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[금속 3D 프린팅①]금속 3D 프린팅을 사수하라!

세계적인 물결이 금속 3D 프린터로를 중심으로 흐르고 있다. 근거 없는 단언이 아니다. 왜 금속 3D 프린터 기술을 사수해야 하는지 최근 업계의 놓치지 말아야 할 뉴스부터 시장 동향은 물론, 기술의 방식과 기술 개발 동향에 대해 설명한다.

글로벌 금융그룹 ING는 보고서를 통해 2060년까지 제조품의 50%가 3D프린터로 인쇄돼 세계 무역 규모의 1/4 이상을 차지할 것이라고 예상했다. 부품 대부분이 금속으로 만들어지는 상황을 고려해 봤을 때, 글로벌 제조 기업들이 금속 3D 프린터에 관심을 두는 건 당연하다.

금속 3D 프린팅의 Hot Issue!

글로벌 자동차업체 포드가 생산설비에 금속 3D 프린팅 기술을 활용할 준비를 차근차근히 해나가고 있다. 작년부터 3D 프린팅 기업 스트라타시스의 인피니트-빌드 3D 프린터로 크기와 모양에 구애받지 않는 자동차 부품을 대량 생산하기 위한 연구 개발에 착수했다. 올해 초에는 3D 프린팅 스타트업 테스크탑 메탈(Desktop Metal)에 약 700억 원을 투자하며 업계의 이목을 집중시켰다. 포드 외에도 GE, 구글, BMW, 등이 데스크탑 메탈에 투자했고 전체 투자금 규모는 약 2천969억 원에 달한다. 굵직한 글로벌 기업들의 투자를 받은 데스크탑 메탈은 MIT 재료공학 기계공학 교수들이 함께 설립한 적층 제조 기업이다. 금속 사출 성형 기술을 기반으로 시제품 제작 전용인 스튜디오 시스템과 대량생산을 위한 프로덕션 시스템의 두 가지 라인업을 구축했다. 데스크탑 메탈의 릭 플로프(Ric Fulop) 대표는 “금속 3D 프린터가 시제품 제작부터 대량 부품 생산까지 제품 개발 라이프 사이클 비용을 효과적으로 절약해줄 것”이라며 글로벌 제조 기업들이 데스크탑 메탈에 투자한 이유를 설명했다. 포드는 최근 진행하고 있는 3D 프린팅 개발 투자를 통해 제조 공정의 혁신 및 비용 절감 효과를 기대하고 있다.

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제너럴일렉트로닉(GE)도 금속 3D 프린팅 기술에 아낌없는 투자를 하고 있다. 지난 2013년 이탈리아 3D 프린팅 전문 기업 아비오 에어로를 인수를 시작으로 2016년에는 약 1조 5,400억 원을 투자해 스웨덴의 아르캠AB와 독일의 콘셉트레이저를 인수했다. 같은 해에는 적층 제조 기술에 포커스를 맞춘 GE애디티브(GE Additive) 사업부를 출범시켰다. 실제로 GE는 항공기 제트엔진의 약 35%를 금속 3D 프린팅 기술로 제작하고 있다. 터보프롭 항공기의 Catalyst 엔진은 3D 프린팅을 이용한 새로운 엔진 설계 덕분에 855개의 개별 부품을 12개로 줄였고, 연료 소모를 20% 감소시켜 동급의 다른 엔진에 비해 10% 더 많은 출력을 제공한다. 5년 걸리던 기존의 신제품 개발 기간을 2년으로 단축하기도 했다. 한편, 작년에는 금속 3D 프린터 신제품 ‘아틀라스(A.T.L.A.S)’를 선보였다. 1m 높이의 대형 금속 부품까지 출력할 수 있어 우주 항공, 자동차, 에너지 산업 등 대형 복합 금속 부품을 사용하는 분야에 폭넓게 적용할 수 있는 솔루션이다.

GE항공 Catalyst 엔진 사진출처: GE
GE항공 Catalyst 엔진 사진출처: GE

굵직한 글로벌 기업들은 금속 3D 프린터로 저렴하고 빠르며 가벼운 제품을 양산하기 위해 투자와 MOU를 활성화하고 있다. 이에 영향을 받아 국내 금속 3D 프린터 업체 센트롤은 미국에 지사를 설립한 데 이어 최근 중국의 블랙드래곤과 대규모의 계약을 체결했다. 블랙드래곤은 독일의 이노캐스트(Innocast)와 중국의 블랙쉽 홀딩스(Black Ship Holdings)가 설립한 스마트 제조기반의 부품 제작 회사다. 주조 부품과 금형을 모두 3D 프린터로 제작해 BMW, 보쉬(Bosch), 하니웰(Honeywell) 등에 납품하는데, 사업 확장을 위해 센트롤과 연간 20대의 장비를 수출하는 약 100억 원대의 계약을 체결했다.

 

플라스틱 비켜! 이제는 금속시대!

2013년 2월 미국의 버락 오바마 대통령은 신년 국정 연설에서 제조업을 살릴 주요 기술로 3D 프린팅을 언급해 주목을 받았고, 2014년 맥킨지가 선정한 혁신성을 지닌 12대 기술 중 하나로 선정되어 신재생 에너지, 셰일가스 관련 기술보다 더 큰 경제적 파급효과 있는 것으로 평가받고 있다. 최근 미국 메사추세츠 공과대학이 발생하는 기술전문지 MIT 테크놀로지리뷰는 금속 3D 프린팅을 2018년 10대 혁신 기술로 선정하며 시제품 제작에 머물던 기존 3D 프린팅과 달리 금속 3D 프린팅은 제조업의 패러다임을 바꿀 것이라고 전망했다. 글로벌 제조 기업들도 금속 3D 프린팅에 주목하고 있는 가운데, 그 관심이 실제 시장에도 반영됐을까? 전반적인 금속 3D 프린터 시장 동향을 살펴보자.

자료: Wohlers Report 2018
자료: Wohlers Report 2018

금속 3D 프린터가 그간 시장을 주도해왔던 플라스틱 소재 기반 3D 프린팅 시장보다 빠르게 성장하고 있다. 3D 프린팅 전문 시장조사기관 월러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)는 2017년 판매된 금속 3D 프린터가 1768개로 2016년에 비해 80% 증가했다고 발표했다. 같은 기간 전체 3D 프린팅 시장 성장률은 21%로 금속 3D 프린터가 4배 가까이 성장률이 빠르다. Wohlers Report 2018에 따르면 금속 3D 프린터 시장 성장을 견인한 요인을 향상된 공정 모니터링과 우수한 품질 보증 절차라고 분석했다. 또한, 한 명의 고객이 여러 대를 구매하고 있다는 분석도 나왔다. 금속 3D 프린팅 기술이 실제 제품의 대량 생산에 맞는 기술로 인식되고 있음을 보여준다.

 

우리의 스탠스는?

2028년까지 120억 달러 규모로 성장할 것으로 추산되는 금속 3D 프린터 시장에서 미국은 연평균 30%의 시장 점유율을 유지하고 있다. 국방 및 제조업 부문에 대한 투자를 늘리는 정책은 시장의 수요를 촉발할 것으로 예상된다. 한편, 아시아 태평양 지역은 중국, 인도 및 동남아시아 국가에서 빠르게 성장하는 제조 부문과 고도의 경제 발전으로 인해 상당한 성장세를 보일 것으로 전망된다. 앞으로 다양한 크기와 기능을 갖춘 금속 3D 프린터의 출시도 예정되어 있어 시장 성장의 가속화가 이루어질 것으로 예상된다.

GE, 지멘스와 같은 글로벌 기업은 가스터빈이나 경수로의 핵심부품까지 금속 3D 프린팅 기술을 사용해 제작하고 발전사에 공급해 제작 기간 50% 단축, 터빈효율 64% 향상과 같은 눈부신 성과를 거두고 있다. 반면, 국내 발전사는 3D 프린팅 기술을 적용해 손상되거나 마모된 부품에 대한 보수 가능성을 확인하거나 밸브 등 일부 소형 부품의 시험 제작을 시도할 뿐 실제 발전소에 적용한 사례는 없었다. 이에 우리 정부는 지난 5월 발전소 정비에 필요한 일부 부품을 금속 3D 프린터로 만들어 실제 사용을 목표로 하는 시범 사업을 추진한다고 밝혔다. 국내 발전소 정비 시장 규모는 1조 6천억 원, 이번 사업을 통해 금속 3D 프린팅 기술이 발전정비 틈새시장에 진입하도록 하기 위함이다.

 

PBF vs DED

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금속 3D 프린터는 크게 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 나눌 수 있다.
PBF는 분말을 소재로 파우더베드에 분말을 평평히 깔고 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 소결시키거나 용융시켜 적층하는 방법이다. 레이저는 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저 경로를 제어하고, 코일로 구성된 편향 렌즈가 전자빔을 움직인다.
PBF의 가장 큰 장점은 복잡한 형상도 뚝딱 인쇄해 낸다는 것. 난삭재 가공이나 형상이 복잡한 고부가가치 제품을 생산하는 데 유리하다. 그만큼 정밀도가 우수하지만, 생산성이 낮고 적층 제품의 소결 및 용융 균일도가 좋지 못해 제품의 강도가 약하고 충격치를 확보하기 어렵다는 단점이 있다. PBF는 독일 EOS 사가 분말과 레이저 열원을 기반으로 하는SLS(Selective Laser Sintering)공정을 선보인 것을 시작으로 발전되었다. 현재는 많은 업체가 용융방식의 SLM(Selective Laser Melting)공정 위주로 솔루션을 개발하고 있는 상황이다.
DED는 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층한다. 용접과 유사한 방법으로 기존 제품에 덧붙여 쌓아 올릴 수 있어 보수작업에 활용할 수 있다. 또, 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있다.
DED는 정밀도가 낮아 후가공이 필요한 단점이 있지만, 생산성이 높고 재현 반복성이 뛰어나며 강도와 충격치가 높은 장점을 가진다. DED방식은 고에너지의 레이저나 전자빔을 이용하여 동축으로 분말을 송급 및 적층하는 ‘분말기반 DED’, 용접과 유사하게 고체용가재를 송급해 다양한 열원으로 용융 및 적층하는 ‘고체용가재 기반 DED’로 분류된다. 분말 기반의 DED는 레이저업체에 따라 DMD(Direct Metal Deposition), DMT(Direct Metal Tooling)7) , CLAD(Construction Laser Additive Direct) 등 다양한 이름으로 연구 개발 중이다.

금속 3D 프린팅 기법은 크게 PDF와 DED 방식으로 나뉜다. 재료의 형태와 파우더 소스의 유형에 따라 더 세분하게 분류할 수 있다. 레이저 업체에 따라 다양한 이름으로 불린다. 용어가 너무 많아 헷갈린다면 이 표를 참고하길 추천한다.
금속 3D 프린팅 기법은 크게 PDF와 DED 방식으로 나뉜다. 재료의 형태와 파우더 소스의 유형에 따라 더 세분하게 분류할 수 있다. 레이저 업체에 따라 다양한 이름으로 불린다. 용어가 너무 많아 헷갈린다면 이 표를 참고하길 추천한다.

금속 3D 프린터를 선택할 때 PBF방식과 DED방식 중 가공 유형에 적합한 방법을 골라 사용하면 된다. 각자 장단점이 뚜렷하기 때문에 어떤 기술이 더 우위에 있다고 섣불리 판단할 수 없지만, 최근 기술 개발의 흐름은 한쪽으로 기울고 있는 형상을 보인다. 대한용접∙접합학회에서 발간한 ‘용접에 의한 Metal 3D Printing의 동향’에 따르면 전 세계적으로 생산성 향상을 위하여 PBF에서 고체용가재 기반의 DED로 옮겨가는 추세이다. Ti, Inconel과 같은 특수 분말 소재의 가격보다 고체용 가재가 저렴하고 생산성 또한 고체용가재 기반의 DED가 우수하기 때문이다. 이에 따라 낮은 정밀도와 자유도를 가짐에도 불구하고 DED방식의 공정에 관한 연구가 눈에 띄게 증가하고 있다.

 

금속 3D 프린팅 특집 기사 모두 보기

① 금속 3D 프린팅을 사수하라
② 이미 활발히 출시 중인 금속 3D 프린터
③ 한국형 금속 3D 프린터가 만든 반전

 

About 김란영 기자

따끈한 밥 위에 스팸 한 조각처럼 감칠맛 나는 기사로 여러분의 입맛을 책임지겠습니다. 맛있게 읽으세요 :)