[글 메탈쓰리디 주승환 CTO] 3D 프린팅 기술은 스마트팩토리 구축의 핵심기술로 급부상하고 있다. 3D 프린팅 스마트팩토리 솔루션은 사용자와 시장요구, 재료, 프로세스, 조립 및 분해방법, 유지관리 요구 사항 등과 같은 설계목표와 제조 제약조건을 동시에 고려해 수행되는 혁신적인 설계방법인 DfAM(Design For Additive Manufacturing, 적층제조특화설계) 소프트웨어로 인해 항공산업과 의료산업은 물론 최근에는 자동차, 조선, 에너지산업에 이르기까지 폭넓게 적용되고 있다.

3D 프린팅 스마트팩토리 솔루션은 설계목표와 제조 제약조건을 동시에 고려해 수행되는 혁신적인 설계방법인 DfAM 소프트웨어를 통해 더욱 확장되고 있다. [사진=utoimage]

해외시장은 항공산업과 의료 임플란트 산업이 주도

산업용 3D 프린팅 스마트팩토리는 2014년 미국의 GE 앨라배마 공장을 시작으로 전 세계적으로 항공산업이 발전한 국가와, 의료 임플란트 기술을 확보한 국가들을 중심으로 구축되기 시작했다. 미국의 경우, 2014년 GE가 미국 앨라배마 오번시(Alabama Auburn)에 엔진 노즐 생산을 위한 공장(사진 1)을 설립한 후, 중국과 인도, 유럽, 일본 등 각국에서 3D 프린팅 공장이 구축되기 시작했다.

이후 노즐의 경우, 지난 해 말까지 55,000개의 부품이 생산됐으며, 2018년까지는 100여 종류 이상의 부품이 대량 생산되고 있다. 중국은 BLT사의 공장이 110대의 금속 3D 프린팅 장비를 설치해 공장을 구축했고(사진 2), 지멘스 등 여러 곳에서 항공산업에서 조선, 에너지산업에 걸쳐 현재 양산이 시작되고 있으며, 인도에서는 GE 공장과 인텍사, 인크레더블 공장이 만들어졌다.

사진 1. GE사 금속 3D 프린팅의 출력물과 양산제품 [사진=메탈쓰리디]

사진 2. 중국 BLT사의 AM 생산 공장 및 양산제품 [사진=메탈쓰리디]

올해 말 국내 최초의 산업용 3D 프린팅 스마트팩토리 구축 예정

국내 시장은 초기에는 의료산업에서 3D 프린팅 스마트팩토리가 시작됐지만, 의료부문은 시장이 협소한 관계로 제조공장의 수준은 아니었다. 그 이후, 산업화의 규모로 국내 최초의 3D 프린팅 스마트팩토리가 울산에 구축됐다. 의료 임플란트 부문은 국내에도 미국 아켐사의 장비를 사용해 제작을 하는 메디세이를 비롯해 국산화 기업 윈포시스의 장비를 사용해 부품을 제작하는 커스메디가 있다. 비록 공장으로 칭하기에는 다소 규모가 작지만, 현재 2대 정도의 장비가 운영 중이다.

국내에서는 금속 3D 프린팅을 중심으로 공장이 설립됐는데, 울산에 위치한 메탈쓰리디가 국내 최초로 산업용 생산공장을 구축해 약 10여대의 장비를 설치했으며, H 중공업의 계열사인 H 코어모션에 3D 프린팅 납품을 시작하면서 국내에도 금속 3D 프린팅 시대가 도래했음을 알렸다. 최근에는 H 중공업의 납품 업체로 등록되어 여러가지 부품 생산과 납품을 추진하고 있다. 메탈쓰리디는 이 같은 부품을 납품하기 위해 약 5억원대 이상의 금속 3D 프린터 장비 8대 설치하고 연말까지 10여대를 추가해서 최종으로 약 100여대를 설치할 예정이다. 이것이 완성되면 국내 최초로 산업용 AM(3D 프린팅) 스마트팩토리가 구축되는 셈이다(사진 3).

사진 3. 설립예정인 메탈쓰리디의 스마트팩토리 레이아웃 [사진=메탈쓰리디]

먼저 스마트팩토리란, 제품을 개발, 제조, 유통하는 과정에 정보통신기술(ICT)를 접목해 효율적으로 제품을 생산할 수 있는 지능형 공장을 일컫는다. 더 구체적으로 설명하자면 단순히 자동화된 제조공정을 갖춘 공장을 넘어서 각 개발, 생산, 유동 과정에서 자동으로 수집한 데이터들을 이용해 생산량을 조절하고 품질을 개선하는 시스템을 말한다.

기존의 시제품을 만들던 개념에서 벗어난 것이 산업용 3D 프린팅 스마트팩토리다. 생산에 적합한 형태로 시설이 완비되고, 1년 이상 운영 경험이 있어야 한다. 제작 기술뿐만 아니라 분말별로 공정 개발능력을 보유해야 한다. 한 가지 분말에만 의존할 경우에는 분말의 공급이 원활히 되지 않은 경우에는 생산에 차질이 발생할 수가 있다. 따라서 산업용 3D 프린팅 공장의 구축 사례를 살펴보면, 다음과 같은 기술을 필요로 하고 있다.

스마트팩토리 솔루션은 전체를 관리하는 시스템을 시작으로 진행된다. 메탈쓰리디의 실시간 공정 모니터링 소프트웨어(사진 4)는 메탈쓰리디가 윈포시스의 LED 공장 자동화 솔루션을 기반으로 해, 제작, 판매 중에 있는 것으로 중앙 제어 및 분산제어를 사용한 적층 가공 공정 및 스케줄 관리가 가능하고 개별 장비의 시스템 및 원격 모니터링, 개발 장비의 재료 사용 이력 관리가 가능하다. 또한 각 공정별 공정 모니터링 및 공정 모니터링 빅데이터를 사용한 A.I 적용 공정 해석 및 불량 해석이 가능하다.

사진 4. 메탈쓰리디의 실시간 공정 모니터링 기술 [사진=메탈쓰리디]

사진 5. 스마트폰(원격 제어 APP)을 통한 원격 장비 스케줄 모니터링 [사진=메탈쓰리디]

력 양성은 노동부와 울산시가 한국적층제조사용자협회에 지원을 통해 국내 최초로 산업용 금속 프린팅 전문 인력을 4회에 걸쳐 양성을 하고 있으며, 국내 최초로 금속 AM 팩토리를 구축한 메탈쓰리디 등 기타 업체에 인력을 공급하고 있다. 국내에도 울산광역시를 중심으로 대기업에 부품을 납품하는 금속 AM 스마트팩토리가 설립됐으며, 관련 기업들도 점차 늘어나는 추세다.

또한, 많은 고급 인력이 양성되면서 산업, 의료, 조선, 자동차, 에너지 분야에 걸쳐 각종 부품이 생산이 되고 있다. 이런 기조가 이어진다면 2년 이내에 울산광역시를 중심으로 전국에 산업용 3D 프린팅 스마트팩토리가 구축되고, 보다 많은 제품들이 생산, 공급될 것으로 보인다. 따라서 지금은 전 세계적으로 우후죽순으로 구축되고 있는 산업용 3D 프린팅 스마트팩토리의 개념에 대해 알아보고, 빠른 투자를 통해 이 분야에서의 시장과 기술 선점이 매우 필요한 시점이다.

DfAM 소프트웨어

먼저, DfAM(Design for Additive Manufacturing)은 전통적인 제조방법과는 다른 3D 프린팅 공법이 가지는 장점을 극대화하는 혁신적인 설계방법이다. 이는 사용자와 시장요구, 재료, 프로세스, 조립 및 분해방법, 유지관리 요구 사항 등과 같은 설계목표와 제조 제약조건을 동시에 고려해 수행된다. DfAM 소프트웨어로는 Inspire, ANSYS Workbench, 3Matic 등을 들 수 있다. 사진 6은 대표적인 DfAM 소프트웨어를 나타낸 것이다.

사진 6. DfAM 소프트웨어 [사진=메탈쓰리디]

H 자동차는 적층제조 기술적용으로 중량을 만족하는 후드 힌지를 개발해 2019 DfAM 경진대회 대상을 수상했다. 후드힌지의 경우, 개발 속도가 지연될 경우, DfAM을 적용해 성능향상과 중량감소, 개발기간을 기존 120일에서 14일 이내로 단축시킬 수 있었다(사진 7).

사진 7. H 자동차에서 DfAM을 적용한 사례 [사진=메탈쓰리디]

메탈쓰리디는 자동차 미션 부품인 Differential Case를 위상최적화 설계 및 제작해 2019 DfAM 경진대회 은상을 수상한 바가 있다. 기존의 Differential Case는 주물형태의 중하중 제품을 위상 최적화를 통해 경량화시키고, 최적화된 Lattice 구조를 선정해 기어 구동시에 열응력 최소화 효율을 향상시킬 수 있었다. 사진 8은 메탈쓰리디의 DfAM 적용 사례를 나타낸 것이다.

사진 8. 메탈쓰리디의 DfAM 적용 사례 [사진=메탈쓰리디]

주요 양산제품 소개

현재 메탈쓰리디는 의료분야의 디스크 케이지 양산 기업인 휴벡셀, 오스테오닉스와 공급 계약을 통해 제품을 생산 중에 있다(사진 9). 이 외에도 국내 장비와 공정기술을 개발해 방위산업과 관련한 4가지 부품을 생산(사진 10)해 납품하는 공장을 구축해서 활발하게 부품을 생산하고 있다. 아울러 H 자동차에 플라스틱 위주로 제품을 납품하고 있으며, 현재 R사와 함께 2개 기업이 납품기업으로 등록돼, 지그류의 플라스틱 부품을 생산, 납품하고 있다.

사진 9. 메탈쓰리디가 휴벡셀, 오스테오닉스에 납품 중인 부품 [사진=메탈쓰리디]

사진 10. A사에 양산 예정인 항공 부품 [사진=메탈쓰리디]

그 동안 부품제작 사례와 관련해서는 많은 발표가 있었다. 한국적층제조사용자협회는 울산 소재 기업인 메탈쓰리디 및 MPWorks, 한국3D프린팅연구소 등과 공동으로 소형 제트 엔진(사진 11)과 타이어 휠을 개발해 H 자동차의 하이브리드 차량에 장착한 바가 있다(사진 12).

사진 11. 소형 제트 엔진 개발 사례 [사진=메탈쓰리디]

사진 12. 타이어 휠을 개발해 H 자동차의 하이브리드 차량에 장착한 사례 [사진=메탈쓰리디]

공정개발과 공정품질 확인, 장비구매를 통한 양산의 시대 열린다

제조산업에서의 3D 프린팅 기술적용은 시제품 제작 사업을 넘어, 지난해부터는 금속 3D 프린팅 양산 체제를 구축한 데 이어 올해부터 내년 사이에는 Breakeven을 넘고, 오는 2022년부터는 본격적인 생산이 개시될 것으로 보인다. 앞으로 금속 3D 프린팅의 발전 방향은 각 소재 별, SUS 316L 물성 완성, Inconel 718 물성 테스트 완성 이후, 장비 개선을 통한 출력속도 및 가스 사용 절감 향상에 따른 양산 제품 제작의 단가가 획기적으로 감소될 것으로 보인다.

또한, 양산 공정 개발을 목적으로 하는 기업의 출현으로 양산을 위한 턴키 베이스 공장 건설이 본격화될 전망인데, 그 대표적인 예가 두원중공업이다. 공정개발을 미리 의뢰해, 공정품질을 확인한 후에 장비 구매를 통한 생산으로 직결되는 사례로, 2년 이내에는 100여 가지 이상의 부품으로 확대 적용돼 본격 양산의 시대가 활짝 열릴 것으로 보인다.

글 메탈쓰리디 주승환 CTO
*한국적층제조사용자협회(KAMUG) 회장

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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