4차 산업혁명 시대 제조업의 혁신을 위해 금속 3D프린팅 산업의 경쟁력을 높여야 한다는 목소리가 커지고 있다.
3D프린팅은 적층제조(AM·Additive Manufacturing)라고도 불리는데 사출성형·절삭가공·정밀주조 등으로는 불가능에 가까운 복잡한 형상도 제조할 수 있다. 다품종 소량생산 부품 제조에서 뛰어난 경쟁력을 발휘한다. 미국 보잉은 여객기·군용기·국제우주정거장에 사용되는 부품 중 대략 6만여개를 3D 프린팅 방식으로 제작·적용하고 있다.
3D프린팅은 플라스틱·금속·세라믹과 복합재 등의 재료를 사용한다. 현재는 플라스틱을 가장 많이 쓰는데 오는 2021년께 금속이 절반 이상을 차지할 것으로 전망된다. 1조달러 규모의 금속 부품 제조 시장에서 활용 가능성이 커지는 것이다. 유석현 두산중공업 고문은 “3D프린팅 기술로 생산효율도 높이고 여러 부품을 하나의 부품으로 통합해 부품 수도 획기적으로 줄일 수 있다”며 “우주항공, 자동차, 의료장비, 중공업·발전·에너지, 소비재에서 수요가 크게 늘고 있다”고 전했다.
금속 3D프린팅은 금속 분말이 깔린 베드 위에 고에너지빔으로 금속 재료를 녹여 한 층씩 쌓는 분말적층용융(PBF) 방법과 레이저나 전자빔으로 재료를 직접 증착하거나 녹여 층별로 물체를 형성하는 직접에너지증착(DED) 방식을 주로 사용한다. 공정·재료·제품은 코드와 표준에서 규정된 요건을 확인해야만 인증 등의 요건을 통과할 수 있다.
발전 플랜트의 경우 가용소재 범위가 좁고 소재물성 데이터가 부족하지만 머신러닝 기술 등으로 해결하려 한다. 조현철 두산중공업 박사는 “금속 3D프린터로 가스터빈 연소기 부품을 만들면 기계 가공품에 비해 질소산화물을 40% 이상 저감하고 납기도 20% 이상 단축할 수 있다”고 털어놓았다. 자동차 분야에서는 차종 증가, 고객 니즈 변화, 연구개발비 저감 등을 위해 3D프린팅이 필수기술로 떠오르고 있다. 조신후 현대자동차 박사는 “현대차는 1·2차 협력업체와 함께 활발하게 3D프린팅 부품을 검증하며 데이터를 축적하고 있다”고 소개했다. 정유인 한국항공우주산업 박사는 “항공기에 3D프린팅을 적용할 때 금속 분말 생산자, 3D 프린팅 공정과 부품 등 4개 요건을 적용하며 협력사들도 요건을 맞춰야 한다”고 말했다.
김대중 ㈜인스텍 이사는 “소재 적층부터 공정까지 하나의 플랫폼에서 생산이 가능한 복합 가공기를 개발했는데 자동차·항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있다”고 뿌듯해했다.
한국기계연구원은 내부에 입체냉각 채널을 가지는 금형과 이형 재료를 프린팅해 프레스 수명을 획기적으로 늘렸다. 이창우 기계연구원 박사는 “느리고 비싼 금속 3D프린팅 공정을 상용화하기 위해서는 기존 가공으로는 구현이 불가능한 성능을 극대화해야 한다”고 힘줘 말했다.
하지만 한국산업기술평가관리원에 따르면 지난 2017년 기준 한국의 3D 프린팅 시장 점유율은 세계에서 1.8%에 그친다. 미국(39.3%)이 압도적인 1위이고 독일(9.2%), 중국(7.4%), 일본(6.4%), 영국(4.3%) 순이다. 한국에서도 3D프린팅 장비·소재·소프트웨어·공정·서비스 등 혁신 기업이 등장하고 있지만 금속 3D프린팅에서는 아직 의미 있는 성과를 올리는 곳이 거의 없다.
아직 금속 3D프린팅용 분말 소재 가격이 매우 비싼 점도 한계로 지적된다. 유지훈 재료연구소 박사는 “적층 공정 결과를 데이터베이스화해 금속 3D프린팅에 최적화된 일체형 소재기술 개발에 나서고 있다”고 밝혔다. 김택수 한국생산기술연구원 박사는 “외국에서는 대기업 등 3D프린터 기업과 소재 회사 간 협업해 경쟁력을 높인다”고 강조했다.
산업별 제품 특성과 성능에 맞는 공정을 개발하는 것도 매우 힘든 과제다. 이기안 인하대 교수는 “금속 3D프린터로 만든 철강계, 티타늄계, 니켈계 합금 등의 미세조직과 물성과의 관계를 제시했다”고 소개했다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com
