[첨단 헬로티]

4차 산업혁명에서 발현된 신기술은 금형산업을 비롯한 제조업 분야 공정의 변화를 일으키고 있다. 자동화를 넘어 스마트화를 지향하는 새로운 제조 공정은 제품 품질 향상을 비롯해 생산 시간 단축, 불량률 감소 등으로 생산성 향상과 기업 가치 상승이라는 효과를 낳았다.

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디지털 공장과 3D프린팅 기술

▲사진 : 게티이미지뱅크

산업 분야의 생산 공장은 공정 반복성, 생산 부품 내구성, 워크플로 생산성, 경제적 총 운영비용 등 네 가지 주요 요소에서 뛰어난 성과를 거둬왔다.

이 과정에서 공장 워크플로는 최상의 부품을 최대한 낮은 비용으로 대량 생산하는데 초점을 맞췄다. 공정 변혁의 시대로 불리는 4차 산업혁명을 맞아 신기술을 만나게 된 제조 분야는 앞서 언급한 표준 공정과 더불어 기존의 생산 방법 또는 워크플로 프로세스를 뛰어넘기 위한 노력을 추진 중이다.

오늘날 제조업체는 새로운 시장 수요가 발생하면서 제조 속도와 민첩성 향상이라는 과제를 안게 됐다. 제조업체는 새로운 비즈니스 모델에 부응하기 위해 고객 수요에 빠르게 대응할 뿐 아니라 신속하게 설계를 진행할 수 있는 능력이 필요했다. 또한, 생산 주기 단축과 에코시스템의 진화 속도를 높이는 작업도 병행해야 했다.

이를 위해 디지털 속도로 물리적 제품을 개발하는 과정에서 3D프린팅 기술은 산업용 공장 생산을 대체하는 전략적 자산으로 발전하고 있다. 진보된 3D프린팅 기술은 새로운 소재와 새로운 프린팅 방법, 새로운 설계 기능, 그리고 새로운 워크플로우 프로세스를 앞세워 제조업에 디지털 접근방식이 가능하다는 것을 증명했다.

지난 30년간 3D프린팅은 주로 설계 검토와 원형 제작, 시제품 제작 등 R&D 분야에서 주로 사용됐으나 최근 3D프린팅은 제조 현장에서 사용돼 최종 완제품을 생산하고 있다.

디지털 공장 기술로 제작된 부품은 전통 제조 방식으로 구현할 수 없는 제품에 새로운 제조 프로세스를 접목해 탄생했다. 디지털 공장 기술은 우수한 설계 알고리즘을 기반으로 솔리드 구조가 아닌 그물 모양의 격자 구조와 위상 최적화된 기하형상을 사용함으로써 더욱 단단한 경량화 부품을 제조하는 것도 가능해졌다.

이뿐 아니라 많은 개수의 부품이 단품 어셈블리에 결합되는 일체형 통합 부품도 더욱 쉽게 제작할 수 있다. 그밖에 이러한 부품에 유체 또는 기체의 이동 채널을 결합해 효율성을 높이고 부품 수명을 연장할 수도 있게 됐다.

우주항공 분야와 금속 디지털팩토리

오늘날 금속 제조업계의 트렌드는 더욱 빠른 배송과 소량 생산, 새로운 기능성 부품을 요구하는 방향으로 흘러가고 있다. 이러한 트렌드는 대부분 항공우주 시장, 특히 우주 발사체에서 두드러진다. 항공우주 시장은 낮은 비용과 높은 기능성 부품을 단기간에 원할 뿐 아니라 정밀한 고가의 부품이 사용되기 때문이다.

이에 항공우주 산업은 더욱 효율적인 연비를 구현할 목적으로 적층제조 기술을 통해 부품 중량을 줄이는 동시에 기능성을 높일 수 있는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

나노 위성이나 큐브 위성을 향한 트렌드는 경량화, 소형화 및 내구성을 높인 부품설계에 새로운 기원을 열고 있다. 이로 인해 소형 위성 발사체(SSLV)에 대한 수요까지 증가했다. SSLV는 일반적으로 사용되는 대형 극궤도 위성 발사체와 정지궤도 위성발사체의 대안으로 더욱 저렴한 소형 위성 발사 옵션을 제공한다.

▲최초의 3D프린팅 무선 주파수(RF) 필터(사진 : 3D시스템즈)

한 예로, 에어버스 디펜스 앤드 스페이스(Airbus Defence & Space)는 지난 2016년 3D시스템즈와 손잡고 최초의 3D프린팅 무선 주파수(RF) 필터를 제작해 범용 이동통신 위성에 대한 사용 유효성 테스트와 검증까지 마침으로써 획기적인 성과를 거둔 바 있다. 이 프로젝트는 유럽우주국이 자금을 지원한 연구에 기초해 진행됐다.

새롭게 설계된 RF필터는 기존 제품보다 50% 가벼워서 부품 경량화 요건을 충족했다. 적층 설계를 통해 부품 수를 39개에서 1개로 줄였기에 생산 시간도 빨라졌을 뿐 아니라 생산 비용까지 절감했다. 한편, 적층 설계는 2017년 말부터 본격적으로 사용되기 시작했다.

이처럼 우주항공 분야에서의 금속 적층제조에 대한 연구가 점차 늘고 있다. 민간 항공기 기체에 대한 수요가 증가하면서 항공기 업계도 복잡한 공급체계 완화를 통해 항공기를 경량화 하고 연비를 높이는 동시에 안전 기준을 유지 및 강화하는 접근 방법을 새롭게 강구하고 있다.

이러한 접근 방법 중에는 일반 부품이나 중요 부품에 사용되는 경량화 소재의 새로운 혁신 기술이 포함돼있지만, 그밖에 적층제조 기술에 대해 높아진 관심도 빼놓을 수 없다.

지난 2017년, SmartTech Markets에서 발표한 연구보고서인 ‘Opportunities for Additive Manufacturing in Aerospace 2017 – Civil Aviation’은 민간 항공기 분야 한 업종에서만 금속 적층 장비에 대한 총 시장 수익(서비스 및 소재 제외)이 2016년부터 2027년까지 700% 성장할 것으로 전망했다.

이외에도 항공기 OEM 고객에게 전문 서비스를 제공하는 ‘적층제조 항공우주 공장’도 큰 폭으로 증가할 것이라 예측했다. 이러한 트렌드와 산업용 가스터빈, 운송 등 주요 산업의 성장 예측에 따라 금속 적층제조 기술을 통해 생산성 증대와 운영비용 절감, 그리고 비용 효율적인 부품을 요구하는 수요가 점차 증가하고 있다. 이에 디지털팩토리를 접목한 생산 공정 혁신은 최적의 방안으로 손꼽힌다.

▲3D시스템즈와 GF Machining Solutions가 합작해 개발한 금속 디지털 공장 솔루션 ‘DMP Factory 500’(사진 : 3D시스템즈)

품질과 생산량, 일석이조 효과 거두다

3D프린터 제조기업인 3D시스템즈는 이러한 혁신을 ‘디지털팩토리’라고 불렀다. 디지털팩토리는 공장 수준 생산에 필요한 주요 기준을 충족한다. 첫 번째는 응용 분야에서 부품 반복성 6 시그마 품질까지 보장된다.

두 번째는 새로운 설계 기법과 혁신적인 금속 소재를 사용해 내구성이 보장된다. 세 번째는 최첨단 생산 프로세스로 생산성을 24시간/7일 유지한다. 끝으로 필요한 부품을 적합한 생산 수준으로 제조하는 데 소요되는 총 비용이 효율적이다.

3D시스템즈와 GF Machining Solutions는 서로 합작해 금속 디지털 공장 솔루션인 ‘DMP Factory 500’을 개발했다. DMP Factory 500 솔루션은 동일하고 반복 가능한 부품 품질, 높은 생산성과 낮은 총 운영비용, 기존 금속 제조 공정과 원활한 통합을 지원하도록 설계됐다.

이 솔루션은 기능에 따라 생산 모듈 세트를 제공하기에 금속 적층 부품을 꾸준히 생산할 수 있다. 프린터 모듈은 대형 금속 부품을 원활하게 제조하는 반면 이동식 프린트 모듈과 파우더 관리 모듈은 생산 워크플로를 구현한다.

통합 절삭 모듈은 지속적인 생산이 가능하도록 보완하는 프로세스를 제공한다. 여기에 고품질 적층 소재와 소재 관리 및 자동화 소프트웨어까지 결합된 DMP Factory 500은 제조업체의 요구를 충족시킬 만큼 확장 가능하다.

DMP Factory 500은 적층 제조 작업과 절삭 제조 작업을 모두 지원한다. 새롭게 특허를 획득한 제로 포인트 클램핑 시스템이 3D프린터 제작 빌드를 최적의 위치로 포지셔닝해 3D프린터에서 전처리 단계로 빠르게 전환할 수 있다.

이러한 통합은 설정 시간을 줄일 뿐 아니라 제작 빌드를 적층 프로세스에서 빠르게 전환해 후처리 단계로 보내 유연성을 강화함으로써 시간과 비용을 크게 절감하는 효과가 있다. 이러한 모듈 접근 방법은 다음과 같이 지속적인 기능이 가능한 이유기도 하다.

별도의 프로세스가 순차적으로 일어나야 하는 3D프린팅 챔버가 1개가 아니기에 부품이 기능에 따라 챔버 사이를 이동한다. 기계가 동일한 공정을 반복하는 산업혁명의 전환 혁신이 각 3D 생산 프로세스에 따른 전용 챔버로 다시 태어난 셈이다.

이처럼 적층제조 기술을 사용한 금속 부품 생산은 기존 제조 방식으로 불가능했던 차별화된 생산 유연성을 보장한다. DMP Factory 500은 빌드 위에 노즐 300개를 배치하는 방식으로 프린트한 후에도 다운 타임이나 툴링 없이 완전히 다른 제품 생산을 바로 시작할 수 있다.

이렇게 지속적인 생산과 각 프로젝트마다 필요한 모듈 수와 유형을 지정하는 능력은 수동 프로세스를 최소화 해 운용비용을 절감하는데 효과적이다. 대형 제작일 때도 다수의 레이저를 사용하기에 처리속도가 빠르다.

이뿐 아니라 금속 적층제조는 OEM 고객에게 커다란 생산 이점을 제공하고 확장성, 추적 가능성 및 반복성을 높여 판도를 뒤바꿔놓을 기술의 이점을 전달한다. 또한, 최적화된 부품 설계와 경량화 작업으로 부품 성능을 높이는 기능적 설계를 지원해 제조업체에 다양한 이점을 선사한다. 그밖에 급변하는 시장에서 제품 개발 및 제조시간의 절감 효과도 나타난다.

3D시스템즈, ‘제1회 적층제조 콘서트’ 개최해

3D시스템즈는 각 지역 특화산업에 적용되는 3D프린팅 최신 기술과 솔루션을 제시하는 행사를 준비했다. 3D시스템즈는 재료연구소와 공동 주관으로 8월 28일(수) 경남 창원 재료연구소 국제회의실에서 ‘제1회 3D시스템즈 AM 콘서트’를 개최했다.

4차 산업혁명 시대 속에서 3D프린팅 기술이 다양한 산업 분야에 적극적으로 활용되기 시작하는 가운데 이번 AM 콘서트는 각 지역의 특화 산업별 유저에게 지속적으로 변하는 3D프린팅 기술의 최신 트렌드와 인적 네트워크를 공유하기 위해 기획됐다.

첫 행사에서는 한국 리셀러인 씨이피테크(CEP TECH)와 함께 항공우주, 국방 등을 중심으로 3D프린팅 기술의 트렌드와 산업 활용사례를 중점적으로 다뤘다.

이에 항공우주 분야 3D프린팅 기술 적용사례와 과제(권용남 재료연 센터장), 3D프린팅 기술의 산업 분야 적용 사례(이낙규 한국생산기술연구원 센터장), 국방 기술 분야 3D프린팅 기술 적용 사례 및 확대 방안(장진수 육군 정비창 주무관), 3D프린팅 기술의 적용 사례(최한신 한국생산기술연구원 박사), 3D적층제조 기술을 활용한 시제품 제작 및 소량 생산 솔루션(맹덕영 3D시스템즈 차장), 3D적층제조 기술을 활용한 디지털 팩토리 솔루션(백소령 3D시스템즈 본부장) 등이 발표에 나섰다.

백소령 3D시스템즈 본부장은 “AM 콘서트는 전국 각 지역의 유저들을 찾아가 직접 만나서 기술애로와 수요를 파악하고 적층제조를 활성화시키는 마중물이 될 것”이라며, “앞으로도 한국 리셀러들과 협력을 통해 콘서트를 기획하고 전국 3D프린팅 거점에서 정기적으로 개최할 예정이며, 많은 산학연 관계자들의 관심과 참여를 바란다”고 밝혔다.