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[금속 3D 프린팅②] 이미 활발히 출시 중인 금속 3D 프린터

PBF, DED 그리고 절삭가공 기술과 결합한 하이브리드 가공기까지. 금속 3D 프린팅 솔루션은 다양한 형태로 개발 및 출시되어 기존 생산 환경의 한계를 벗어난 새로운 길을 제시 중이다. 지금부터는 시장에 출시된 다양한 3D 프린터를 통해 금속 3D 프린팅 기술의 가능성을 가늠해보자.

업계는 이미 오래 전부터 다양한 금속 3D 프린팅 솔루션을 개발 및 공급 중이다. 최근에는 금속 3D 프린팅 기술이 단순 시제품 제작을 넘어 주요 항공 부품 제작, 부품 수리 및 유지보수 분야에 활발히 사용되기 시작하면서 새로운 제조 시대 도래에 대한 기대감을 높이고 있다. 이에 따라 몇몇 업체들은 금속 3D 프린팅을 활용한 양산체제 기틀 닦기에 본격적으로 나서고 있기도 한 상황. 새로운 제조를 위해 업체들이 내놓고 있는 솔루션들은 과연 무엇일까?

전통적 강자들 포진한 PBF 솔루션

지난 4월 일산에서 개최된 SIMTOS 2018에서는 글로벌 공작기계 브랜드 디엠지모리(DMG MORI)의 새로운 적층 가공 솔루션 LASERTEC 30 SLM 이 국내 시장에 처음으로 공개되어  눈길을 끌었다. 300×300×300mm 볼륨의 파우더베드와 파이버 레이저 소스를 지원하는 이 장비는 20~100μm 범위에서 원하는 레이어 두께에 따라 플랫폼을 수직 이동시켜 정밀한 빌드업을 가능케 한다. 공정 후 남은 파우더는 재사용하는데, 파우더베드에서 공작물을 분리하는 동안 파우더를 회수하여 효율적이 고 안정적으로 처리한다. LASERTEC 30 SLM의 경우, CAD 파일부터 표준 사용자 인터페이스를 사용한 공정 제어까지 모든 소프트웨어 솔루션을 CELOS SLM이라는 단일 플랫폼에서 제공한다는 것이 특징이다.

SIMTOS 2018에서 국내에 처음으로 소개된 LASERTEC 30 SLM
SIMTOS 2018에서 국내에 처음으로 소개된 LASERTEC 30 SLM

오랜 시간 3D 프린팅 업계를 선도해온 3D시스템즈 (3D SYSTEMS) 역시 SIMTOS 2018을 통해 자사의 혁신적 금속 3D 프린팅 솔루션을 소개했다. 지능형 멀티 레이저 기술로 500×500×500mm의 대형 빌드 볼륨을 지원하는 DMP 8500이 그 주인공. 대형 제품을 출력하거나 소형 제품 여러 개를 한 번에출력할 수 있을 뿐만 아니라, 여러 개의 레이저가 동시에 드로잉을 하면서 빠르게 가공을 진행하기 때문에 생산성이 높은 이 금속 3D 프린터는 양산 라인에 적용하기에 적합하다. 게다가 기계 가동을 위한 금속 파우더 재료 핸들링 단계, 즉 소재 충진, 파츠 토출 및 이송, 성형 파츠 디파우더링, 소재 리사이클링 등 일련의 공정을 핸드 프리 상태로 진행할 수 있도록 프로세스 핸들링 시스템을 지원하는 자동화 솔루션이라는 점은 3D 시스템즈가 강조하는 특징 중 하나다. DMP 8500은 복수의 프린터와 소수의 리사이클링 및 디파우더링 시스템을 연동하여 공장 레이아웃 확장을 시스템화할 수 있도록 지원하고 있으며, 3D Connect 소프트웨어를 통해 장비의 공정, 유지보수 작업에 대한 모니터링 및 관리도 지원한다. 품질 관리 비전 시스템과 하나의 소프트웨어에서 금속 적층 가공의 모든 프로세스를 지원하는 3DXpert 솔루션 역시 지원하고 있다.

3D시스템즈의 금 속 3D 프린팅 솔루션 DMP 8500 (이미지 제공_3D시스템즈코리아)
3D시스템즈의 금 속 3D 프린팅 솔루션 DMP 8500 (이미지 제공_3D시스템즈코리아)

세계적인 금속 3D 프린팅 솔루션 전문 기업인 EOS 역시 일찌감치 3D 프린팅을 활용한 양산체제 구축에 힘 써오고 있는 중이다. 생산성 높은 장비와 노하우를 응축시킨 공정 파라미터, MES나 ERP 등 기존 제조 시스템과의 통합은 양산 단계 진입을 위해 특히 집중하고 있는 부분들이다. EOS M400-4는 400×400×400mm의 빌드 사이즈와 4개의 레이저를 활용한 멀티 레이저 방식을 지원함으로써 가공 생산성을 향상시킨다. EOS 역시 파우더 관리 전 과정의 완벽한 효율화·자동화로 불필요한 가공 중단 시간을 제거하여 생산성을 향상시키는 데 지속적인 노력을 기울이고 있다. 또, 모듈화 콘셉트를 통해 파우더 관리 시스템 외에도 제작이 완료된 파트의 프레임을 외부에서 냉각시키는 독립 쿨링 스테이션, 교환 가능한 프레임의 이동을 자동화해주는 이송 로봇 등 다양한 모듈이 생산 장비에 유기적으로 접속하여 장비를 지속적으로 가동할 수 있게 지원하고 있다. 자사의 노하우를 기반으로 수십 개의 파라미터 세트를 제공하여 고객들이 최적의 공정을 설계할 수 있게 지원하며, 고객들이 새로운 제조 기술 및 방식에 빠르게 적응할 수 있도록 컨설팅 및 서비스 제공에도 힘 쓰고 있다.

EOS M400-4 (이미지 제공_EOS)
EOS M400-4 (이미지 제공_EOS)

고가의 부품 회생시키는 DED 솔루션

금속 표면에 레이저를 조사할 때 순간적으로 생성 되는용융 풀에 금속 분말을 공급하여 완전히 용융시켰다가 급속으로 응고하는 방식의 특성상, 제품 제작 외에도 금형이나 기타 금속 부품의 수리 및 유지보수에도 유용하게 활용될 수 있는 것이 바로 DED 방식의 3D 프린팅이다.

국내 기업인 인스텍(InssTek)은 3D 프린팅 시스템 사업과 함께 리모델링 및 보수 관련 서비스 사업도 활발하게 진행하고 있는데, 공군 F15 전투기 부품 보수 건은 대표적인 성공 사례다. 우리 공군은 특유의 제어 기능으로 특허를 받은 인스텍의 DMT 기술을 활용해 마모된 부분 위에 정밀한 두께로 금속을 적층하는 방식으로 부품을 복원하고 있다. 인스텍의 DMT 3D 프린팅은 금속 적층 시 높이에 영향을 주는 공정 변수를 실시간으로 제어하는 클로즈 루프 제어 기능을 통해 여타의 DED 방식 3D 프린터보다 정밀한 두께의 금속 적층을 지원하는 것이 특징이다. 공군이 복원에 성공한 부품은 F15 전투기의 부품 중 하나인 고압 터빈 슈라우드 (Shroud, 보호판) 서포트다. 해당 부품은 원래 손상이 발생할 때마다 개 당 4천만 원 가량의 신품으로 교체해야만 했다. 신품 구매에 대한 비용 지출은 물론이고, 교체까지 최소 3 개월의 적지 않은 시간도 소비해야 했다. 하지만 2015년부터 인스텍의 3D 프린팅 기술을 활용한 보수 작업으로 문제를 개선했다. 보수 기간은 3개월에서 30일로 단축되어 전력 공백을 최소화하며, 비용의 경우에도 기존의  방식보다 연간 3억 5천만 원 이상을 절감하고 있다. 해당 부품 복원에 사용된 장비는 MX-Grande 모델이다. 이 장비는 무려 4,000×1,000×1,000mm의 작업 공간을 제공하는 초대형 3D 프린터다. 인스텍은 MX-Grande와 대표 모델인 MX-600 외에 MX-1000, MX-400 등 다양한 사양의 표준 제품을 지원하고 있으며, 고객의 분야적 요구에 적합한 커스텀 모델도 개발하고 있다.

3D 프린팅 기술로 보수 작업을 행 중인 F15 전투기 부품
3D 프린팅 기술로 보수 작업을 행 중인 F15 전투기 부품

미국의 옵토멕(OPTOMEC) 역시 DED 방식 금속 3D 프린팅 솔루션을 제공하는 기업으로, 3D 프린팅의 양산 시장 적용 실현이라는 목표 아래 제품 및 기술 개발에 막대한 투자를 진행하고 있다. 특허 받은 Aerosol Jet 기술과 LENS 기술을 중심으로 전기·전자, 에너지, 항공우주, 군수 산업 등 폭넓은 산업군에 솔루션을 제공하고 있다. 그 중에서도 LENS 기술을 활용한 금속 3D 프린팅 시스템은 3~4kW의 고출력 레이저를 활용하여 밀도 높은 제품을 만들어낸다. LENS 프로세스는 아르곤 퍼지로 산소 및 수분 레벨이 100만분의 10 미만으로 유지되는 밀폐된 챔버 내에서 진행되기 때문에 부품의 산화를 방지하여 깨끗하게 유지시킬 수 있다. 금속 분말 공급 원료는 질량의 흐름을 정확하게 조절할 수 있는 독자적 분말 공급 시스템에 의해 재료 증착 헤드에 전달된다. 레이어 하나를 쌓으면 헤드가 다음 층으로 이동하여 다시 레이어를 쌓는 것을 반복하는 방식으로 부품을 제작한다. 고출력 레이저, 프로세스 및 환경의 완벽한 제어 기능을 통해 티타늄, 스테인리스 강, 인코넬 등 고성능 금속 부품을 만족스러운 품질에 효율적 원가로 생산 또는 수리할 수 있다는 것이 옵토멕의 설명이다. 옵토멕은 기존 공정 및 자동화 플랫폼에 금속 3D 프린팅 시스템을 통합하여 접목할 수 있도록 모듈화된 포맷으로 제공되는 Open-system을 지원하고 있다.

적층+절삭 하이브리드 가공기

금속 3D 프린터만큼이나 활발하게 개발되어 나오고 있는 것이 바로 적층 가공 기술과 절삭 가공 기술을 결합한 하이브리드 가공기다. 이 솔루션은 각 기술이 가지고 있는 매커니즘적 한계를 상호보완하여 완성도 높은 제품을 생산할 수 있다는 점에서 주목할만하다.

국내에선 현대위아가 인스텍과 함께 하이브리드 가공기 개발에 박차를 가하고 있다. 5축 머시닝센터에 DED 방식 3D 프린팅 모듈을 통합하는 1단계 개발을 지난해 초 완료했고, 여기에 PBF 방식을 추가로 통합하는 2단계 개발을 통해 하이브리드 솔루션을 최종적으로 완성시킨다는 계획이다. 국내에선 아직 개발 단계에 머무르고 있는 것이 대부분이지만, 해외에서는 이미 유수의 공작기계 메이커를 중심으로 하이브리드 가공기의 상용화 사례가 다양하게 존재한다.

현대위아가 인스텍과 함께 개발한 하이브리 드 가공기 (이미지 제공_현대위아)
현대위아가 인스텍과 함께 개발한 하이브리드 가공기 (이미지 제공_현대위아)

디엠지모리는 2014년에 일찌감치 자사의 동시 5축 가공 기술과 DED 방식 중 하나인 파우더 노즐 방식을 결합한 LASERTEC 65 3D를 공개하며 하이브리드 가공기 시장에 불을 지폈다. 3D 프린팅을 위한 레이저 헤드와 밀링 공구를 자유자재로 교환하며 적층 가공과 밀링 가공을 필요에 따라 효율적으로 활용함으로써 복잡한 형상의 제품도 정밀하고 효율적으로 제작할 수 있게 해주는 LASERTEC 65 3D는 테이블 각도 조정을 통해 서포트 없이도 용융된 소재가 흘러 내릴 걱정 없는 쉽고 빠른 프린팅을 가능케 해준다는 것이 특징이다.

DED 방식 3D 프린팅과 5축 절삭 가공 기술을 결합한 디엠지모리의 LASERTEC 65 3D (이미지 제공_디엠지모리)
DED 방식 3D 프린팅과 5축 절삭 가공 기술을 결합한 디엠지모리의 LASERTEC 65 3D (이미지 제공_디엠지모리)

같은 해 일본의 대표적 공작기계 기업인 야마자키마작 역시 DED 방식 3D 프린팅 기술과 5축 가공 기술을 결합시킨 INTEGREX i-400 AM을 출시했다. 또 다른 일본 기업인 마츠우라기계제작소는 PBF 방식의 금속 3D 프린팅과 밀링 가공 기술을 결합한 LUMEX 시리즈를 공급하고 있다.

마츠우라기계제작소의 LUMEX Avance-25 (이미지 제공_마츠우라기계제작소)
마츠우라기계제작소의 LUMEX Avance-25 (이미지 제공_마츠우라기계제작소)

그런가하면 앞서 소개한 옵토멕도 자사의 금속 3D 프린팅 기술과 CNC 가공 플랫폼을 결합한 하이브리드 솔루션 LENS Machine Tool Series를 공급하며 금속 3D 프린팅 기술의 적용 가능 범위를 넓혀 나가고 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 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)