3D 프린팅과 소재<금속 3D 프틴터 산업화 방향>

본글은 KIMS재료연구소의 학술지 [기계와재료]에 소개된 자료를 바탕으로 하고 있습니다.

 

금속 3D 프린터 산업화 방향

 

3D 프린터는 산타크로스 머신, 도깨비 방망이 기계등으로 불리며 모든 제품을 다 생산할 수 있으며 심지어는 제4차 산업혁명이라고까지 불리며 세간의 주목으 ㄹ받았으나 실용화 관점에서 보면 초라한 성적을 보이고 있다. 이처험 실용화가 미진한것을 대중들이 생각하는 것처럼 3D 프린텅이 기존 가공에 비해 더 빠르지도 더 싸지도 않기 때문이다. 이러한 대중들의 오인은 3D 프린팅 산업을 무리하게 확장하려는 3D 프린터 전문가와 어론이 만들어낸 합작품이다. 이 시점에서 3D 프린팅 산업을 냉정하게 평가하여 선택과 집중을 통해 잠재적 가치를 극대화한다면 산업전반은 아니지만 특정 산업분야에서는 3D 프린팅으로 획기적인 기술 경재력 확보가 가능하고 이를 통해 3D 프린터 산업화가 진전될 것이다.

 

3D 프린팅 기술이 제4차 산업혁명이라고 극찬 받은 이유는 새로운 산업을 창출할 수 있고 창업문턱을 낮춰 많은 신규 사업이 창출할 것이며 공정개선을 통한 기존 제조업의 경쟁력을 향상시킬 수 있기 때문이다. 그러나 이러한 3D 프린팅산업의 잠재력은 현재 3D프린팅 기술로는 기술적 한계점을 드러내고 있어 신개념의 3D 프린팅 기술이 요구되고 있으나 아직 뚜렷한 기술적 진보가 없다. 현재 기술은 기능성 제품에 적용하기 보다는 형상을 보는 정도의 정밀도와 기계적 강도에 만족한다. 또한 프린팅 속도도 기존 가공에 비해 늦은편으로 활동도가 형상을 보는 시작품제작에 치중되어 있다. 3D 프린터에 관련된 연구를 하면서 대중들이 3D 프린터에 관해서 오해를 하고 있다는 것을 많이 느끼게 된다. 대중들은 3D 프린터가 "더 싸고 더 빠르게"만들 수 있다고 생각한다. 이러한 생각은 어떤 면에서는 맞고 어떤 면에서는 틀리다. 대중들의 3D 관한 오해는 무리한 확장을 원하는 3D 프린터 전문가와 언론이 만들어낸 합작품이다. 우선 3D 프린터를 하나의 영역으로 통틀어서 이야기하는것은 불가능하다. 3D 프린팅은 소재에 따라서 적층 방법에 따라서 분류될 수 있다. 많은 프린팅 소재 주에서 산업적으로 플라스틱, 금속, 바이오 분야가 중요하다. 생체물질 분야는 기존의 가공 방법과 비교하기 어려우므로 논외로 하고 플라스틱 시제품 제작에 있어서는 3D 프린터가 기존의 가공방법에 비해서 "더 싸고 더 빠르다"라고 할 수 있으나 사출에 의한 플라스틱 양산제품이나 금속 분야에서는 대부분 더 비싸고 더 느리다. 3D 프린터 전문가들은 플라스틱의 경우, 처음 만드는 시제품보다 "더 싸고 더 빠르다"라고 이야기했어야 한는데 하지 않았거나, 했어도 언론이 시제품이라는 말을 빼고 전했기 때문에 대중들이 오해르 ㄹ하고 있다. 물론 몇몇 제품은 시제품이 아니라 실제 제품보다 "더 싸고 더 빠르게" 3D 프린팅이 가능한 분야도 있지만 매우 미미하다. 대중들이 오해한 것처럼 3D 프린팅이 기존 생산방식보다 더 싸고 더 빠르면 빠르게 실용화되었겠지만 현실은 그렇지 않다. 이유는 당연히 3D 프린팅 시장은 오바마 대통령이 2012년 연두교서에서 3D 프린팅의 중요성을 언급한 후 매우 빠른 속도로 성장해왔다. 이유는 플라스틱 시제품은 3D 프린터와 개인용 프린터의 신규시장이 위축되면서 성장세도 주춤 할 것으로 예상된다. 플라스틱 3D 프린터시장이 위축되는 많은 이유가 있지만 가장 큰 이유는 현재 플라스틱 생산 방법인 사출보다 생산성이 현저하게 떨어져 생산에 적용할 수 없고 3D 프린팅의 장점을 살린 비즈니스 모델의 부재에 기인한다.

3D 프린터에 대한 여러가지 평가와 예상 속에서 3D 프린터가 산업에 미치는 영향과 3D 프린팅 산업은 어떻게 전개될까? 많은 자료 중에서 위 그림에서 나타낸 것처럼 독일 정보통신기술분야의 업체를 대상으로 한 설문조사가 눈길을 끈다. 3D 프린팅 기술은 대다수의 의견처럼 몇몇 산업분야를 강하게 변화시킬 수 있는 기술이다. 그러나 이러한 산업분야가 어떤 분야인지를 찾아내는 것이 3D 프린팅산업을 육성하고 산업화하는데 무엇보다 중요하다. 플라스틱 제품의 90% 이상이 생산성이 우수한 사출성형인 반면, 금속 제품은 절삭, 주물, 성형 등 다양한 방법으로 제품이 가공된다. 특히, 금속산업에 단가가 높은 부품은 주로 절삭가공에 의해서 제작되는데 절삭가공은 다른 가공에 비해서 생산단각와 시간이 긴 특징을 가지고 있어 3D 프린팅 공정이 경쟁 가능한 생산방식으로 현재 3D 프린팅 산업에서 금속이 주목받는 이유이다. 이러한 이유로 아래 그림과 같이 금속관련 프린터 시장 비율이 2012년에 전체 3D 프린팅시장의 5.9% 에서 2014년에는 20%로 급격하게 성장하고 있다.

 

금속 3D 프린팅 상용화분야

 금속이나 플라스틱, 바이오 그 외의 모든 재료를 이용한 3D 프린팅이 상용화되기 위해서는 기존의 생산방식보다 가격 경쟁력, 생산속도, 품질에서 장점을 가져야 한다. 금속3D 프린팅은 플라스틱과 비교하면 기존의 생산방식도 비교적 높은 생산 단가와 낮은 생산성으로 충분히 경쟁이 가능한 분야이다. 그러나 그보다 금속 3D 프린팅의 확실한 장점을 가지는 부분은"품질"일 수 있다. 금속 3D프린팅은 정밀도가 낮아 후가공이 거의 필수적이 공정인데 품질 부분이 장점이라고 이야기 하는것은 이해되지 않을것이다. 현재의 3D 프린팅 기술로는 치수 정밀도와 표면 저도가 기존의 절삭가공에 비해서 수십미크로 수준으로 형편없다. 그런데도 품질 부분에서 금속3D프린팅이 장점을 가진다고 주장할 수 있는 이유는 3D 프린팅공정의 속성 때문이다. 기존의 절삭가공 골정은 외형가공만 가능하지만 3D 프린팅 공정은 외형은 물론 내부에 원하는 형상 프린팅이 가능하다. 이러한 공정의 장점을 이용하면 기존의 금속가공으로는 제작이 불가능한 내부의 구조물을 가지는 제품생산이 가능하여 기능적으로 성능이 우수한 제품생산이 가능하다. 내부의 구조물을 가져서 성능이 향상되는 제품으로는 플라스틱 사출금형이다. 플라스틱 사출의 경우 생산시간에서 70%가 냉각에 소요되는데 사출금형 내에 Conformal Cooling Channel이라는 냉각을 위한 내부 형상을 만들면 사출 속도를 획기적으로 단축시킬 수 있다. 또한 빠른 냉각속도와 더불어 균일한 냉각을 통해 대형 사출물에서 발생하는 휨과 같은 변형을 막아 불량율을 낮출 수 있다. 아래 그림은 단순한 반구를 제작할 때 기존 냉각 채녈과 Conformal Cooling Channel의 효과를 비교한 해석결과로 1시간당 생산량이 288개에서 433개로 50% 상승하는 결과를 보여준다.

다른 분야로는 허니컴 구조와 같이 높은 강성의 경량화 구조물이다. 공작기계, 검사장비와 같은 생산 장비의 생산성을 향상시키기 위해서는 고속이송이 요구된다. 고속이송을 위해서 고출력의 서보모터, 낮은 마찰의 안내기구, 고성능 제어기 등이 요구되는데 그 중 하나가 이송부의 경량화이다. 이송부는 경량화가 요구되기도 하지만 장비의 정밀도를 위해서 고강성이 요구되어 이송부 무게를 줄이는데 어려움을 가지고 있다. 하지만 금속 3D프린팅을 이용하여 내부구조를 허니컴 구조로 제작하면 기존 강성을 유지하면서 무게를 구조에 따라서 50%이상 줄일 수있다. 앞에서 언급한 것처럼 현재의 3D 프린팅 기술의 치수와 표면조도는 수십미크로 수준으로 프린팅장비에 요구되는 기계정밀도는 높지 않지만 금속은 플라스틱 3D프린팅과 달리 재료와 공정조건에 따라서 품질이 현격히 달라지는 특징을 가지고 있다.  때문에 금속 3D프린팅은 기계 정밀도보다는 재료에 따르는 공정조건이 프린팅 품질에 더 많은 영향을 준다. 3D 프린티엥서는 주로 금속분말이 사용되는데 기존의 제품 조성과 동일한 분말이 많이 생산되고 있으나 3D 프린팅에서 발생하는 급속가열과 급속냉각을 고려한 조성에 대한 연구나 재료 개발은 미미한 상황이다. 이러한 상황에서 모든 금속 3D프린팅에 사용되는 재료를 개발하는 것은 어려운 일일 뿐더러 현실적으로 불가능하다고 의미 없는 일이다. 금속 3D 상용화를 위해서 가장 중요한 일은 3D 프린팅공정을 활용했을때 기존 가공 방법과 비교하여 성능에서 현격한 차이를 가질 수 있는 활용분야를 찾는 것이 우선되어야 한다.

 금속 3D 프린팅의 3가지 요소 기술은 장비,재료,공정이다. 그러나, 금속 3D프린팅 공정의 상용화를 위해서 가장 중요한 것은 3D프린팅 공정의 장점을 최대한 살릴 수 있는 구체적 활용분야를 찾는 것이다. 금속 3D프린터는 크게 DED(Directed Enegy Deposition)방식과 PBF(Powder Bed Fusion)방식으로 나눌수 있다. DED방법은 집속된 에너지빔으로 용융 풀을 만들고 여기에 금속Powder나 Wire를 공급하여 적층하는 방식이고 PBF방식은 금속 Powder를 얇게 편 Layer에 레이져를 갈바노 스캐너나, 전자빔을 원하는 위치에 조사하여 각 Layer마다 2차원 프린팅을 계속하여 3차원 형상을 얻는 방법이다. 요구되는 장비의 정밀도나 속도가 기존의 공작기계와 비교하여 낮은 수준으로 장비의 기술적인 이슈사항은 적은 편이다. 현재 요구되는 제품성능을 구현하기 위한 장비의 기술적인 문제는 없고, 재료도 기존의 금속분말을 대부분 생산 가능하므로 기술적인 문제는 없다. 이처럼 제품구현에는 장비나 재료의 기술적인 문제점이 없는데 금속3D 프린팅 상용화가 더딘 이유는 경제적인 문제가 해결되지 않기 때문이다. 즉 더 싸거나 더 빠르게 프린팅이 되어야 하는데 현재보다 수십배 빠른 적층속도나 정밀도가 오구된다면 이것으 신공정이 개발되어야 가능한 부분으로 현재 활용되고 있는 기술로는 한계점을 가지고 있다 .현재의 공정기술에서 요구하는 요소기술 수준은 높은 편이 아니어서 선진국과의 기술격차가 그리 크지 않다. 새로운 금속 3D프린팅방법이 연구되고 있으나 이것은 원천기술 개발에 가까운 연구이며 아직은 신공정에 대한 연구결과가 세계적으로도 뚜렷하지않은 상황이다. 현재 기술을 활용하여 상용화하기 위해서는 금속 3D 프린팅 기술의 장점으로 기존 가공방법에 비해 성능이 우수해지는 활용분야를 찾는 것이 무엇보다 중요하다. 너무나 당연한 이야기처럼 들리지만 현재 3D프린팅관련연구는 그렇지 못한것 같다. 예를 들면 연구과제가 "플라스틱 사출금형을 위한 DED 프린팅기술개발"정도로 품목까지 고려하여 기획되어야 한다. 물론 기획에 단순히 품목을 지정했다는데 의미가 있는것이 아니라 3D프린팅으로 금형이 제작되었을 때 기존 금형대비 가격 및 시간을 비교하고 만약 가격과 시간이 상승된다면 사출속도에서 몇%나 향상되었을때 경제성이 있는지 등이 사전에 검토되어 금속3D프린팅을 활용한 경우 확실한 경제적인 우위를 가지는 분야를 찾아내는 것이 기술개발에 비해서 더욱 중요하다. 대체적으로 금속3D 프린팅공정은 기존의 가공고정에 비해서 가격과 시간이 상승하는것이 보통으로 이러한 가격과 시간적인 상승을 내부구조물 제작으로 성능향상을 통해 경제적으로 우수한 분야를 찾아내야만 상용화가 가능하다.

 

PBF 프린터(Powder Bed Fusion)

 그림6은 PBF공정을 나타낸다. 얇게 편 금속 Powder에 갈바노 스캐너를 이용하여 고출력 레이저를 조사하는 사진이다. PBF공정은 DED공정과 비교하면 복작한 형상제작이 가능한 장점을 가지고 있으나 기존 부품에 덧붙여 가공하는 것은 현재로는 어려운 작업이다. 에너지원으로는 레이저나 전자빔을 사용하는데 레이저를 사용할 경우에는 갈바노 스캐너를 사용하여 레이저 경로를 제어하고 전자빔의 경우에는 코일로 구성된 편향 렌즈를 사용하여 전자짐을 움직인다. 활용분야가 다양해지고 있으며 특히 대형 부품에서 3D프린팅이 장점을 가지게 되어 대형화가 진행되고 있다. 전자빔의 경우에는 진공챔버가 요구되어 장비가격이 급격히 상승하므로 대형화에 제약조건을 가지고 있다. 그러나 진공 챔버에 공정이 이루어지므로 프린팅 공정에서 산소에 의한 산화가 원천적으로 발생하지 않아 임플란트에 많이 활용되는 티타늄 Powder사용에서는 장점을 가진다. 대형화되면 필연적으로 프린팅속도가 문제되는데 이를 해결하기 위해서는 레이저를 에너지원으로 사용하는 장비에서는 멀티레이저화가 생산속도를 높이고 있다 .또한 PBF 이후 공정인 Powder 제거작업 Powder회수, 세척 후가공 등의 공정을 모듈화하여 PBF 프린팅공정의 확장 및 재배치가 용이하도록 시스템화하고 있다.

 

위 그림은 앞에서 설명한 PBF 장비의 발전 방향인 대형화와 멀티레이저화를 위해서 한국기계연구원에서 개발하고 있는 갈바노 스캐너와 폴리곤 스캐너를 복합한 PBF 프린터의 원리를 나타내고 있다. 기존장비는 갈바노 스캐너만 활용하는 경우가 대부분으로 그림에서 보는 것처럼 경사빔을 사용하게 되는데 프린팅영역이 확대되면서 중심과 외곽의 경로 차에 의해서 레이저 빔의 스팟크기가 달라져 정밀도가 낮아지는 원인이 되고 무한정 프린팅 영역을 확대할 수 없는 원인이 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 텔레센테릭 렌즈를 삽입하여 경사빔을 모두 수직빔으로 변경하면 정밀도를 향상시킬수 있지만 프린팅 영역은 더욱 작아진다. 보통은 고정된 갈바나 스캐너를 X-Y로 이송할 수 있도록 시스템을 구서하였다. 이경우 X-Y 이송기구에서 발생하는 기계적인 오차를 갈바노 스캐너가 실시간으로 보상하는 구조를 가진다. 이렇게 시스템을 구성하면 높은 정밀도를 가지고 넓은 면적을 프린팅 할 수 있지만 프린팅 속도가 현저히 감소한다. 이점을 보완하기 위해서 갈바노 스캐너는 형상정밀도를 좌우하는 외곽만 프린팅하고 내부는 고속의 폴리곤 스캐너에 의해서 프린팅하는 기법을 활용하여 정밀도, 넓은 프린팅영역, 프린팅속도를 만족시킨다.

 PBF프린팅은 원리적으로 자유롭고 복잡형상 프린팅이 가능하므로 산업전반에 활용될 수 있지만, 앞에서 언급한것처럼 상용화를 위해서는 기존 생산방식보다 경쟁력 있는 분야를 찾아 적용하는 것이 중요하다. 프린팅 공정은 공정 특성상 재료가 난삭재이고 형상이 복잡한 고부가가치 제품이 유리하다. 이러한 부품으로는 항공기부품, 발전소부품, 임플란트 등이 있다. 항공기 부품과 발전소 부품은 국내의 기술이 선진국과 기술격차가 큰 분야로 초기 사장진입이 어려운 분이다. 임플란트는 사회가 고령화되면서 시장이 빠르게 성장하고 있는 분야이며 의료산업은 국내의 기반 기술수준이 높은 편으로 금속3D프린팅상용화에 적합한 시장이다.

https://youtu.be/2FKshCeRkvg  <EWI>

 

DED프린터(Directed Energy Deposition)

 DED장비는 PBF 장비에 비해서 복잡한 형상 프린팅이 상대적으로 어려워 형상에 대한 제약을 가지고 있어 현재 금속 3D프린팅 시장은 주로 PBF에 의해서 주도되고 있으나 PBF에서는 현재는 어려운 기존 제품에 덧붙이는 가공이 가능하고 여러가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있는 장점을 가진다. 이러한 장점을 최대한 적용할 수 있는 부분이 앞에서 설명한 Conformal Cooling  Channel을 가지는 플라스틱 사출금형이다. 특히 대형 사출 금형의 경우 PBF에서는 불가능한 크기와 기존의 절삭 방법과의 혼합 생산방식으로 경쟁력을 가질 수 있다. 특히 기존 절삭가공과 혼합 생산을 위해서는 사용자의 편이성 증대를 위해서 자동초점 기능이 중요하다. 자동초점 기능은 공작물의 높이를 측정하여 프린팅되는 공작물표면에 프린터 에너지원인 레이저의 초점이 위치하도록 높이를 제어하는 기술이다.  이 기술은  사용자의 편이성과 프린팅의 성능을 높인다 .특히 DED Head의 경량화가 이루어지면 위치 정밀도는 낮지만 자유도가 높은 로봇에 장착하여 대형부품의 개보수나 기존 공작기계와 혼합가공이 가능하여 활용분야가 대폭 확대될것이다. 자동초점 기능이 없는 현재는 기존의 부품에 3D프린팅을 하기 위해서 3차원의 정확한 정보와 정확한 Setup이 요구된다. 이러한 프린팅 이전의 사전 공정은 많은 시간, 노력, 비용이 발생하여 3D프린팅 상용화에 커다란 걸림돌이 된다. DED방식의 기술적인 과제는 기존 절삭가공과 달리 Head의 속도가 느려지면 적층량이 많아지는 문제점을 가진다는 것이다. 절삭가공은 Head의 속도가 느려져도 보통은 생산속도에 영향을 줄뿐 가공품질에는 큰 영향이 없지만 DED프린팅 공정에서는 불균일한 적층량으로 프린팅 품질을 저해하는 요인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 레이저의 파워를 조절하거나 Head경로를 변경하는 방법을 사용하고 있으나 완벽하게 해결되지 않고 있다. 이를 위해 분말량을 제어하려는 시도가 국내 연구진에 의해서 시도되고 있다.

https://youtu.be/Pjqysyy1ySs <BeAM Machine>

 

결론

 3D 프린팅이 단순한 형상을 보던 활용분야에서 기능성 부품 제작으로 영역을 확대하려고 노력하고 있으며 특히 금속 3D프린팅이 대부분 기능성 부품 제작에 활용되고 있다. 현재 금속 3D프린팅 기술은 요구하는 형상 제작에는 큰 문제점은 없으나 기존 생산방식과 시간 비용을 고려한 경제적인 측면에서 장점을 가지지 못해 산업화에 어려움을 가지고 있다. 그러나 Conformal Cooling Channel을 가지는 대형 금형이나 임플란트와 같이 몇몇 분야에서는 금속 3D 프린팅 기술이 기존 제조방식에 비해서 월등한 강점을 가진다. 금속 3D 프린팅 산업은 산업화를 위해 기술개발 이전에 경제성 분석을 기반으로 3D 프린팅이 강점을 가지는 부품 발굴이 우선이며 중요하다.

 

"기계와 재료"는 KIMS재료연구소에서 발간하는 학술지입니다. 2017년에 발간한 28권 1호에 실린 내용입니다.

3D 프린터를 개발하시거나, 3D프린팅을 통해서 제품개발을 하시는분에게 도움이 되고자 올립니다.