[REPORT] 적층 방식의 ‘3D 프린팅’, 제조업 패러다임 변화 주도

[산업일보]
한국공작기계산업협회(회장 손종현, 이하 협회)가 지난 10월 29일 서울 코엑스 컨퍼런스룸에서 ‘3D 프린터 기술동향 및 공작기계 산업에 미치는 영향’을 주제로 한 기술세미나를 성황리에 마쳤다.

이번 행사는 미래 유망기술로 주목받고 있는 3D 프린터에 대한 기술정보 제공과 산업계에 대한 파급효과를 진단하기 위해 마련됐으며, 최근의 높은 관심을 반영한 듯 관련 업계 약 100여명이 참석했다.

한국공작기계산업협회 김진선 부회장은 개회사를 통해 “최근 산업계의 미래를 바꿀 혁신기술로 부각되고 있는 3D 프린팅 기술은 복잡한 형상이나 소품종 생산, 경량화 실현과 소재 절감 등의 장점으로 인해 향후 제조업의 패러다임을 변화시킬 것으로 예상된다”며 “이번 세미나는 공작기계 업계가 3D 프린터의 기술현황과 산업 파급효과 등을 함께 고민해보고자 마련하게 됐다”고 전했다.

이날 세미나에는 ▲3D 프린팅 원리와 소재별 적층기술(한국기계연구원 손현기 연구원) ▲3D 프린터 활용사례 및 산업계 파급효과(프로토텍 윤대호 이사) ▲3D 금속 프린팅 기술과 응용사례(인스텍 서정훈 대표) ▲3D 프린터를 활용한 금속부품 제작 및 기술과제(마그네슘기술연구조합 강민철 박사)에 대한 주제 발표가 진행됐다.

3D 프린팅은 설계 데이터에 따라 액체 및 파우더 형태의 폴리머, 금속 등의 재료를 가공, 적층하는 방식으로 쌓아올려 입체물을 제조하는 것으로 RP(Rapid Prototyping)장비에서 유래됐다.

한국기계연구원 손현기 연구원은 “3D 프린팅은 폴리머와 금속을 기본 재료로 사용하며 Curing, Sintering, Deposition, Gluing 등 적층방식에 따라 각 메이커마다 다양한 공정들이 개발되고 있다”며 “최근에는 빠른 속도와 높은 정밀도, 대형화에 대한 요구와 함께 적층 재료의 개발도 활발히 이뤄지고 있다”고 전했다.

Curing은 액상 폴리머에 빛을 쪼여 경화시키는 가장 기본적인 방식으로 UV 레이저를 이용하는 SLA(Stereolithography)를 비롯해 DLP(Digital Light Processing), SGC(Solid Ground Curing), MJM(Multi Jetting Modeling), PolyJet 등이 있으며, Sintering은 폴리머 또는 금속 파우더를 베이스로 해 용융이 일어날 정도로 가열을 해 고온․고압 상태에서 고형화하는 방식으로 SLS(Selective Laser Sintering), SHS(Selective Heat Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sinterind), SLM(Selective Laser Melting), EBM(Electron Beam Melting) 등이 있다.

Desposition은 레이저 등의 열원을 이용해 재료를 완전히 녹여서 적층하는 방식으로 FDM(Fused Deposition Manufacturing), BPM(Ballistic Particle Manufacturing), EBF(Electron Beam Freeform Fabrication), LENS(Laser Engineered Net Shaping) 등이, Gluing은 열을 이용해 녹여 접착을 하는 방식으로 LOM(Laminated Object Manufucturing) 3DP(Three-dimensional Printing) 등이 각각 해당한다.

프로토텍의 윤대호 이사는 “기업이 제품 개발 과정에 3D 프린터를 사용할 경우 개발기간의 단축은 물론 생산성 증가, 디자인 개발 및 제조 비용까지 절감할 수 있다는 이점을 제공한다”며 “기업이 3D 프린터 도입 시 어떤 용도로 활용할 것인지 생산성을 높일 수 있는지, 구현 요건을 충족하는가, 장비 운영이 편리한 가 등을 고려해야 한다”고 밝혔다.

3D 프린터를 사용할 경우 첫째, 언더컷이 많고 형상이 복잡한 디자인에 적용하면 좋고 단시간 내에 더 많은 디자인을 제작, 검증할 수 있다. 둘째, 빠른 시제품 제작을 통해 디자인 설계능력을 향상시키고 디자인에 대한 소비자 반응조사를 해 디자인에 반영할 수 있다 셋째, 다품종 소량 및 맞춤형 제작, 복잡한 디자인에서 비용을 줄일 수 있을 뿐 아니라 금형수정 비용을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.

윤 이사는 “기술적인 관점에서 CNC 가공 및 3D 프린팅을 단독 사용하기 보다는 용도에 맞게 혼용해 시간과 비용을 절약하는 것이 바람직하다”며 투명재료, 표면조도, 단순한 형상의 대형물, 고정밀도, 고강도가 요구되는 것은 오히려 CNC가공을 적용하는 것이 더 좋다“고 설명했다.

이어 “형상이나 Fit 및 조립, 기능성 테스트나 실리콘 몰딩, 샌드 캐스팅 등과 같은 툴링, 마케팅 등을 목적으로 산업현장에서 도입이 증가되는 추세로 향후 그 속도가 더욱 빨라질 것”이라고 덧붙였다.

인스텍의 서정훈 대표는 “3D 금속 프린팅 기술로 Powder Bed Fusion과 Directed Energy Deposition으로 분류되며, 이중 인스텍이 보유하고 있는 Directed Energy Deposition 기술은 고출력 레이저와 일반 산업용 금속분말을 사용하고 조형과정에서 이 분말을 실시간으로 공급하는 것으로 조형된 금속제품의 기계적 물성이 뛰어나고 조형물이나 장비 크기 제한이 없다”고 설명했다.

DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling)라고 명명된 이 기술은 특히 고가의 특수금속분말을 사용하는 기존기술과 달리 일반산업용 금속분말을 사용하고 다양한 합금분말 사용도 가능해 경제적이며, 3D CAD/CAM 도움 없이도 손상된 3D 곡면을 기계 스스로 보수한다는 특징이 있다. 처음부터 끝까지 DMT 기술로 조형하거나 단순한 형상은 기계가공 또는 주조 등의 전통적인 방식으로 하고 기술적으로 복잡한 형상은 3D 금속 프린팅 기술로 조형하는 두가지 조형방법이 있다.

현재 이 기술은 3차원 냉각수로 금형의 제작이나 이종 소재의 부품 제작, 금속제품 및 금형의 리모델링, 손상된 금속제품과 금형의 보수 등에 활용되고 있다.

인스텍은 2001년 설립된 이후 독자기술로 개발한 DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling) 기술을 기반으로 3D 금속 프린팅과 관련된 하드웨어로부터 소프트웨어, 서비스까지 토털 솔루션을 제공하고 있다.

한국마그네슘기술연구조합 강민철 박사는 “사형주조, 정밀주조 등 3D 프린터를 활용하면 기존 주조품에서 구현하지 못하는 형상이나 다품종 소량 생산, 난이도 높은 제품에서 패턴비용이나 시간 절약이 가능하다”며 “Direct 3D 프린터는 고강도화 및 향후 금소기지 복합재료(MMC), 경사기능재료(FGM)에도 활용이 가능한 만큼 현재 경량 소재로 사용이 증가하고 있는 마그네슘에도 얼마든지 사용이 가능하다”고 전했다.

특히 플라스틱 분야는 이미 특허시효 만료 및 부가가치가 떨어지나 금속 분야는 향후 기술발전 및 응용분야 확대로 시장성장성이 높다고 강조했다.

이미 람보르기니는 3D 프린터를 이용해 시제품을 제작함으로써 제작 비용 및 기간을 대폭 단축했고 보잉은 소형 부품 300여 종을 3D 프린터를 이용해 제작하고 있는 만큼 향후 항공우주를 비롯해 자동차, 의료, 귀금속, 패션 등 다양한 분야에서 활용이 더욱 확대될 전망이다.

이와 함께 강 박사는 “국내 주조산업의 활성화를 위해서는 3D 프리터의 도입과 국산화, 분말제조 기술 등의 지원이 병행돼야 할 것”이라고 주장했다.