금속 3D 프린터와 공정기술   메탈쓰리디와 윈포시스 금속 3D 프린터 개발팀은 진공 챔버를 이용한 초저산소 환경에서 티타늄 등 희귀 금속을 정밀하게 프린팅할 수 있는 금속 3D 프린팅 장비를 발표했다. 이번 호에서는 금속 3D 프린터와 공정 기술에 대해 소개한다.   ■ 주승환 | 메탈쓰리디주식회사/윈포시스 CTO, 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 금속 3D 프린터 개발자이고 금속 공정 개발 전문가이다. 이메일 | jshkoret@naver.com 홈페이지 | www.kamug.or.kr   기존 금속 3D 프린터의 경우 기술적인 부분과 비용적인 부분으로 인하여 저산소용 챔버를 이용한 가공 방식으로 제작되었는데, 고온에서 적은 용존 산소와 반응하는 티타늄의 재료적 특성으로 인해 티타늄 가공 품질과 분말의 재사용 등의 문제가 발생하곤 했다. 고진공 상태를 이용한 전용 챔버로 대체하여 가공할 경우 티타늄의 재료적 특성을 유지하고 반복적인 사용이 가능하기 때문에 티타늄 금속 3차원 프린팅 제품의 품질은 급격히 상승하며 제작 비용이 감소되어 경제 및 산업적인 파급력이 크다.   1. 기술 개발 내용 ■ 진공 챔버를 사용한 인장강도 1100MPa 이상의 티타늄 제품용 금속 3D 프린터를 위한 기술 개발과 티타늄 가공 공정 개발 ■ 진공 챔버 내의 산소 제어 기술 개발 ■ 고진공 챔버를 사용한 금속 3D 프린터 기술 개발 ■ 진공도 10^-5 torr의 고진공 챔버 개발 완료 ■ 고진공 챔버 내 3축 이동 장치 및 가스 정화 장치 관련 기술 개발 ■ 진공 챔버 내의 산소 제어 기술 개발 ■ 산소 농도 50PPM 이내의 저산소 제어 기술 개발 ■ 산소 농도 50PPM 이내의 저산소 측정 기술 개발 ■ 인장강도 1100MPa 이상의 티타늄 제품용 공정 개발 ■ 기계적 성능 향상을 위한 용융 공정 기술 개발 ■ 기계적 성능 향상을 위한 후처리 공정 기술 개발   그림 1. 진공 챔버를 사용한 금속 3D 프린터   2. 저산소 진공장치 금속 3D 프린터의 기술적 성과 티타늄 소재를 정밀하게 가공할 수 있는 금속 3D 프린팅은 기존에는 불가능하다고 여겨졌던 제품을 생산할 수 있는 기반 기술이다. 고진공 챔버를 사용한 금속 3D 프린터를 이용한 초정밀 가공은 새로운 제품의 생산 공정을 변혁시킬 수 있다. 레이저를 사용한 PBF(Powder Bed Fusion) 방식인 고진공 챔버를 사용한 금속 3D 프린터 장비가 국내에서 개발된다면, 독일 등의 금속 3D 프린팅 선진국과 유럽의 공정 기술을 앞설 수 있는 계기를 확보할 수 있다. 또한 다음과 같은 시장에 진출할 수 있다.

MPT의 원리 및 주요 기능   MPT(Melting Pool Tomography)는 금속 3D 프린터의 가공 검사 시스템으로, 측정 원리는 가공 시 스캐너로부터 레이저가 조사된 후 레이저가 금속 파우더를 용융시킬 때 발생하는 빛(Melting Pool의 반사광)을 역으로 감지해 밝기의 강약을 측정하는 것이다. 이번 호에서는 MPT의 원리와 주요 기능에 대해 소개한다.   ■ 주승환 | 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 과기부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다. 이메일 | jshkoret@naver.com 홈페이지 | www.kamug.or.kr   PBF(Powder Bed Fusion) 방식의 금속 적층공정 중 가공물의 형태, 밀도 등의 변수들을 모니터링할 수 있는 방법 중 대표적인 것이 X-ray(엑스레이) 검사 방법이다. 하지만 X-ray 검사는 금속 합금의 원소 성분의 밀도 및 원자번호가 증가함에 따라 X-ray로 검사 가능한 에너지의 한도가 커져 수백만 볼트 이상으로 촬영해야 한다. 이러한 문제를 가진 X-ray 방식은 검사시간이 느리고 많은 금액이 필요하며, 방사선차폐 시설이 필요하다. 또한 복잡한 내부 기하학적인 구조를 가진 출력물을 완전히 검사하는 것이 매우 어렵고, 금속 3D 프린터의 적층가공 시 금속 파우더에 고출력 Ytterbium-Fiber 레이저를 조사하여 실제 금속 파우더의 Melting이 정확하게 진행되고 있는지 확인이 불가능하다. 이에 대한 해결 방안이 MPT(Melting Pool Tomography)이다. PBF 공정 기준으로 레이저가 한번 지나갈 때 보통 20~60μm 두께 정도 용융되는데, 공정 조건에 따라 용융 부족(Lack of Fusion)과 과용융(Over-melting)이 발생할 수 있다. 이는 품질과 제품의 구조적 성능에 문제를 발생시킬 수 있다.  파우더가 용융되면서 적층될 때 여러 가지의 인자들이 영향을 준다. 레이저의 파워, 소재별로 흡수 가능한 최대 에너지, 레이저의 직경, 용융 온도 등에 따라 레이저에 의한 용융 상태를 평가해 볼 수 있다. 또한 이러한 용융상태(멜트풀 : Melt Pool)를 기반으로 하는 공정의 평가가 가능하며, 적층가공 시 레이저의 방향 및 조건에 따라 소재의 구조적인 물성 변화를 통해 예측이 가능하다. MPT 방안은 레이저별로 진행되는 금속 3D 프린터 공정에서 각 레이저에서 발생하는 에너지를 모니터링하고 이를 3차원으로 구성하여 전체 적층가공물을 확인할 수 있다. 실시간 모니터링과 동시에 결과물에 대한 품질 보증을 제공하는 시스템이 MPT이다.   1. MPT의 원리 및 특징    MPT는 ‘High-speed camera(고속도카메라)’와 ‘Photodiode sensor(포토다이오드 센서)’ 총 2가지의 센서를 이용한다. 그레이 스케일(Gray Scale)과 컬러(Color)로 이미지가 생성되며 분석 알고리즘에 의해 크기 데이터를 판별해낸다.   그림 1   고속 카메라의 영상처리에는 CPU의 병렬처리(Parallel processing)를 이용해 수천장의 이미지 분석과 데이터를 빠른 속도로 취득할 수 있다.   그림 2. High-speed Camera로 감지한 멜팅풀의 크기(컬러 변환)

3D 프린팅 신시장 창출의 열쇠 DfAM (2)   적층제조(AM)는 디자인된 기본 설계를 바탕으로 특수한 형상(Feature)이나 이종 소재로 구현이 가능하도록 쉽게 제어가 가능하기 때문에 고도화된 맞춤화를 실현하는데 매우 유용하게 활용될 수 있다. 이번 호에서는 AM 시뮬레이션의 정의와 종류에 대해 소개한다.   ■ 주승환 | 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다. 이메일 | jshkoret@naver.com 홈페이지 | www.kamug.or.kr   1. AM 시뮬레이션이란 무엇인가 (1) AM 시뮬레이션이 필요한 이유 적층제조(AM : Additive Manufacturing)는 고도화된 맞춤화를 실현하는데 매우 유용하게 활용될 수 있다. 단번에 맞춤화된 제품을 생산하는 능력은 생산 비용과 소재 낭비를 크게 줄이는 동시에 사용자 만족도와 기업 이윤을 크게 향상시킬 수 있다. 금속제품의 개발단계에 적층제조 기술의 적용은 전략적으로나 재정적으로 큰 효과가 알려지고 있다. 하지만, 모든 기업으로 일반화되지 못하고 주로 고비용의 정교한 제품 설계가 요구되는 항공회사와 같은 대기업을 중심으로 적용되고 있다. 이것은 금속 적층제조에 사용되는 프린팅 장비가 고가이고 소재 분말의 비용이 현저히 높으며, 기술적으로 초기 단계에 실패율이 높아 개발 환경 구축 초기 비용이 크게 발생하기 때문이다. 기본적으로 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점은 <그림 1>과 같다. 기존의 적층 방식은 먼저 디자인된 파트를 가지고 와서 빌드를 준비하기 위해서 전처리과정을 거치게 된다. 전처리를 하면서 서포터를 만들고 서포터를 생성하고, 바로 장비에 올려서 빌드를 진행하게 된다. 하지만 이렇게 빌드하게 되면 일반적으로 대부분의 고객들은 시행착오를 많이 거치게 된다. <그림 1> 같이 파트의 파괴, 서포터 파손, 와이어 커팅 후 변형 등 잔류응력으로 인한 흔한 악순환을 겪게 된다. 이런 여러 번의 문제점들을 겪고 나서야 최종적으로 원하는 제품을 얻는 이런 시행착오를 심각하게 겪고 있다.   그림 1. 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점   머터리얼라이즈는 “금속 3D 프린팅을 이용한 적층제조에서 전체 비용 중 75% 이상이 출력 공정에 들어가며, 시험 출력이나 실패한 출력물 등에도 많은 비용이 발생한다. 또한, 복잡한 기하학적 구조의 3D 프린팅 출력물인 경우 평균 15%가 실패한다”고 말했다. 또한 지멘스는 “현재 금속 3D 프린팅 작업을 완성하는데 평균 3~5회의 시도가 필요하며, 금속 분말을 사용하는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로 적층한 출력물에서 발견되는 공통적인 결함은 거친 표면, 비경화된 분말, 불순물 혼입, Layer Defects 현상, Voids 현상 등이 있다”고 설명했다. 이와 같이 금속 3D 프린팅에서 단 한 번에 완성된 출력물을 만들어내지 못하고 실패가 반복되는 것은 새로운 장비, 축적된 기술의 부재, 생소한 제조 파라미터의 조정, 경험 부족, 다양한 결함 등에 요인이 있을 수 있다. 이러한 요인을 최소화하거나 최적화함으로써 시행착오적 실패를 줄일 수 있으며, 이것은 소프트웨어적으로 상당 부분을 해결할 수 있다.

3D 프린팅 신시장 창출의 열쇠 DfAM   DfAM(Design for Additive Manufacturing)은 기존의 DfM(Design for Manufacturing)에서 진보된 개념으로, 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복하는 해법을 제공할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다. 이번 호에서는 DfAM에 대한 소개와 함께 적용사례에 대해 전한다.   ■ 주승환 | 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다. 이메일 | jshkoret@naver.com 홈페이지 | www.kamug.or.kr   DfAM의 필요성 3D 프린팅 기술이 처음 소개됐을 당시 3D 프린팅을 만능 도구로 여기며 열광하는 이가 적지 않았다. 하지만 그중 상당수는 시중에 나와있는 3D 프린터를 써보고 그 한계를 깨달으며 ‘뭐든 만들어낼 수 있는 기술’에서 ‘아직 먼 미래의 기술’로 당초 생각의 궤도를 조금씩 수정하고 있는 것 같다. 필자는 가끔 ‘3D 프린팅 기술이 아직 충분히 발전하지 못한 것이 문제일까, 3D 프린팅이라는 신기술의 활용법에 서툰 것이 문제일까’라는 생각을 한다. 이 질문에 대한 답을 찾으려면 DFAM(Design For Additive Manufacturing) 개념에 대한 이해가 필요하다. DfAM은 3D 프린팅을 제조현장에서 활용하는 방법일 뿐만 아니라, 3D 프린팅을 통해 새로운 서비스 시장을 창출하는 열쇠이다. 디자인, 설계, 제조 분야에서 3D 프린팅 기술이 가지는 의미는 상당히 크다. 일찍이 3D 프린팅은 기존 사업의 패러다임을 바꿀 것이라는 기대를 받아왔다. 아이디어에서 제품 생산까지의 과정이 놀라울 정도로 단축되는 것은 물론, 디자인과 설계의 관점이 180도로 달라져 기존에 볼 수 없었던 획기적인 디자인의 적용이 가능해지고 최적화된 설계를 통한 경량/고강성 구조의 구현, 복잡한 형태의 제품을 복잡한 조립 과정 없이 한 번에 생산 가능하거나 복합소재의 동시 적용이 되는 등 3D 프린팅 기술로만 가능한 혁신적 설계 방법이 생산에 적용 가능하다. 이를 DfAM이라고 하며, 3D 프린팅 기술의 장점을 극대화할 수 있는 설계 및 엔지니어링 접근 방법이다. DfAM은 크게 4가지 분야에서 주로 사용되고 있으며, ▲경량화 구조 ▲여러 개의 부품을 하나의 부품으로 제작하는 부품 단일화 ▲한 부품에서 소재와 물성이 다르게 나오게 하는 디자인 ▲의료용에 특화된 디자인 등이 있다.(그림 1)   ***DfAM1.jpg그림 1. 경량화(a), 부품 단일화(b), 다물성 소재(c), 의료용 특화 부품(d)   이는 DfAM을 통해 많은 부품 개수를 재디자인을 통해 줄이고, 위상최적화를 통해 하나의 부품으로 만들고, 격자(Lattice) 구조 설계로 부품의 무게를 감소시킬 수 있었기 때문이다. 생산자는 경량화, 내구성 증대, 부품 수 감소 등을 통해 이윤을 창출할 수 있기 때문에 미국이나 유럽에서는 이미 생산라인에 금속 3D 프린터를 대거 도입해 운영하고 있다.

3D 프린팅 관련 산업생태계가 장비와 소재에서 벗어나 ‘서비스’ 중심으로 전환되면서 소프트웨어와 관련 응용기술들도 발전하고 있다. 이중에서도 모델링 및 해석을 위한 3D 프린팅 관련 소프트웨어는 제조업 혁신 트렌드에 맞춰 큰 관심을 받고 있다. 특히 적층제조 특화 설계(Design For Additive Manufacturing 이하 DfAM)는 ‘제조업 혁신 패러다임 변화’를 주도할 주요기술로 주목받고 있다.   DfAM이란? 3D 프린팅 기술에 기반한 적층제조(AM, Additive Manufacturing)의 역사는 30년에 불과하다.  기존의 생산제조와는 다른 방식으로 제품을 가공하는 3D 프린팅에서 설계 디자인의 중요성은 더욱 커질 수 밖에 없다. 소재, 장비, 공정, 후처리, 인증·평가 등과 함께 3D 프린팅 제조의 6대 핵심기술로 꼽히는 ‘설계’를 최적화하기 위해 필요한 기술이 바로 ‘적층제조 특화 설계(DfAM)’이다. 시뮬레이션 기반 설계/공정 최적화를 실현할 DfAM 기술 개발 움직임은 세계적으로 이뤄지고 있으며, 특히 미국에서 활발하게 일어나고 있다. 대표적으로는 세계적인 3D 프린터 제조사인 3D 시스템즈(3D Systems), 스트라타시스(Stratasys) 등이 DfAM 기술과 연계한 설계 기술과의 확장/연장에 적극적으로 참여하면서 시장을 리드하고 있다. 미국 다음으로 활발한 나라는 독일을 비롯한 유럽 국가들이다.   이미지 출처 : 3D시스템즈   디지털 디자인 기술의 변화 DfAM은 기존의 기계가공이나 금형으로는 가공이 어려웠던 복잡한 형상의 가공물을 가공할 수 있게 해 준다는 점에서 혁신적인 설계기법으로 인정받고 있다. 코드쓰리 최성권 기술이사는 ‘DfAM’을 주물이나 금형같이 절삭 가공이 아니라 적층을 해서 만드는 새로운 제조 패러다임이라고 소개하며, “새로운 제조 패러다임에 맞는 소프트웨어나 도구가 방법적으로 연구되는데 소프트웨어들이 발전해서 인공지능이나 클라우드 기반으로 소프트웨어를 제공하고 제너레이티브 모델링(Generative modeling)을 통해서 적층구조에 맞는 형상을 만들고 파트를 통합해서 경량화를 하고 비용을 줄이고 생산성을 높이는 것들이 가능하다”고 설명한다. 또 최 이사는 “업계에서는 DfAM 설계를 이제 시작 단계로 보고 있다”며 “그러나 타이타늄과 카본, 알루미늄 소재를 이용해 3D프린팅으로 차체 전체를 만들 수 있는 것처럼 미래의 제조방법은 끊임없이 생겨나고 있으며, DfAM 역시 새로운 하나의 영역이 생겨날 것으로 예상되기 때문에 이에 대비해야 한다”고 말한다.     적층해석(시뮬레이션) 소프트웨어 동향 최근 글로벌 소프트웨어 업계를 중심으로 3D프린팅 혁신설계 기술인 DfAM에 필요한 적층해석 시뮬레이션 소프트웨어의 출시가 가속화되고 있다. MSC 소프트웨어의 ‘시뮤팩트(Simufact)’, 오토데스크의 ‘넬팹(Netfabb)’, 알테어(Altair)의 ‘앰피온(Amphyon)’, 앤시스(Ansys)의 ‘앤시스 애디티브 스위트(Ansys Additive Suite)’ 등이 대표적인 사례이며, 이 외에도 많은 글로벌 기업들이 적층해석 소프트웨어를 출시했다. 국내에서는 수요시장은 증가하고 있으나 소프트웨어 자체 개발 비중은 크지 않으며, 아직까지는 외산 소프트웨어의 의존도가 높은 편이다. 아직까지 국내 3D프린팅 산업은 초기 진입단계로, 관련기업 역시 대표 등 전문인력 1~2명이 전문성과 경험을 보유하고 기술서비스를 제공하고 있는 경우가 대부분이다. 특히 관련 중소기업의 약 50%가 전문 인력 양성에 어려움을 호소하고 있어 3D프린팅의 응용기술 분야인 DfAM 기술경쟁력까지 확보하기에는 더 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다.   이미지 출처 : MSC.Softwre   DfAM 경쟁력 확보를 위한 움직임 고강도 경량 우주항공 산업부품, 자동차 및 선박 부품 제조에서 DfAM의 역할은 갈수록 커지고 있다. 세계 각국의 3D 프린터 제작사 및 솔루션 제공업체들이 DfAM 및 응용기술 개발에 집중하고 있는 이유도 여기에 있다. DfAM의 가장 큰 경쟁력은 최적화된 설계를 통해 접합 부위가 없고, 후처리 공정이 불필요하다 보니 원재료의 강성을 그대로 유지할 수 있다. 무엇보다도 최적화된 설계기법으로 소재사용을 최소화할 수 있어서 부품의 경량화 또한 실현할 수 있다는 점이다. 이에 정부는 3D 프린팅 설계 최적화 기술인 DfAM을 기반으로 스마트제조 기술을 개발하기 위한 다양한 기술개발 과제를 지원하고 있다. 이중에서도 산업통상자원부는 최근 ‘3D 프린팅 특화 설계(DfAM) 기반 스마트제조기술개발’ 과제 수행을 위한 업계 선정을 완료하고, 자동차·국방·정밀화학·항공우주·전기전자 등 주력산업 경쟁력 향상에 필요한 부품을 DfAM을 통해 제작할 수 있는 기술 기반 구축에 나섰다. 산업주의 DfAM 기반 스마트제조기술개발 과제는 중소·중견기업을 전자시스템 전문기업으로 육성하기 위한 ‘2020년도 전자시스템전문기술개발사업’의 일환으로 추진됐으며, 이 사업의 목표는 DfAM 6대 기술(표면 미세구조, 다공/경량구조, 일체화, 위상 최적화, 내부구조물, 다중재료 복합적층 등) 확보 및 5대 주력산업과의 융합을 통한 제조산업 경쟁력 제고이다.   이미지 출처 : 한국적층제조사용자협회 3D 프린팅 제트엔진 드론 상용화 설명회   4차 산업혁명이라는 거대 트렌드 속에서 3D 프린팅 제조영역이 확대되고 있는 요즘, 설계최적화를 통해 복잡한 구조의 가공물의 고강성과 경량화를 확보할 수 있는 DfAM 기술은 최적생산, 제조혁신이라는 난제를 해결할 수 있는 중요한 요소기술로 부각되고 있어 앞으로의 기술진화가 더욱 기대되는 분야라 할 수 있다.  

제4회 DfAM 경진대회 홍보 포스터   한국적층제조사용자협회가 3D 프린팅 제조업 융합사례를 발굴하여 울산시 제조업 발전 방향 모색 및 DfAM 인식제고 저변확대를 촉진하고자 ‘제4회 DfAM(DfAM : Design for Additive Manufacturing) 경진대회’를 개최한다고 밝혔다. 한국적층제조사용자협회는 이번 경진대회를 통해 3D 프린팅 생산 방식에 최적화된 디자인 방법론인 DfAM을 활용하여 3D 프린팅과 제조업 융합사례 발굴하고, 기술상용화를 추진하겠다는 계획이다. 공모주제는 일상생활에 유용한 3D 프린팅 제품(자유공모), 제조 산업분야에 적용 가능한 3D 프린팅 제품(지정공모 1), 수요처 연계 3D 프린팅 활용 기술혁신 제품(지정공모 2)로 나뉜다. 경진대회 접수 및 참가신청은 6월 12일까지이며, DfAM 경진대회와 관련된 자세한 사항은 한국적층제조사용자협회 홈페이지를 확인하면 된다.

한국적층제조사용자협회(K-AMUG)가 2월 24일 울산 남구 울산벤처빌딩에서 ‘3D 프린팅 제트엔진 100kg급(Useful Load) 드론 제작사업 세미나’를 개최하고 적층제조로 제작된 제트엔진을 탑재한 1.7m급 eVTOL 드론 시연을 선보였다. ■ 이예지 기자     이날 행사는 스마트 모빌리티 등 여러 분야의 관계자들이 참석한 가운데 ▲3D 프린팅 제트엔진 추진 드론 개발 필요성 및 적용 방안 ▲수직 이착륙 자율비행기 모델(LTE/5G 적용), 소형 제트엔진 비행기, 3D 프린팅 제트엔진 시연 ▲실제 비행기에 장착이 가능한 300N급 제트엔진 2기 시연 등으로 진행되었다.   ▲ 이번 세미나에서는 1.7m급 eVTOL 드론이 시연됐다.   적층제조 제트엔진 탑재한 드론 상용화 추진 최근 전기동력 수직이착륙 개인항공기(eVTOL) 개발이 활발해지면서 미국, 유럽, 중국 등 기존 항공기 제작사, 스타트업뿐만 아니라 IT 기업에서도 eVTOL 개발 및 투자가 활발하게 이루어지고 있다. 자율주행차 기술개발로 시작된 미래 교통수단 개발경쟁이 최근 개인형 항공기(Personal Air Vehicle, PAV)로 확대되면서 eVTOL을 접목한 에어택시 개발로까지 확대되고 있는 것이다.  포르쉐 컨설팅(Porsche Consulting)이 발표한 ‘The Future of Vertical Mobility’ 보고서에 따르면 eVTOL의 전 세계 시장규모는 2035년 320억 달러에 달할 전망이다. 전 세계 주요 도시에 eVTOL 시장이 형성되면서 2035년 총 2만 3000대의 eVTOL이 운행될 것으로 예측된다. 이러한 트렌드에 발맞춰 한국적층제조사용자협회는 적층제조를 통해 제트엔진을 제작했으며, 이를 탑재한 1.7m급 eVTOL 드론을 개발하고, 시험비행 중에 있다. 이번 세미나에서 소개된 eVTOL 드론은 전기동력은 물론 제트엔진 성능을 추가한 하이브리드 방식으로 고속으로 운항하는 군사용 드론, 장거리용, 고속 운항이 가능한 스마트 모빌리티, 에어택시, 의료용 환자 이송 등에 적용할 수 있다.   ▲ 300N급 제트엔진 2기 시연    ▲ 제품 시연(실내)   이 드론은 현재 2kg 이상의 적재가 가능하고, 적층제조를 통해 제작된 제트엔진은 유지보수가 쉽고 국내 기술로 제작됐기 때문에 부품 공급이 안정적인 장점이 있다. 한국적층제조사용자협회는 적층제조 제트엔진을 탑재한 드론을 상용화하기 위해 세미나에서 스마트 모빌리티, 에어택시, 의료품 수송 등이 가능한 프로젝트 추진을 제안했다. 목표는 5~100kg의 중량을 탑재하고 1~2시간 정도를 비행할 수 있는 수직 이·착륙 드론을 개발하는 것이다. 또한 적층제조의 장점인 DfAM(Design for Additive Manufacturing, 적층제조특화설계)을 통한 기체 경량화도 함께 추진할 계획이다. 대표적인 eVTOL 응용 사례로는 직충돌형 소형 드론이 있는데, 이 드론은 핵심 표적에 대한 정밀 타격이 가능하고 군수지원 물품도 수송할 수 있어 전 세계적으로 개발 및 도입이 증가하고 있는 무기체계다. 현재 우리나라에서도 국방과학연구소 민군협력진흥원이 주도하고 LIG넥스원이 주관해 500g급 직충돌형 소형 드론 개발 사업을 추진하고 있으며, 군의 시험평가 과정 등을 통해 2021년부터 단계적으로 전력화할 계획이다. 한편, 한국적층제조사용자협회는 한서대학교와 드론, 3D 프린팅 업체와 컨소시엄을 구성해 3D 프린팅 제트엔진을 국내 최초로 개발하고, 5기 이상의 제트엔진을 보유하고 운용 기술을 확보하고 있다. 또한 3D 프린팅을 활용해 1인용 전기 비행기를 경량화해 제작 중이며, 경량화된 항공 부품 제작, 중공업 부품 납품 등을 추진 중이다.   ▲ 전시품 : 제트엔진 비행기, LTE/5G 자율비행 드론, 3D 프린팅 제트엔진, 3D 프린팅 500mm급 구리 프로펠러   ▲ 현재 제작 중인 1인용 전기비행기     기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

  17　THEME. 플랜트/조선 산업의 디지털 트랜스포메이션   플랜트 산업의 업사이클 대응 전략과 혁신 사례 / 김세환 디지털 트랜스포메이션, 기술로 새롭게 태어나다 / 김영록 초연결 시대의 플랜트 설계 시공 관리 / 이진호 플랜트 R&D 단계에서 디지털 트윈 적용 사례 / 유영돈 디지털 트윈에 대한 고찰: 시뮬레이션과 인공지능 / 우종훈 경쟁력 확보를 위한 선진 예측분석 대응 방법론과 솔루션 / 정일영   INFOWORLD   New Products 45　사실적인 몰입형 경험을 제공하는 건축 시각화 솔루션 　　트윈모션 2020 48　기어 및 베어링의 정확한 동역학 해석을 위한 툴킷 　　RecurDyn/GearKS, RecurDyn/BearingKS 50　BIM, 구조 설계, 철골 제작 관리 지원 소프트웨어 　　테클라 2020 52　적층제조를 위한 올인원 소프트웨어 　　3D엑스퍼트 72　이달의 신제품   Case Study 54　디스플레이 및 반도체 장비 제조 기업, 탑엔지니어링 　　3D 기반의 제품 개발 프로세스로 시장 경쟁력 강화 56　건설 현장에 VR 경험 구현한 스칸스카 　　VR로 위험을 줄이고 안전한 작업 환경 조성   People & Company 58　다우데이타, ‘캐드친구’로 온라인 플랫폼 서비스 강화 　　유틸리티와 라이브러리 등 온라인 콘텐츠로 설계 툴 활용 돕는다 60　그래버트 세드릭 데보르드 마케팅 부문 이사 　　데스크톱/모바일/클라우드 아우르는 ARES CAD로 국내 시장 공략   Focus 62　한국적층제조사용자협회, 적층제조 제트엔진 탑재한 드론 제작 설명회 개최 64　아시아 주요 신흥국 건설산업의 시장 현황과 전망   On Air 67　캐드앤그래픽스 CNG TV 지식방송 지상중계 　　건축 생산성을 높이는 DfMA, 새로운 시대가 열린다   Column 68　디지털 지식전문가 조형식의 지식마당 / 조형식 　　신종 코로나 바이러스와 국가적 시스템 사고  70　현장에서 얻은 것 / 류용효 　　No.8 PLMcafe   74　New Books 76　News   Directory 139　국내 주요 CAD/CAM/CAE/PDM 소프트웨어 공급업체 디렉토리   CADPIA   AEC 124　BIM 칼럼니스트 강태욱의 이슈 & 토크 / 강태욱 　　　GeoServer, PostgreSQL 기반 CesiumJS 지도 웹 서버 개발 방법 132　레빗 패밀리 이해하기 (2) / 장동수 　　　패밀리의 모델링 방법 이해하기 Ⅰ 136　새로워진 캐디안 2020 살펴보기 (13) / 최영석 　　　유틸리티, 문자 기능: 문자 테두리, 문자 정렬   Reverse Engineering 101　이미지 데이터가 갖는 정보와 그의 활용 (4) / 유우식 　　　초분광 이미지의 촬영과 활용   Mechanical 88　제품 개발 프로세스 혁신을 위한 크레오 파라메트릭 6.0 (11) / 박수민 　　IDD 기능 활용 94　엔지니어링의 현재와 미래를 이어주는 기술 (1) / 김봉암 　　AI와 디지털 트윈이 직면한 기회와 한계 Ⅰ   Manufacturing 96　파워밀 CAM 프로그래밍 따라하기 / 이경하 　　코어 가공 실무편 (7)   Analysis 83　솔리드웍스를 통한 설계-해석-제조 솔루션 소개 (13) / 김태순 　　솔리드웍스 플로 시뮬레이션을 활용한 헤어 드라이어 열전달 해석 112　앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례 / 이동욱 　　　플루언트에서 Porous Media와 Porous Jump의 이해 및 차이점 소개 116　사출성형해석 업그레이드를 위한 몰덱스3D (11) / 임영빈 　　　몰덱스3D 2020에서 달라진 점 120　시뮬리아를 활용한 해석 및 응용 사례 (23) / 송우길 　　　파워플로와 엑스플로를 활용한 타이어 시뮬레이션       캐드앤그래픽스 2020년 4월호 목차 from 캐드앤그래픽스

일본 TCT(TCT Japan) 전시회가 1월 29일부터 31일까지 도쿄 빅사이트에서 개최되었다. 일본 TCT는 일본의 3D 프린팅과 적층제조 산업을 대표하는 전시회이다. 이번 전시회에는 100여개의 업체가 참여했으며, 약 5만명 이상의 전문가가 참석했다. 2019년 6월 19일 일본 니케이의 조사에 따르면 일본의 3D 프린팅 시장은 2017년부터 매년 9.1%(Compound Annual Growth Rate, CAGR)의 성장률을 보이고 있다. 적층제조 기술은 모든 산업의 제품 및 제조 프로세스의 가속화·최적화를 도모하기 위한 필수적인 기술로 변혁을 이루는 중이다.  이런 변화를 위해서는 3D 프린터뿐만 아니라 설계부터 조형, 시뮬레이션 및 생산 관리를 연결하는 생태계 구축이 급선무이며, 변화에 맞춰 3D 프린터를 중심으로 얼라이언스 형성이 가속화되고 있다. 최근 25년간 세계 5개국에서 3D 프린팅 및 적층제조 기술 관련 콘퍼런스와 전시회가 활발하게 개최된 것이 이런 흐름을 반영한다.  이번 TCT 전시회에서는 세미나도 함께 개최되었다. 세미나는 ‘적층제조 시장의 미래’, ‘적층제조의 비즈니스, 표준화, 경제성’, ‘DfAM 디자인과 적층제조 산업의 응용’이라는 주제로 3일에 걸쳐 진행되었으며 일본, 미국, 유럽 등에서 초청된 연사들이 기술적인 노하우와 산업 응용사례를 발표했다.   ▲ TCT 일본이 열린 빅사이트 전시장에서   양산품 개발 및 공정, 소재 개발 활발 이번 전시회는 장비 위주의 전시가 아닌 실제 양산 제품, 소재 등이 주를 이뤘다. 중견기업 위주의 산업 진행을 엿볼 수 있었고, 공정 개발을 통한 산업 응용사례, 실제 개발된 특수 소재 등이 부각되었다. 소재는 일본의 대표적인 철강 회사와 티타늄 회사, 그리고 알루미늄 회사 등이 실제 산업에 응용가능한 소재를 선보였다. 토호타이타늄과 토호테크가 티타늄 분말 등을 전시했고, 니오븀 금속 응용을 위해 HS Starck의 사업부를 인수하여 분말 전시 및 응용 사례 발표를 진행했다. 전시회에서는 기존 바나듐이 들어간 티타늄에서 철로 대체된 분말이 소개됐다. 이는 단가를 크게 하락시킬 것으로 예상되며, 이외에도 일반 구형 분말 대신 기계식 파쇄 분말을 활용한 3D 프린팅 기법에 대해서도 소개되었다.   ▲ 바나듐 대신 철 합금으로 만든 티타늄 합금 소재   ▲ 구형 분말이 아닌 3D 프린팅 분말의 전자현미경 사진   EBM 장비용으로는 혼합 형식으로 된 소재가 발표되었고, SLM 방식은 기존 분말을 잘 분급하고 효율적으로 섞어서 분말의 유동성 및 물성을 확보한 것이 특징이다. 이 방식의 경우 분말 단가를 현저하게 낮출 수 있다. 토호테크는 반도체 산업 등에 활용되는 고품질의 일반 분말과 나노분말을 전 세계적으로 수출하는 회사로 유명하다. 일본 전시회에 한국적층제조사용자협회와 사업상 함께 방문한 업체는 일본 업체와 해외 협력을 위한 기술 교류를 진행했다. 용접 방식으로 제작된 화학 공장의 펌프에 들어가는 고가의 티타늄 임펠러는 내식성이 요구된다. 이 방식의 임펠러를 비구형 티타늄, 스테인리스 분말을 3D 프린팅으로 적층제조하는 공정 개발을 협회를 통해 진행하고 있는데, 우선 3D 프린팅 기술을 활용해 임펠러에 대한 물성테스트를 진행 중이며, 현대중공업에 납품 등록된 메탈쓰리디와 품질제어 기술을 협의하는 등 진전이 있었다.   ▲ 용접으로 제작된 티타늄 임펠러 확대 모습   ▲ 용접으로 제작된 티타늄 임펠러 내·외부   일본 경금속은 알루미늄의 분말 및 응용 사례를 발표하였다. 스칸듐을 활용한 스캔알로이 고강도 알루미늄을 발표하였다. 이 제품은 에어버스의 자회사인 APWorks에 납품되어 항공기 부품에 적용되고 있고, 자동차의 엔진 블록 8기통을 빠른 시간 내에 찍어서 자동차 엔진 개발에 활용되는 예가 발표되었다.    ▲ 알루미늄으로 제작한 8기통 엔진 블록   ▲ 새롭게 출시된 EBM, DED 알루미늄 분말과 스캔 알로이   우리나라의 자동차 기업들도 이제는 2주 이내에 납품이 가능한 3D 프린팅 기술을 활용하는 것이 필요하다. 일본과 유럽에서는 일반적으로 사용되지만 국내에서는 알루미늄 자동차 응용 기술은 개발은 되었으나, 아직 예전 주조를 하던 방식에서 벗어나지 못하고 활용이 안 되고 있는 실정이 아쉬웠다.   ▲ 알루미늄으로 제작된 고온, 고강도의 엔진 매니폴더   우리나라의 포스코와 같은 대기업인 니폰스틸의 3D 프린팅 분말 사업 진출이 눈에 띄었다. 대기업이 3D 프린팅 분말 사업에 진출해 결과물을 내고 있는 것이 우리나라와 다른 점이었다. 공정 서비스도 대기업과 공조를 통해 활발히 진행되고 있다. 일본 백동, MTC, 고이와이, NTT 등이 대기업과 공동으로 부품 제작 사업에 진출하고 있고, 이로써 기술력도 많이 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다. 일본 중소기업의 경우는 3D 프린팅 장비 도입시에 50% 이상 정부 지원 및 융자를 받아 부담 없이 장비를 구입할 수 있고 많은 소재 업체가 공동으로 소재를 개발해 사용하는 사례가 많았다. 특히 정부와 3D프린팅기술연구조합(TRAFAM)이 함께 진행한 프로젝트가 끝나가서 많은 결과물이 나오고 있다.   ▲ 고이와이사의 대형 사이즈 메탈 3D 프린터로 제작한 자동차 부품(800x400mm)   ▲ 3D 프린팅 샌드 프린터로 주조 틀을 만들어 엔진 블록을 제작한 사례(고이와이사)   ▲ 일본 백동(공정 회사)에서 제작한 퍼터 사용 예   타이어 금형에도 3D 프린팅 기술이 많이 사용되고 있다. 자동차 부품 중에서 가장 적용이 잘 되는 분야이고 프랑스의 미쉐린뿐만 아니라 국내 타이어 회사에서도 많은 응용이 이루어지고 있는 부분이다. 국내는 아직 전체 금형보다는 부분에 사용되고 있고 실제 타이어 금형 전체 응용은 이루어지고 있지 않으나, 공정 업체 중심으로 연구 개발이 일어나고 있다. 장비 분야에서는 소수이지만 기존 기술을 넘어서 작은 사이즈, 정밀부품 생산이 가능한 니콘의 소형 DED, 미야키의 컬러 프린터 등이 발표되었다. 우리나라에서는 울산의 일부 공정 업체를 중심으로 산업체에 응용이 시작되고 있다. 새로운 분말 소재를 사용한 부품이 개발되고 있으며 이러한 상황에 니폰스틸, 토호타이타늄 등 일본의 대기업이 적층제조 시장에 진출한 것은 매우 고무적이다. 울산은 품질 제어가 가능한 3D 프린팅 생산기술을 보유하고 있기 때문에 일본과 협력이 활발해진다면 화학, 자동차, 중공업 등에서 많은 시너지를 발휘할 것으로 생각된다. 특히 고급 금속소재의 개발이 빠른 일본과의 협력은 시너지를 낼 것이다. 이번 전시회를 통해 일본이 한국의 금속 3D 프린팅 기술에 호의적임을 확인할 수 있었고 이를 기회 삼아 협력을 확대해 나가야 할 것이다.   ▲ DfAM 기술을 이용하여 경량화한 드론의 예   ▲ 니콘의 DED를 사용해서 만든 정밀 DED 부품 사례   주승환 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다.     기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.