[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 금속 3D 프린터산업화방향 이창우 한국기계연구원 3D 프린터는산타크로스머신, 도깨비방망이기계등으로불리며모든제품을다생산할수있으며심지어는제4차산업혁명이라고까지불리며세간의주목을받았으나실용화관점에서보면초라한성적을보이고있다. 이처럼실용화가미진한것은대중들이생각하는것처럼 3D 프린팅이기존가공에비해더빠르지도더싸지도않기때문이다. 이러한대중들의오인은 3D 프린팅산업을무리하게확장하려는 3D 프린터전문가와언론이만들어낸합작품이다. 이시점에서 3D 프린팅산업을냉정하게평가하여선택과집중을통해잠재적가치를극대화한다면산업전반은아니지만특정산업분야에서는 3D 프린팅으로획기적인기술경쟁력확보가가능하고이를통해 3D 프린터산업화가진전될것이다. 1. 서론 그림 1. 3D 프린팅산업의잠재적가치 3D 프린팅기술이제4차산업혁명이라고극찬받은이유는새로운산업을창출할수있고창업문턱을낮춰많은신규사업이창출할것이며공정개선을통한기존제조업의경쟁력을향상시킬수있기때문이다. 그러나이러한 3D 프린팅산업의잠재력은현재 3D프린팅기술로는기술적한계점을드러내고있어신개념의 3D 프린팅기술이요구되고있으나아직뚜렷한기술적진보가없다. 현재기술은기능성제품에적용하기보다는형상을보는정도의정밀도와기계적강도에만족한다. 또한프린팅속도도기존가공에비해늦은편으로활용도가형상을보는시작품 6 기계와재료
금속 3D 프린터산업화방향 제작에치중되어있다. 3D 프린터에관련된연구를하면서대중들이 3D 프린터에관해서오해를하고있다는것을많이느끼게된다. 대중들은 3D 프린터가 더싸고더빠르게 만들수있다고생각한다. 이러한생각은어떤면에서는맞고어떤면에서는틀리다. 대중들의 3D 프린터에관한오해는무리한확장을원하는 3D 프린터전문가와언론이만들어낸합작품이다. 우선 3D 프린터를하나의영역으로통틀어서이야기하는것은불가능하다. 3D 프린팅은소재에따라서적층방법에따라서분류될수있다. 많은프린팅소재중에서산업적으로는플라스틱, 금속, 바이오분야가중요하다. 생체물질분야는기존의가공방법과비교하기어려우므로논외로하고플라스틱시제품제작에있어서는 3D 프린터가기존의가공방법에비해서 더싸고더빠르다 라고할수있으나사출에의한플라스틱양산제품이나금속분야에서는대부분더비싸고더느리다. 3D 프린터전문가들은플라스틱의경우, 처음만드는시제품보다 더싸고더빠르다 라고이야기했어야하는데하지않았거나, 했어도언론이시제품이라는말을빼고전했기때문에대중들이오해를하고있다. 물론몇몇제품은시제품이아니라실제제품보다 더싸고더빠르게 3D 프린팅이가능한분야도있지만매우미미하다. 만약대중들이오해한것처럼 3D 프린팅이기존생산방식보다더싸고더빠르면빠르게실용화되었겠지만현실은그렇지않다. 이유는당연히 3D 프린팅방식이기존생산방식보다더싸지도더빠르지도않기때문이다. 3D 프린팅시장은오바마대통령이 2012년연두교서에서 3D 프린팅의중요성을언급한후매우빠른속도로성장해왔다. 이유는플라스틱시제품은 3D 프린팅이 더싸고더빠르게 만들수있는분야이므로빠르게생산현장에보급되었고, 얼리어답터를위한저가형의개인용프린팅시장이빠르게성장했기때문이다. 그러나 2016년현재는플라스틱시제품생산을위한 3D 프린터와개인용프린터의신규시장이위축되면서성장세도주춤할것으로예상된다. 플라스틱 3D 프린터시장이위축되는많은이유가있지만가장큰이유는현재플라스틱생산방법인사출보다생산성이현저하게떨어져생산에적용할수없고 3D 프린팅의장점을살린비즈니스모델의부재에기인한다. 그림 2. 독일정보통신기술분야 320 개업체대상설문자료원 : ARIS, BITKOM 3D 프린터에대한여러가지평가와예상속에서 3D 프린터가산업에미치는영향과 3D 프린팅산업은어떻 게전개될까? 많은자료중에서위그림에서나타낸것처럼독일정보통신기술분야의업체를대상으로한설 7 기계와재료 / 28 권제 1 호
[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 문조사가눈길을끈다. 3D 프린팅기술은대다수의의견처럼몇몇산업분야를강하게변화시킬수있는기술이다. 그러나이러한산업분야가어떤분야인지를찾아내는것이 3D 프린팅산업을육성하고산업화하는데무엇보다중요하다. 플라스틱제품의 90% 이상이생산성이우수한사출성형인반면, 금속제품은절삭, 주물, 성형등다양한방법으로제품이가공된다. 특히금속산업에서단가가높은부품은주로절삭가공에의해서제작되는데절삭가공은다른가공에비해서생산단가와시간이긴특징을가지고있어 3D 프린팅공정이경쟁가능한생산방식으로현재 3D 프린팅산업에서금속이주목받는이유이다. 이러한이유로아래그림과같이금속관련프린터시장비율이 2012년에전체 3D 프린팅시장의 5.9% 에서 2014년에는 20% 로급격하게성장하고있다. 그림 3. 3D 프린팅시장에서급속히성장하는금속 3D 프린팅 2. 금속 3D 프린팅상용화분야 그림 4. 3D 프린팅상용화조건 금속이나플라스틱, 바이오그외의모든재료를이용한 3D 프린팅이상용화되기위해서는기존의생산방식보다가격경쟁력, 생산속도, 품질에서장점을가져야한다. 금속 3D 프린팅은플라스틱과비교하면기존의생산방식도비교적높은생산단가와낮은생산성으로충분히경쟁이가능한분야이다. 그러나그보다금속 3D 프린팅이확실한장점을가지는부분은 품질 일수있다. 금속 3D 프린팅은정밀도가낮아후가공이거의필수적인공정인데품 8 기계와재료
금속 3D 프린터산업화방향 질부분이장점이라고이야기하는것은이해되지않을것이다. 현재의 3D 프린팅기술로는치수정밀도와표면조도가기존의절삭가공에비해서수십μm수준으로형편없다. 그런데도품질부분에서금속 3D 프린팅이장점을가진다고주장할수있는이유는 3D 프린팅공정의속성때문이다. 기존의절삭가공공정은외형가공만가능하지만 3D 프린팅공정은외형은물론내부에원하는형상프린팅이가능하다. 이러한공정의장점을이용하면기존의금속가공으로는제작이불가능한내부의구조물을가지는제품생산이가능하여기능적으로성능이우수한제품생산이가능하다. 내부의구조물을가져서성능이향상되는제품으로는플라스틱사출금형이있다. 플라스틱사출의경우생산시간에서 70% 가냉각에소요되는데사출금형내에 Conformal Cooling Channel이라는냉각을위한내부형상을만들면사출속도를획기적으로단축시킬수있다. 또한빠른냉각속도와더불어균일한냉각을통해대형사출물에서발생하는휨과같은변형을막아불량률을낮출수있다. 아래그림은단순한반구를제작할때기존냉각채널과 Conformal Cooling Channel의효과를비교한해석결과로 1시간당생산량이 288개에서 433개로 50% 상승하는결과를보여준다. 그림 5. Conformal Cooling Channel 효과 다른분야로는허니컴구조와같이높은강성의경량화구조물이다. 공작기계, 검사장비와같은생산장비의생산성을향상시키기위해서는고속이송이요구된다. 고속이송을위해서고출력의서보모터, 낮은마찰의안내기구, 고성능제어기등이요구되는데그중하나가이송부의경량화이다. 이송부는경량화가요구되기도하지만장비의정밀도를위해서고강성이요구되어이송부무게를줄이는데어려움을가지고있다. 하지만금속 3D 프린팅을이용하여내부구조를허니컴구조로제작하면기존강성을유지하면서무게는구조에따라서 50% 이상줄일수있다. 앞에서언급한것처럼현재의금속 3D 프린팅기술의치수와표면조도는수십μm수준으로프린팅장비에요구되는기계정밀도는높지않지만금속은플라스틱 3D 프린팅과달리재료와공정조건에따라서품질이현격히달라지는특징을가지고있다. 때문에금속 3D 프린팅은기계정밀도보다는재료에따르는공정조건이프린팅품질에더많은영향을준다. 3D 프린팅에는주로금속분말이사용되는데기존의제품조성과동일한분말이많이생산되고있으나 3D 프린팅에서발생하는급속가열과급속냉각을고려한조성에대한연구나재료개발은미미한상황이다. 이러한상황에서모든금속 3D 프린팅에사용되는재료를개발하는것은어려운일일뿐더러현실적으로불가능하고의미없는일이다. 금속 3D 프린팅상용화를위해서가장중요한일은 3D 프린팅공정을활용했을때기존가공 9 기계와재료 / 28 권제 1 호
[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 방법과비교하여성능에서현격한차이를가질수있는활용분야를찾는것이우선되어야한다. 금속 3D 프린팅의 3가지요소기술은장비, 재료, 공정이다. 그러나금속 3D 프린팅공정의상용화를위해서가장중요한것은 3D 프린팅공정의장점을최대한살릴수있는구체적활용분야를찾는것이다. 금속 3D 프린터는크게 DED(Directed Energy Deposition) 방식과 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로나눌수있다. DED 방법은집속된에너지빔으로용융풀을만들고여기에금속 Powder나 Wire를공급하여적층하는방식이고 PBF 방식은금속 Powder를얇게편 Layer에레이저를갈바노스캐너나, 전자빔을원하는위치에조사하여각 Layer마다 2차원프린팅을계속하여 3차원형상을얻는방법이다. 요구되는장비의정밀도나속도가기존의공작기계와비교하여낮은수준으로장비의기술적인이슈사항은작은편이다. 현재요구되는제품성능을구현하기위한장비의기술적인문제는없고, 재료도기존의금속분말을대부분생산가능하므로기술적인문제는없다. 이처럼제품구현에는장비나재료의기술적인문제점이없는데금속 3D 프린팅상용화가더딘이유는경제적인문제가해결되지않기때문이다. 즉더싸거나더빠르게프린팅이되어야하는데현재보다수십배빠른적층속도나정밀도가요구된다면이것은신공정이개발되어야가능한부분으로현재활용되고있는기술로는한계점을가지고있다. 현재의공정기술에서요구하는요소기술수준은높은편이아니어서선진국과의기술격차가그리크지않다. 새로운금속 3D 프린팅방법이연구되고있으나이것은원천기술개발에가까운연구이며아직은신공정에대한연구결과가세계적으로도뚜렷하지않은상황이다. 현재기술을활용하여상용화하기위해서는금속 3D 프린팅기술의장점으로기존가공방법에비해성능이우수해지는활용분야를찾는것이무엇보다중요하다. 너무나당연한이야기처럼들리지만현재 3D 프린팅관련연구는그렇지못한것같다. 예를들면연구과제가 플라스틱사출금형을위한 DED 프린팅기술개발 이정도수준으로기획된다. 다른연구분야라면충분히구체성을가지는연구기획이지만금속 3D 프린팅과제라면 생산성 % 향상을위한선풍기날개사출금형제작을위한 DED 프린팅기술개발 정도로품목까지고려하여기획되어야한다. 물론기획에단순히품목을지정했다는데의미가있는것이아니라 3D 프린팅으로금형이제작되었을때기존금형대비가격및시간을비교하고만약가격과시간이상승된다면사출속도에서몇 % 나향상되었을때경제성이있는지등이사전에검토되어금속 3D 프린팅을활용한경우확실한경제적인우위를가지는분야를찾아내는것이기술개발에비해서더욱중요하다. 대체적으로금속 3D 프린팅공정은기존의가공공정에비해서가격과시간이상승하는것이보통으로이러한가격과시간적인상승을내부구조물제작으로성능향상을통해경제적으로우수한분야를찾아내야만상용화가가능하다. 3. PBF 프린터 그림 6은 PBF 공정을나타낸다. 얇게편금속 Powder에갈바노스캐너를이용하여고출력레이저를조사하는사진이다. PBF 공정은 DED 공정과비교하면복잡한형상제작이가능한장점을가지고있으나기존부품에덧붙여가공하는것은현재로는어려운작업이다. 에너지원으로는레이저나전자빔을사용하는데레이저를사용할경우에는갈바노스캐너를사용하여레이저경로를제어하고전자빔의경우에는코일로구성된편향렌즈를사용하여전자빔을움직인다. 활용분야가다양해지고있으며특히대형부품에서 3D 프린팅이장점을가지게되어대형화가진행되고있다. 전자빔의경우에는진공챔버가요구되어장비가격이급격히상승하므로대형화에제약조건을가지고있다. 그러나진공챔버에서공정이이루어지므로프린팅공정에서산소에의한산화가원천적으로발생하지않아임플란트에많이활용되는티타늄 Powder 사용에서는장점을가진다. 대형화되면필연적으로프린팅속도가문제되는데이를해결하기위해서레이저를에너지원으로사용하는장비에서는멀티레이저화로생산속도를높이고있다. 또한 PBF 이후공정인 Powder 10 기계와재료
금속 3D 프린터산업화방향 그림 6. PBF 공정사진 그림 7. PBF 프린터의기술개발방향 제거작업, Powder 회수, 세척, 후가공등의공정을모듈화하여 PBF 프린팅공정의확장및재배치가용이하도록시 스템화하고있다. 그림 8. 갈바노스캐너와폴리곤스캐너를복합한 PBF 프린터원리 위그림은앞에서설명한 PBF 장비의발전방향인대형화와멀티레이저화를위해서한국기계연구원에서개발하 고있는갈바노스캐너와폴리곤스캐너를복합한 PBF 프린터의원리를나타내고있다. 기존장비는갈바노스캐너 만활용하는경우가대부분으로그림에서보는것처럼경사빔을사용하게되는데프린팅영역이확대되면서중심 11 기계와재료 / 28 권제 1 호
[ 특집 : 3D 프린팅과소재 ] 과외곽의경로차에의해서레이저빔의스팟크기가달라져정밀도가낮아지는원인이되고무한정프린팅영역을확대할수없는원인이된다. 이러한단점을보완하기위해서텔레센트릭렌즈를삽입하여경사빔을모두수직빔으로변경하면정밀도를향상시킬수있지만프린팅영역은더욱작아진다. 이러한단점을보완하기위해서보통은고정된갈바노스캐너를 X-Y로이송할수있도록시스템을구성하였다. 이경우 X-Y 이송기구에서발생하는기계적인오차를갈바노스캐너가실시간으로보상하는구조를가진다. 이렇게시스템을구성하면높은정밀도를가지고넓은면적을프린팅할수있지만프린팅속도가현저히감소한다. 이점을보완하기위해서갈바노스캐너는형상정밀도를좌우하는외곽만프린팅하고내부는고속의폴리곤스캐너에의해서프린팅하는기법을활용하여정밀도, 넓은프린팅영역, 프린팅속도를만족시킨다. PBF 프린팅은원리적으로자유롭고복잡형상프린팅이가능하므로산업전반에활용될수있지만앞에서언급한것처럼상용화를위해서는기존생산방식보다경쟁력있는분야를찾아적용하는것이중요하다. 프린팅공정은공정특성상재료가난삭재이고형상이복잡한고부가가치제품이유리하다. 이러한부품으로는항공기부품, 발전소부품, 임플란트등이있다. 항공기부품과발전소부품은국내의기술이선진국과기술격차가큰분야로초기시장진입이어려운분야이다. 임플란트는사회가고령화되면서시장이빠르게성장하고있는분야이며의료산업은국내의기반기술수준이높은편으로금속 3D 프린팅상용화에적합한시장이다. 그림 9. 인공관절부품시장규모 4. DED 프린터 DED 장비는 PBF 장비에비해서복잡한형상프린팅이상대적으로어려워형상에대한제약을가지고있어현재금속 3D 프린팅시장은주로 PBF에의해서주도되고있으나 PBF에서현재는어려운기존제품에덧붙이는가공이가능하고여러가지분말을동시에활용하여실시간으로합금을제작하거나다른재질을사용할수있는장점을가진다. 이러한장점을최대한적용할수있는부분이앞에서설명한 Conformal Cooling Channel을가지는플라스틱사출금형이다. 특히대형사출금형의경우 PBF에서는불가능한크기와기존의절삭방법과의혼합생산방식으로경쟁력을가질수있다. 특히기존절삭가공과혼합생산을위해서는사용자의편이성증대를위해서자동초점기능이중요하다. 자동초점기능은공작물의높이를측정하여프린팅되는공작물표면에프린터에너지원인레이저의초점이위치하도록높이를제어하는기술이다. 이기술은사용자의편이성과프린팅의성능을높인다. 특히 DED Head의경량화가이루어지면위치정밀도는낮지만자유도가높은로봇에장착하여대형부품의개보수나기존공작기계와 12 기계와재료
금속 3D 프린터산업화방향 그림 10. 자동초점이가능한 DED Head 와이를장착한로봇개발 혼합가공이가능하여활용분야가대폭확대될것이다. 자동초점기능이없는현재는기존의부품에 3D 프린팅을하기위해서 3차원의정확한정보와정확한 Setup이요구된다. 이러한프린팅이전의사전공정은많은시간, 노력, 비용이발생하여 3D 프린팅상용화에커다란걸림돌이된다. DED 방식의기술적인과제는기존절삭가공과달리 Head의속도가느려지면적층량이많아지는문제점을가진다는것이다. 절삭가공은 Head의속도가느려져도보통은생산속도에영향을줄뿐가공품질에는큰영향이없지만 DED 프린팅공정에서는불균일한적층량으로프린팅품질을저해하는요인이된다. 이러한문제점을해결하기위해서레이저의파워를조절하거나 Head 경로를변경하는방법을사용하고있으나완벽하게해결되지않고있다. 이를위해분말량을제어하려는시도가국내연구진에의해서시도되고있다. 5. 결론 3D 프린팅이단순한형상을보던활용분야에서기능성부품제작으로영역을확대하려고노력하고있으며특히금속 3D 프린팅이대부분기능성부품제작에활용되고있다. 현재금속 3D 프린팅기술은요구하는형상제작에는큰문제점은없으나기존생산방식과시간과비용을고려한경제적인측면에서장점을가지지못해산업화에어려움을가지고있다. 그러나 Conformal Cooling Channel을가지는대형금형이나임플란트와같이몇몇분야에서는금속 3D 프린팅기술이기존제조방식에비해서월등한강점을가진다. 금속 3D 프린팅산업은산업화를위해기술개발이전에경제성분석을기반으로 3D 프린팅이강점을가지는부품발굴이우선이며중요하다. 이창우 한국기계연구원금속 3D 프린팅융합연구단책임연구원 관심분야 : 금속 3D 프린팅장비및공정기술, 반도체후공정장비, 초정밀측정 E-mail : lcwlej@kimm.re.kr 13 기계와재료 / 28 권제 1 호