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[3D 프린팅과 DfAM ②] DfAM으로 달라진 제조 산업의 현재, 그리고 미래

전통적인 제조 방법과는 달리 3D 프린팅만의 장점을 극대화시킬 수 있는 DfAM. 기존 공정과 비교해 높은 자유도를 가진 3D 프린팅 기술에 특화된 DfAM의 중요성이 인식되면서, 이를 적용한 다양한 방법론이 연구되고 있다. 적용 분야가 무궁한 DfAM을 통해 제조 산업의 새로운 발전 가능성을 모색해봤다.

DfAM은 기존 제조 공정과 차별화된 부품을 설계 할 수 있다는 점에서 그 중요성이 부각되고 있다. 90년대 후반부터 관련 연구를 진행했던 선진국과 비교하면 다소 늦은 감이 있다. 그렇지만 산업계 수요로 DfAM의 필요성은 증가하는 추세다. 위상최적화나 구조 해석 기술을 응용한 사례도 늘면서 다양한 연구가 진행 중이다.

그중 공정에 기인한 DfAM 연구는 서포트 구조의 최적 설계를 통해 기존의 문제를 해결하는 방식이다. 금속 3D 프린팅의 서포트 구조는 서포트파트를 빌드 플랫폼에 고정시키고, 형상을 정상적으로 빌드하기 위한 필수 요소다. 열 전도 특성 확보 등을 통해 빌드품의 변형을 제어할 수 있기 때문이다. 하지만 서포트 구조를 더 할수록 더 많은 재료가 필요하고 표면 퀄리티가 낮아진다. 후처리 비용도 증가한다. 확실한 장단을 가진 서포트의 문제점을 DfAM을 통해 설계 단계에서부터 수축 변형 예측 및 보상제어가 가능하다.

한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹 김건희 수석연구원
한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹 김건희 수석연구원

한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹 김건희 수석연구원은 “잔류 응력을 줄일 수 있는 서포트 디자인과 수축 변형에 대한 보상설계를 내부적으로 연구 중”이라고 말했다. 이어 “공정기술은 조직 제어를 통해 최종 제품의 내구성이 원래 소재보다 강도와 정밀도를 높이는 것”이라며 “공정 기술에 기반한 DfAM을 통해 향후 기본적인 알고리즘이나 프로토콜로 개발해 설계 소프트웨어의 상용화로 나아갈 가능성이 있다고 생각한다”고 덧붙였다.

경량구조체 장점 많지만….

금속 3D 프린팅의 장점인 공정 속성을 이용한 경량구조체 연구도 있다. 금속 3D 프린팅은 외형뿐 아니라 내부도 원하는 형상대로 프린팅할 수 있다. 이는 허니컴 구조와 같이 높은 강성의 경량화 구조물을 프린팅할 수 있게 한다. 내부 구조물을 허니컴 구조로 제작하면 기존 강성을 유지하면서도 구조에 따라 50% 이상 무게를 줄일 수 있다는 연구 결과도 있다. 이러한 특성을 바탕으로 금속 허니컴은 금속 판재를 이용한  접착·신장 성형, 굽힘 성형·접합을 통한 다양한 경량 구조 및 충격 흡수 재료로 활용되고 있다. 허니컴 외에도 트러스트, 직조 등의 격자구조 체는 항공기, 선박 등 수송 기기류의 초경량 구조재료로 적용되고 있다. 외부 충격 하중을 내부구조가 흡수하는 충격 에너지 흡수 능력도 우수해 방탄·방폭 재료의 활용될 잠재적인 가능성도 있다.

국내에서는 재료연구소가 지난 2011년부터 다기능 격자구조체에 대한 연구를 진행해 오고 있다. 재료연구소는 3차원 격자구조체 설계 및 제조공정 기술에 대한 기초 연구를 통해 소성 가공 기술을 개발했다. 접합 기술을 이용해 다양한 형상의 격자구조체 제조 기술도 개발했다. 현재는 격자구조체를 활용한 경량 블레이드, 충돌 흡수체, 열 교환기 등 산업 제품 개발을 위한 응용연구를 진행 중이다. 기존 제조 공정의 한계로 제작이 불가능했던 형상과 크기의 격자구조체를 3D 프린팅 기술을 활용해 제작하는 기초 연구도 병행하고 있다.

재료연구소 공정혁신연구본부 변형제 어 연구실 김상우 책임연구원
재료연구소 공정혁신연구본부 변형제어 연구실 김상우 책임연구원

격자구조체는 다양한 산업분야에서 다기능성 소재로 적용될 만큼 잠재성이 우수하다. 경량성, 에너지 흡수성, 방열 특성이 뛰어난 소재이지만 그동안은 기존 공정의 한계로 연 구개발이 미진했다. 하지만 3D 프린팅 기술 의 발전으로 기존에는 구현하기 힘들었던 복잡한 형상의 격자구조체까지 제작할 수 있게 됐다. 3D 프린팅을 두고 제품 설계 패러다임의 변화를 이끌 기술이라고 말하는 것도 이러한 이유에서다.

재료연구소 공정혁신연구본부 변형제어 연구실 김상우 책임연구원은 “아직은 제작성 및 기초 특성에 관한 기초 연구 단계이지만 향후 금속 3D 프린팅 기술의 발전과 함께 다양한 산업 적용이 기대된다”고 말했다.

강성 유지·일체형 출력 가능

경량구조체의 이점에도 불구하고 산업화는 더뎠다. 복잡한 내부 형상으로 인한 설계 제약 때문이다. 경량구조체는 어떤 단위 셀을 형상하는가에 따라 전체 구조가 달라진다. 연결부의 접합력에 따라 강도가 달라지며, 복잡한 구조를 유지하는 것도 쉽지 않았다. 제작 형상의 한계도 있었다. 대량 생산에 적합 한 소성가공, 주조 방식으로는 다변화된 설계를 형상화하기 힘들었다.

하지만 금속 3D 프린팅 기술을 통해 복잡한 형상의 다공정 구조를 일체형으로 출력할 수 있게 됐다. 접합 부위가 없고, 후처리 공정이 불필요하다 보니 원재료의 강성을 그대로 유지할 수 있게 된 것. 여기에 동일한 강성을 가지며 경량화하는데 적합한 위상최적화 이론이 사용되면서  DfAM 적용 범위도 넓어졌다.

수송 기기의 경량화 이슈까지 맞물리면서 경량구조체는 더욱 주목받게 됐다. 항공 산업은 DfAM을 적용한 3D 프린팅 부품을 제작한 실례를내놓고 있는 분야다. 에어버스와 보잉이 A380 구조용 부품을 제작했고 한국항공우주산업도 재료연구소와 협업으로 금속 3D 프린팅 기술을 접목해 항공기 부품 제작 연구를 시도 중이다. 하지만 민간 항공기가 아닌 군용 훈련기 부품이다 보니 연구 이후에 상용화로 이어질지는 미지수다.

DfAM을 이용한 연구가 진행되고 있지만 국내에서 상용화로 이어진 사례를 찾기는 쉽지 않다. 그렇다 보니 금속 3D 프린팅과 한국 산업의 특성이 맞지 않는다는 지적도 있다. 자동차와 같은 중심 산업군에서 경제성, 효율성 등의 이유로 금속 3D 프린팅 기술을 도입하려는 흐름이 없기 때문이다.

현재 3D 프린팅이 활발히 적용되는 산업은 선진국이 주도하다보니 국내에서는 접근이 어렵다. 그러다보니 기술 활성화를 더디게 하는 요인이라는 목소 리도 있다. 항공 산업을 주도하는 선진국의 경우 이미 인프라와 기술력, 노하우를 가지고 있다. 개발 과정에서 발생하는 경제적 위험을 국가 내부에서 흡수 할 수 있다보니 한국보다 과감한 기술개발 투자가 가능한 상황이다.

특히 항공 부품의 경우 한번 품질을 인증받으면 다른 항공기에도 적용할 수 있을 만큼 보편성과 호환성이 좋아 장기적인 투자가 이뤄지고 있다. 물론 현재 금속 3D 프린팅으로 제작된 항공 부품은 금속 분말 가루를 녹여 결합한 만큼 화학적 결합력이 약하다. 내부 균열이 발생했을 때 이를 추적 할 수 없다는 단점도 있다. 기존 부품과 기능상의 큰 차이가 없음에도 불구하고 제품이 아닌 재료로 보는 이유도 이 때문이다.

경남대학교 기계공학부 최정호 교수
경남대학교 기계공학부 최정호 교수

경남대학교 기계공학부 최정호 교수는 “보잉, 에어버스, 록히드 마틴 등이 항공기 부품에 3D 프린팅 기술을 접목하려고 연구하고 있지만 분자적 결합으로 인해 실제 적용은 못하고 있다”며 “그럼에도 현재보다 미래를 생각해서 단점을 보완하는 방향으로 꾸준히 연구·개발을 진행하는 중”이라고 설명했다.  이어 “항공 부품산업은 굉장히 보수적이어서 새로운 업체에는 까다롭고 엄격한 절차와 기술 규격을 제시해 진입 장벽이 높다”며 “국내에서 항공 부품을 만들고, 국내 항공기에 적용하는 방법도 모색될 수 있지만 현실적으로 역량 강화가 필요하다” 고 지적했다.

DfAM, 사출 금형에 적용하면?

금속 3D 프린팅과 DfAM이 보다 대중화 되기 위해서는 실제로 쓸 수 있는 사례가 만들어져야 한다는 데는 이견이 없다. 일각에서는 항공과 같은 특정 산업에서 적용 대상을 찾기보다 범주를 넓힐 필요가 있다고 말한다. 금속 3D 프린팅 기술이 금속 재료의 모체가 되는 금형에도 영향을 줄 수 있는 만큼, 이 분야에서 시장성을 찾자는 의견도 있다. 기존 금속 가공으로는 제작하기 힘든 내부 구조물을 가지는 제품 생산이 가능한 금속 3D 프린팅의 특징을 이용하자는 것이다.

더욱이 금형은 다품종 소량생산, 대량생산 체제 모두에 필수적이고, 사출 금형의 경우 80% 이상을 수출하는 전략 산업이다. 상용화로 연결될 수 있다는 점도 사출 금형 산업의 장점이다. 사출 금형은 냉각 시간에 영향을 크게 받는다. 그렇다 보니 기존 냉각 시스템의 한계를 극복할 수 있는 균일 냉각 시스템 구현에 대한 관심이 많다. 산업 현장의 수요, 금속 3D프린팅 기술의 발전이 맞물리면서 사출 금형 내 컨포멀 쿨링 채널 (Conformal Cooling Channel)이 연구되기 시작했다. DfAM으로 금형 내 냉각코어를 복잡한 냉각 채널으로 구현해 냉각 효율을 높이는 방식이다.

일반적인 금형 제조 공정에서는 단순한 직선 구조의 냉각 채널을 가공하다 보니 3D 형상에 근접한 컨포멀 쿨링 채널의 구현이 불가능했다.  하지만 내·외부 구조물을 제작할 수 있는 3D 프린팅의 공정 속성을 활용하면서 다양한 사례가 발표되고 있다. 해외의 경우 금속 3D 프린터 제조사를 중심으로 금형 코어 제작 사례가 증가하고있다.

국내에서는 한국생산기술연구원 강원지역 본부 적층성형가공그룹이 지난해 금속  3D 프린팅을 활용한 양산 수준 균일 냉각 사출 금형 코어 제작 기술 개발을 진행했다. 금속 3D 프린팅 공정을 통해 기존 금형 대비 성형 사이클타임을 50% 이상 단축하는 사출 금형 코어 제조 기술을 개발해 특허 출원을 마쳤다. 또한, 강원 지역 전략 및 특화 산업인 자동차 부품 산업 기업과 의료기기 기업을 대상으로 기술 이전 및 시제품 제작도 지원하 고 있다.

한국생산기술연구원 김건희 수석연구원은 “3D 프린팅을 바탕으로 기존의 냉각 채널 설계와 해석 기술에 자유도를 가지고 접근할 수 있다”고 설명했다. 이어 “기존의 것을 3D 프린팅으로 접근하기보다는 인식을 바꿔 부가 가치를 높이는 방식으로 DfAM을 활용해야 한다”며  “자동차 산업도 부품을 생산하는 금형 자체를 3D 프린팅으로 접근해 고품질의 성형품을 생산하는 방향으로 간다면 충분히 파급 효과가 있을 것으로 생각한다”고 덧붙였다.

 

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