◇ 공정 비용 절감기술
내열 합금에 주로 첨가되는 희유금속은 그 희소성으로 인해 소재 가격이 고가이고, 시장 상황에 따라 가격의 변화가 심한 것이 특징이다. 따라서 부품제조 후 필연적으로 발생하는 스프루 및 런너 부위의 스크랩을 재활용할 수 있는 공정기술 개발이 필요하다.
세계적 친환경·고효율 추세 속 신흥국 수요 ↑
■ 미국의 동향 美·EU·日 시장 주도…韓 기술수준 선진국과 격차 커
◇ 연구개발 현황
미국은 자국의 3대 항공엔진 제조회사인 General Electrics, Pratt & Whitney 및 Rolls-Royce의 주도 하에 가스터빈 및 에어포일 등과 같은 정밀주조 엔진 부품 전문 제조회사인 Precision Castparts Co., Alcoa Howmet Co. 및 Hitchiner Manufacturing Co. 등을 중심으로 생산 및 연구개발을 진행돼 왔다. 특히, 최근에는 항공우주관련 대형부품 뿐만이 아니라 임플란트 및 힙 조인트와 같은 의료용 정밀주조 부품도 생산함으로써 그 영역을 점진적으로 나가고 있다.
◇ 선도연구기관
미국의 정밀주조 부품 전문 제조 회사는 1920년대부터 설립돼 공정에 대한 기술력이 안정화에 접어든 단계로 볼 수 있다. 또한, 미국 내 대형 엔진제조회사의 수요를 만족시키기 위해, Precision Castparts Co., Alcoa Howmet Co., Hitchiner Manufacturing Co. 및 Wisconsin Precision Casting Co. 등을 중심으로 요구특성에 맞는 엔진 부품의 대량생산에 초점이 맞추어져 있다. 특히, Hitchiner Manufacturing Co.은 저압주조와 정밀주조 공정을 결합한 반중력주조 공정기술을 개발, 용융금속의 난류형성을 배제하고 안정적인 주입을 유도해 고품위의 정밀주조 부품을 생산하고 있다.
신시장 선점 위한 친환경 정밀주조기술 개발 힘써야
■ 유럽의 동향
◇ 연구개발 현황
유럽(EU)의 정밀주조 기술 개발은 영국, 독일 및 프랑스와 같은 서유럽국가 중심으로 이루어지고 있다. 특히, 정밀주조 공정에 필요한 세라믹 분말, 점결제 및 왁스와 같은 원자재 개발뿐만이 아니라 급속조형에 의한 마스터 패턴 모델링, 정밀주조 공정의 효율 향상을 위한 코팅 자동화기기 및 급속 건조기기 등의 장비 설계에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
◇ 선도연구기관
EU에서는 Doncasters Precision Castings Co., Feinguss Blank GmbH, Zollern Foundry Technology 및 Tital GmbH 등을 중심으로 정밀주조 부품의 연구개발을 진행하고 있다. 생산 규모는 대형부터 소형 부품까지 폭넓게 형성돼 있다. 특히, 최근에는 3D 모델링을 통한 급속조형 기술 개발을 바탕으로 다품종 소량생산에 적합한 공정기술 개발이 이슈가 되고 있다. 또한, 영국의 Birmingham Univ.는 정밀주조 주형제작 시간을 절감할 수 있는 급속 주형제작 공정 기술 개발에 대한 연구를 수행하고 있으며, 독일의 Access 연구소는 독일 내 정밀주조 관련 업체와 연계해 정밀주조 공정을 기반으로 하는 원심주조 공정 기술을 개발하고 있다.
■ 일본의 동향
◇ 연구개발 현황
일본은 1970년대 이후부터 정밀주조 기술이 점차적으로 발전돼 왔다. 특히, 미국 및 EU에 비해 업체 규모가 상대적으로 작고, 대형 부품보다는 중·소형 부품 위주의 생산 및 연구개발이 이루어지고 있다.
◇ 선도연구기관
일본은 미국 및 유럽과는 달리 독자적인 정밀주조 업체로 존재하는 것이 아니라, 대부분 대기업 산하의 자회사로 운영이 되면서 모기업에 구축돼 있는 생산 시스템과 연계돼 생산 및 연구개발을 수행하고 있다.
또한, Daido Casting Co., Hitachi Metal Precision Co. 및 IHI Castings Co. 등의 주도 하에 Fe계 합금뿐만 아니라, Ni계 초합금, Al, Mg 및 Ti 합금을 기반으로 하는 우주항공, 가스터빈 및 자동차 부품의 정밀주조 공정 개발이 주를 이루고 있다. 특히, Daido Casting Co.는 미국의 Hitchiner Manufacturing Co.와 유사한 반중력주조 공정을 개선한 LEVICAST 공정 기술을 개발해 TiAl 합금과 같은 고융점 활성금속의 자동차용 터보차저 정밀주조 부품을 생산하고 있다.
■ 국내 동향
◇ 연구개발 현황
미국 및 EU의 정밀주조 공정 기술에 비해 상대적으로 낮은 기술 수준인 한국의 경우, 1980년대 초반부터 정밀주조 공정 기술에 대한 연구개발보다는 다품종 소량 생산에 초점을 맞추고 있었다. 1990년대 중반부터는 산업용 Fe계 터빈 임펠러 및 임플란트 제조 기술개발을 시작했으며 최근에는 고융점 활성 금속인 Ti 합금 및 Ni, Co계 초합금의 정밀주조 기술에 대한 연구개발이 이루어지고 있다.
◇ 선도연구기관
국내의 정밀주조 공정 기술은 대기업보다 중소기업 및 연구소를 중심으로 연구개발이 진행되고 있다. 한국로스트왁스 및 한일정밀주조는 주로 Fe계의 터빈블레이드 및 밸브, 캐스텍은 방향성 응고 기술을 활용한 Ni계 초합금의 가스터빈 정밀주조 부품을 생산하고 있다. 또한, 케이피씨 및 엔아이비는 타이타늄 합금 정밀주조 공정 기술에 대한 연구개발을 진행하고 있다.
◇ 기술경쟁력 분석
국내의 정밀주조 공정 기술은 규모나 기술력이 선진국에 비해 아직 열악한 수준이다. 미국 및 유럽의 경우에는 General Electrics, Pratt & Whitney, Rolls-Royce 및 MTU와 같은 항공엔진 전문 대기업 존재에 따른 거대 수요가 있는 반면, 국내는 그렇지 못한 실정이기 때문에 대량생산 보다는 다품종 소량생산으로 이루어질 수밖에 없는 한계가 있다.
특히, △적정한 단가 및 요구 품질을 유지하면서, Lead Time을 단축할 수 있는 급속패턴 제작 기술 △중자 설계, 탕구계 설계, 용탕 충전 및 응고거동에 관한 주조공정변수의 영향을 계통적으로 체계화한 공정 시뮬레이션 기술 △공정의 효율성 향상을 위한 장비 설계 기술의 측면에서는 아직 해외 선진국에 비해 기술력이 부족하기 때문에 이에 대한 연구개발이 필요하다.
■ 국내·외 주요기업의 생산 활동
정밀주조업체는 전 세계적으로 약 1,600여 개가 파악되고 있으며, 분포는 북미에 13%, 유럽 12%, 아시아 72%, 기타 3%로서 10개 업체 중 7개가 아시아에 배치돼 있다. 그 중에서 중국의 4개 업체 정도가 생산 활동에 참여하고 있다.
이에 비해, 2009년 국내 생산부품(매출액 1억2,600만달러)을 살펴보면, 밸브류 25%, 자동차부품 22%, 기계 공구류 20%, 기타 33%로 일반 산업부품 비율이 높은 편이다. 반면, 일본은 매출액 4억3,000만달러 중 가스터빈 52%, 자동차부품 22%, 기계류 11%, 항공부품 7%, 기타 8%로 고부가가치 부품 생산비율이 높다.
■ 시장규모 및 전망
판매액 기준으로 전 세계 시장규모를 살펴보면, 2008년도엔 105억달러(약 11조원)였으며, 이는 2007년도 대비 2% 상승한 수치이다. 구체적으로 살펴보면, 북미시장이 39%, 서유럽시장이 27%, 중국시장이 20%, 중국을 제외한 한국, 일본, 대만 등의 아시아시장이 13%, 기타 1%이다. 한편, 2008년 말의 세계 경제위기는 정밀주조업계에도 영향을 끼쳤으며, 그 결과 2009년 시장규모는 89억달러(약 9조4,000억원)로 전년대비 14% 감소했고, 특히 북미 및 유럽시장에서 15% 이상 감소했다.
리먼 브라더스 파산보호신청에 시초한 국제금융위기, 그리스 재정위기에서부터 확대돼가는 유럽공동체 경제위기, 일본과 미국의 신용평가등급 하락 등 세계 경제 문제는 정밀주조산업에 큰 영향을 끼치고 있다. 또한, 원소재 가격 상승 문제와 부품가격인하 압력도 악영향을 끼쳐, 정밀주조산업의 시장 규모는 2006년 수준으로 떨어졌다. 그러나 항공 산업, 가스발전 산업 및 자동차산업, 일반 산업부분이 회복 조짐을 보이고 있고, 의료 산업 등에도 적용 확대가 기대되고 있어 정밀주조산업의 장래는 밝다고 할 수 있다. 다만, 시장 규모가 2008년 수준까지 도달하는 데에는 상당 기간이 소요될 것으로 예상된다.
■ 미래의 연구방향
매년 예상되는 원소재 가격 상승과 지구상에 제한된 금속 및 비금속 자원의 사용규제 강화에 대비한 원소재 재활용기술 개발과 대체소재 개발이 필요하다. 또한, 환경 보존, 건강 및 안전 규정 적용에 관한 요구가 증가할 것으로 예상되며, 현재 특별한 문제없이 사용되고 있는 소재에 대해서도 규제가 적용될 수 있으므로, 이에 관한 대비도 필요할 것으로 판단된다.
한편, 치수 제어기술 및 복잡 형상부품의 수요 증가가 예상되며, 정보화 및 지식기반사회 구축 추세에 맞추어, 정밀주조산업에 있어서도 자동화, 전문화를 통한 부품단가 저감 요구도 예상된다. 그러므로, 이에 관련된 기술 개발도 필요할 것으로 판단된다.
이와 같은 미래 기술개발을 통해, 정밀주조산업은 지속적으로 발전할 가능성이 크며, 핵심적 전략산업의 일익을 담당할 것으로 예견된다.
■ 국내 산업이 나아갈 방향
첨단산업의 핵심부품 제조에 필수적인 니켈, 텅스텐, 코발트, 티타늄, 희토류 금속 등에 관한 자원 확보 경쟁이 갈수록 치열해지고 있다. 광물 자원이 부족한 국내 실정을 감안할 때, 금속자원의 재활용 기술을 위시한 경쟁력 있는 정밀부품소재기술 개발은 매우 중요하다.
또한, 국제사회에 중국, 인도 등 새로운 거대시장의 등장과 더불어 항공기 산업 및 전력수요 확대 등에 따른 고부가가치의 정밀부품 수요 증가가 예상되므로 향후 정밀주조기술의 중요성은 더욱 커질 것으로 예상된다.
이러한 관점에서, 특히, 뿌리산업인 정밀주조 원천기술 확보를 통한 친환경 정밀주조 공정의 적용 확대 및 신규 분야에서 정밀주조 부품소재의 수요 확대에 따라 신시장을 선점하는 전략이 필요하다.
향후, 정밀주조 요소기술개발과 관련된 정부 차원의 지속적인 관심과 지원 확대를 기대해 본다.
