[포커스] 제조산업의 3D 프린팅 활용을 위한 인사이트와 사례

SIMTOS 2022 디지털 트윈 & 3D 프린팅 컨퍼런스, 제조 혁신을 위한 디지털 기술 트렌드와 사례 소개 (2)

‘SIMTOS 2022 디지털 트윈 & 3D 프린팅 컨퍼런스’가 2022년 5월 25~26일 일산 킨텍스에서 진행됐다. 디지털화를 중심으로 하는 제조산업의 혁신 요구가 거세어지는 가운데, 이번 행사에서는 디지털 트윈과 3D 프린팅 기술을 중심으로 제조 혁신을 위해 고민해야 하는 지점은 무엇이며, 산업계에서는 어떻게 돌파구를 마련하고 있는지에 대해 폭넓은 내용이 소개됐다. ■ 정수진 편집장

5월 26일 진행된 ‘3D 프린팅 컨퍼런스’에서는 디지털 전환 시대를 위한 제조기술로 주목받고 있는 3D 프린팅 및 적층제조(Additive Manufacturing) 기술의 혁신 방안과 사례를 소개했다.

한국생산기술연구원의 이상목 연구위원은 “앞으로의 제조는 대량생산뿐 아니라 고객에게 새로운 경험과 가치를 제공하기 위해 제조 과정에 소비자의 욕구를 반영하고, 판매 이후에도 플랫폼을 바탕으로 지속적인 서비스 및 제품 개발 정보를 획득할 수 있어야 한다는 인식이 높아지고 있다”고 소개했다. 이런 배경에서 제품 개발 방식의 전환에 대한 선언이라고 할 수 있는 ‘인더스트리 4.0’뿐 아니라 선진 각국에서 다양한 제조혁신 움직임을 진행하고 있다.

우리나라에서는 제조산업의 근간이 되는 주조, 금형, 용접, 소성가공, 표면처리, 열처리 등 6대 뿌리기술을 선정해 제조 생태계 강화를 뒷받침해 왔는데, 최근에는 14대 분야로 뿌리기술을 확장했다. 기존 6대 뿌리기술에 고분자 성형, 박층 성형, 적층가공, 절삭가공을 추가한 10개의 요소 공정기술 및 공정 설계 기술인 엔지니어링 설계와 제조 공정 소프트웨어, 생산 지능화 기술인 로봇 기술과 센서 기술이 뿌리기술로 지정된 것이다.

이상목 연구위원은 “이제는 제품뿐 아니라 소비자가 요구하는 가치를 제공하는 모든 영역으로 제조산업이 확장되고 있다”면서, ‘이를 위해서는 공정 설계와 요소공정 기술을 결합한 공정 지능화로 제품의 가치를 극대화할 수 있어야 한다. 기존의 대량생산 방식을 고도화하는 방식으로는 4차 산업혁명을 기대하기 어렵다”고 짚었다.

이런 관점에서 이상목 연구위원은 3D 프린팅의 가능성에 주목했다. 그는 “3D 프린팅을 적용하는 목적은 공정 최적화가 아니라, 대량생산 또는 대량 맞춤생산(매스 커스터마이제이션)을 탈피해 설계 단계에서 고객의 요구를 수용하고 부품의 특화성을 통해 고객의 가치를 높이는 데에 있어야 한다”고 전했다.

▲ 뿌리산업의 구조 변화와 스마트 제조기술 혁신 방안을 설명한 한국생산기술연구원 이상목 연구위원

3D프린팅연구조합의 강민철 이사는 최근 빠르게 성장하고 있는 금속 적층제조(AM) 기술의 시장 동향과 전망을 소개했다. 전세계 적층제조 시장은 2021년 기준150억 달러(약 19조원) 규모로 추산된다. 또한, 적층제조 관련 매출이 매년 20% 성장하면서, 향후 지속성장 가능한 제조 영역으로 꼽히고 있는 상황이다.

특히 적층제조를 위한 금속 분말 소재는 향후 플라스틱 소재와 맞먹을 정도로 성장할 전망인데, 강민철 이사는 “점차 많은 부품이 금속으로 만들어지고 있어 3D 프린팅/적층제조 관련 산업에서 금속 소재의 성장세가 두드러질 것”으로 보았다.

금속 적층제조는 가루나 와이어 형태의 금속 소재를 한층씩 사출하고 이를 녹여서 입체 형상을 만드는 방식으로, 덩어리 형태의 금속 소재를 깎는 절삭가공과 대비되는 개념으로 쓰인다. 강민철 이사는 금속 분말을 한 층씩 쌓고 선택적으로 레이저를 조사해 녹이는 PBF, 레이저를 사용하지 않고 소결하는 바인더 제팅(binder jetting), 분말보다 저렴한 와이어 소재와 전자빔/플라스마를 사용해 속도를 높인 DED, 더욱 복잡한 형상을 제조할 수 있는 5축 AM 등 다양한 금속 적층제조 기술의 발전상을 소개했다.

또한, “금속 적층제조의 강도 및 연신율이 최근에는 단조 가공과 맞먹는 수준으로 나오고 있으며, 응력을 해소하는 후공정을 통해 강도를 더욱 높일 수 있는 수준으로 기술이 발전하고 있다”고 전했다.

▲ 금속 적층제조 산업의 시장 동향 및 기술 전망을 짚은 3D프린팅연구조합 강민철 이사

전세계 자동차 업계에서는 커스터마이징 중심의 소량 생산이나 콘셉트 카, 지그와 픽스처 등 치공구, 서비스를 위한 예비 부품 제작 등에 3D 프린팅 기술을 활용하는 시도가 활발하다. 현대자동차 역시 선행기획 - 설계 - 개발 - 양산 준비 - 양산 등 자동차 개발 프로세스 전반에 걸쳐 3D 프린팅을 적용하고 있는 상황이다.

현대자동차의 온한우 책임연구원은 성능&중량&공정 최적화를 위한 선행 기술 개발, 시작차량 및 부품의 제작 시간 및 비용 절감, 시작 부품 제작을 위한 간이 사출금형 제작, 생산을 위한 치공구 제작 등 현대자동차가 3D 프린팅을 활용한 다양한 사례를 소개했다.

또한 온한우 책임연구원은 “코로나19 팬데믹이 이어지는 가운데 글로벌 공급망 리스크와 재고 예측 실패에 따른 생산 차질, 보호무역주의가 심해지는 데에 따른 물류비 상승과 운송일정 지연 등 어려움이 발생하고 있다. 이런 가운데 3D 프린팅은 공급망의 간소화와 다변화, 유연한 재고 관리, 물류비 절감, 보호무역에 따른 리스크 해소에 기여할 수 있을 것”이라면서, “공급망 혁신을 위해서는 3D 프린팅 제조 프로세스의 표준화와 함께 상용화를 위한 후처리 등 애플리케이션 개발이 필요하다”고 전했다.

▲ 자동차 산업의 3D 프린팅 동향과 활용 사례를 소개한 현대자동차 온한우 책임연구원

LG전자의 박인백 책임은 “3D 프린팅은 소량 및 고객맞춤형의 고부가가치 제품을 중심으로 강점을 나타내고 있는데, 한편으로 대량생산 체계가 자리잡은 제조기업 입장에서 이런 장점을 제대로 발휘하기 어렵다는 현실적인 고민을 안고 있었다”고 소개했다.

과거의 대량생산은 많은 수요에 효과적으로 대응하기 위한 체계였다. 그런데 개인 맞춤형 제품에 대한 요구가 늘어남에 따라 기존의 대량생산 라인에서 이에 대응하기 위해 급격하게 생산체계를 변경하는 데에는 리스크가 따른다는 설명이다.

박인백 책임은 “3D 프린팅의 특성을 죽이면서 양산 체계에 맞추는 것이 아니라, 3D 프린팅의 장점을 살리면서 돌파하는 노력이 필요하다”고 짚었다. LG전자의 경우 제품보다는 부품을 생산하는 데에 3D 프린팅을 적용하고 있다. 적층 가공에 따라 줄무늬가 생기는 표면 조도 문제는 발상을 바꿔 나무의 나이테와 같은 질감을 전처리로 구현하는 방식으로 해결했다. 한편, 고객 경험을 반영하기 위한 필드 테스트에 3D 프린팅으로 만든 목업을 활용하거나, 제품 판매 후 발견되는 개선사항을 업그레이드 부품에 반영하는 등에도 3D 프린팅이 유용하다는 것이 박인백 책임의 설명이다.

▲ 미래 제조 기술을 위한 3D 프린팅 전략을 짚은 LG전자 박인백 책임

프로토텍의 신상묵 대표는 기술 발전과 함께 꾸준히 활용도가 확산되고 있는 3D 프린팅의 최신 트렌드를 짚었다. 국내외에서 3D 프린팅은 프로토타입과 툴링&매뉴팩처링 용도로 많이 쓰이고 있다. 국내서는 특히 프로토타입을 위한 3D 프린팅 사용이 더 많다고 한다. 프로토타입 영역에서 3D 프린팅은 장비 및 소재의 다양화 및 성능 향상에 따라 많이 보편화되고, 디자인 프로세스 및 커뮤니케이션을 개선하는 효과를 가져오고 있다.

신상묵 대표는 “생산 영역에 3D 프린팅을 적용하는 과정에서는 여전히 극복해야 할 과제가 있지만, 장비 및 재료의 안정성, 정밀성, 반복성에 대한 검토가 꾸준히 진행되는 상황”이라면서, 3D 프린팅을 위한 생산 워크플로의 효율화도 필요하다고 짚었다. 이외에도 신상묵 대표는 “3D 프린팅은 재고를 확보할 필요 없이 디지털 파일을 기반으로 필요한 만큼 빠르게 생산해 납품할 수 있기 때문에 대안 공급망으로서 3D 프린팅의 역할에 대한 관심이 높아지고 있다”고 전했다.

▲ 3D 프린팅 분야의 최신 트렌드와 전망에 대해 소개한 프로토텍 신상묵 대표