MACHINERY
SPECIAL THEME
 
홈으로이메일사이트맵
 
M&T MAGAZINE
국내외 기계산업 및 최신 기술의 동향과 발전방향을 심층적으로 진단한다
HOME > 월간MACHINERY > SPECIAL THEME

그 기업엔 무언가 특별한 것이 있다.

 

소재공정 스마트 플랫폼 구축을 위하여 (1) : 적층제조에서 소재의 문제들

재료연구소(KIMS)가 4차산업혁명에서 요구하는 소재를 개발, 적용하는 재료공정기술의 혁신에 나섰다. 재료공정기술 혁신의 핵심은 시장의 요구에 대응하는 소재공정 생태계를 조성하는 일로, 소재공정 스마트 플랫폼을 구축하는 것이 목표다. 모든 산업에서 요구하는 소재들이 최적화한 상태로 결집한 플랫폼을 의미한다. 각 산업은 이 플랫폼에서 필요 소재를 챙겨 제품화의 길로 바로 출발할 수 있다. 재료연구소는 이 플랫폼 구축 방안을 마련하기 위해 첫 단계로 지난 1월 31일 ‘스마트 재료공정 심포지엄’을 열었다.

이 심포지엄에서 재료연구소 이정환 소장은 소재공정 스마트 플랫폼 개념을 ‘전 산업에서 요구하는 소재와 이의 제품화 공정기술까지 제공되는 출발역’으로 정의했다. 이로 미루어 소재공정 스마트 플랫폼은 전 산업이 요구하는 재료의 최적 집합체로 누구든, 어떤 제품을 만들든 여기서 필요한 소재를 꺼내 출발할 수 있는 플랫폼을 구축한다는데 목표를 두고 있는 것으로 해석할 수 있다.

글/ 신동완 기자

 

소재공정 스마트 플랫폼 개념…“유기적 생태계의 중심”

재료연구소가 소재공정 플랫폼 구축 방안을 마련하기 위해 첫 단계로 지난 1월 31일 ‘스마트 재료공정 심포지엄’을 열었다.

재료연구소 이영선 재료공정혁신본부 본부장은 심포지엄의 개회사를 통해 “제조업 경쟁력 강화 방안을 마련하고 이를 실현하기 위해서는 재료공정기술의 진정한 혁신이 필요하며, 혁신은 4차 산업혁명을 주도하는 스마트기술을 이용하여 소재공정 스마트 플랫폼을 구축하는 것”이라고 말했다. 

재료연구소 이정환 소장은 인사말에서 “소재공정의 스마트 플랫폼은 전 산업에서 요구하는 소재와 이의 제품화 공정기술까지 제공되는 출발역이 되어야 한다”고 말하고 “이를 위해서 소재공정기술은 융합기술이어야 하고 유연하며 확장성이 있어야 한다”고 강조했다.  

이정환 소장은 “재료공정의 스마트화란 유연하고 지능화한 혁신제품에 크게 영향력을 행사하는 소재공정기술을 말한다”고 했다. 이 소장은 이제 소재연구들은 다각화하고 융합을 이루어 어떤 요구에도 대응하는 기술이어야 한다고 강조했다. 이 소장은 스마트 재료공정이 갖춰야 할 조건으로 ▲점점 분산되고 유연한 디지털 산업화에 부응할 것 ▲시장의 요구, 즉 제품화 요구에 실시간 대응하는 공정기술을 갖출 것 ▲명확한 산업경계가 없어진 환경에 맞춰 융합하고 다른 기술들을 접목할 것 ▲강력한 네트워크를 중심으로 디지털 시대의 새로운 생태계의 일원이 될 것 등을 들었다.

이 소장은 “그간 재료연구와 관련하여 시장 요구에 대응방안을 마련하자는 많은 심포지엄이 열렸지만, 오늘 열리는 심포지엄은 소재가 새로운 산업 생태계를 형성하는데 스마트기술로 무장하여 그 중심에 서는 방안을 모색하는 자리”라고 말했다.

재료공정의 스마트화는 기술적으로는 4차산업혁명이 주도하는 스마트화를 지향하고, 가치상으로는 산업을 아우르며 사회적 가치를 실현하는데 출발선이 되어 어느 행선지든 필요한 소재를 꺼내 출발할 수 있는 플랫폼이 될 것이라는 의미다.

이날 열린 스마트 재료공정 심포지엄은 전 산업이 요구하는 재료의 최적 집합체가 될 스마트 플랫폼을 구축하기 위한 방향성을 가늠할 수 있는 자리였다. 심포지엄은 3D 프린팅 기술과 스마트 제조기술을 다뤘다. 3D 프린팅 기술은 고가에다 제한적인 금속 분말소재에 대해 소재의 이슈, 동향과 문제점을 짚어낸 발표가 있었고, 제조산업에서 이 기술의 적용 확대 가능성도 전망했다. 또 이에 맞춰 소재와 공정기술 개발 방향성도 제시됐다.

스마트 제조기술은 재료의 제품화 과정에서 이상을 검출할 수 있는 방안으로 4차산업혁명의 핵심 기술인 AR기술을 이용하는 방안이 사례로 제시됐다. 또 적층제조가 감당하지 못하는 대면적 소재의 유연생산 기술, 장비개발 사례도 소개됐다.

 

3D 프린팅용 금속분말 소재 제조기술 동향

“적층제조는 기존 제조업 패러다임을 바꿀 혁신적 기술이지만, 현재 이 분야 기술적 이슈는 분말 소재가 제한적이고 비싸 소재의 개발과 상용성에 모아지고 있다.” 재료연구소 유지훈 책임연구원은 3D 프린팅용 소재는 장비업체가 독점적으로 비싸게 공급하는 실정이어서 적층제조 적용의 가장 큰 문제로 거론된다고 말했다. 

유지훈 연구원은 3D 프린팅의 핵심기술을 장비, 모델링, 소재로 볼 때, 장비는 유럽과 미국을 중심으로 상업화에 들어서고 핵심 특허도 만료됨으로써 새로운 장비 제조사들이 등장하여 가격도 안정되어 간다고 설명했다. 국내에서도 금속 3D 프린터 업체들이 이미 시장에 진입한 상태다. 제품의 설계와 해석기술도 해외에서는 보편화 되어 있고, 국내에서도 이에 못 미치지만 FEM 등 해석 관련 기반기술을 경험하고 있는 수준이다.

문제는 금속분말 소재다. 국내외 할 것 없이 연구개발 단계가 장비나 S/W에 비해 낮은 수준이고, 장비가 특허 만료된 상태를 만회하려는 듯 소재부터 출력에 이르는 공정기술로 장벽을 치고 있다. 장비업체는 소재 사용에 대해 엄격히 제한한다. 바코드 인식 시스템으로 자사 공급 소재가 아니면 장비구동을 할 수 없게 하고, 투입량과 배출량을 엄격히 규제한다. 유 연구원은 “재료 선택의 유연성이 장비 선정의 주요 기준인 실정”이라고 했다.

소재가 얼마나 비싼지, 유 연구원이 제시한 자료를 인용한다. SUS316L 분말의 사출성형용은 킬로그램당 25,000원인데 비해 3D 프린팅용은 250,000원이다. 타이타늄은 킬로그램당 450달러. 3D 프린팅용 금속 분말 소재가격은 종류에 따라 킬로그램당 20만원에서 200만원이다. 미국 3D시스템즈 사는 2013년부터 전체 매출 중 소재비중이 50%를 넘어선 것으로 소개됐다.

2028년 3D 프린팅 세계시장 규모에서 소재가 전체 시장의 90%를 차지할 것이라는 예상도 있다. 유 연구원이 인용한 IDTechEX의 2018년 자료 ‘금속 3D 프린팅 2018~2028년 세계시장 규모’를 보면 2018년도 장비+소재 합계(장비 11억 달러, 소재 17억 달러) 28억 달러 중 소재시장 규모는 50% 이상으로 17억 달러 시장을 형성했다. 소재 시장은 2028년 장비와 소재시장 합계 세계시장 124억 달러 중 90%를 차지하는 108억 달러로 예상한다. 금속분말 소재 세계시장은 연평균 21% 성장하는 추세다. 소재별로는 타이타늄 시장이 가장 크다. 

3D 프린팅용 금속 소재의 문제점과 개발의 필요성 

소재의 제한성과 가격에 따른 수급문제는 말할 것도 없이 다양한 소재의 연구개발 필요성을 제기한다. 유 연구원은 “분말 소재의 저비용 제조기술, 다양한 다원계 합금분말 소재가 개발되어 수요자 요구에 맞춤형으로 공급되어야 한다”고 말한다. 덧붙여 제한적이고 비싼 소재문제 때문에 유저들 스스로 소재를 만들어 쓸 수 있는 상황도 아니라는 것이다. 금속 적층제조가 시제품 조형을 넘어 상용제품을 만드는 단계에 접어든 만큼 물성을 담보한 연구개발은 사용자 능력을 넘어서기 때문이다. 

금속 3D 프린팅용 분말 공급업체는 Hoeganaes(스웨덴), Sandvik-Osprey(영국), LPW Tech(영국), Carpenter Powder Products(미국), AP&C(캐나다) 등이 있다. 유 연구원은 “그러나 현재 상용하는 금속 3D 프린팅용 소재는 공급업체가 소수라는 점 외에도 기술적으로 여러 문제를 안고 있다”고 지적했다. 유연구원이 지적한 기존 소재의 기술적 제한을 옮겨 적는다.

Fe합금은 다원계 합금 조성이 필요한데다 저비용으로 대량생산하지 못하고 있다. Al합금은 고반사율·고열전도도, 산화 문제를 갖고 있다. 알루미늄의 열전도도를 어떻게 제어할 것인지 등의 기술이 부재하여 한계를 보인다는 것이다. Mg합금은 낮은 비등점에 따른 증발, 폭발적 산화 문제를, Ti합금은 고융점에 따른 분말제조가 어렵고 산화의 문제가 있다. Ni/Co합금은 저점도에 따른 분말 내부에 기포가 발생하고 낮은 치밀화도가 문제다. 고융점 금속도 융점이 높아 분말로 제조하기가 어렵고 인성이 낮아 조형 시 크랙이 발생한다는 문제점을 갖고 있다. 세라믹은 낮은 분말 충진율에 따른 밀도의 저하, 후속으로 소결 치밀화 공정이 필요하다는 단점이 있다.

유 연구원은 현재 상용하는 금속 3D 프린팅용 소재들이 이러한 기술적 한계를 갖고 있어 3D 프린팅 공정에 최적화한 분말소재 개발이 금속적층 기술 분야의 선결조건이라고 강조했다. “조형공정에 따른 분말 특성을 제어하는 기술, 조형공정 시스템의 최적화, 최적의 후처리공정을 개발하여 제조가공산업에 적용하고 확대시켜야 한다”는 것이다.

국내 3D 프린팅용 금속분말 연구개발 동향과 성과들

이어 유 연구원은 재료연구소의 3D 프린팅용 금속분말 연구개발 성과들도 소개했다. 재료연구소는 “소재를 제조하는 공정은 소재의 가격과 밀접한 연관이 있기 때문에 공정개발이 중요하다”는 전제를 달고 분말소재를 연구개발하고 있다는 설명이다. 재료연구소의 금속분말 소재 제조공정은 가스분사 공정(Gas Atomizing)이 주를 이룬다. 가스 분사는 소재 제조공정에서 주요 변수를 제어할 수 있다. 노즐 디자인, 가스 종류, 가스 압력, 용탕 온도, 용탕 노즐 크기, 상 챔버 가압 등 공정변수들이 포함된다. 제조한 소재를 조형한 후 조형체의 물성을 향상시키기 위해 맞춤형 후처리 공정기술도 개발하여 성과를 냈다. Hot Isostatic Press(HIP)를 이용하여 2차 치밀화 공정을 거친다. 조형체를 열처리하는 것인데, 조형체 물성이 크게 향상된다는 소개다.

재료연구소는 타이타늄 합금도 아토마이징과 플라즈마 구상화를 통해 고순도 분말을 개발했다. 타이타늄은 수소화가 매우 잘 돼 탈수소화가 필요하다. 타이타늄은 입자가 미세하게 잘 나오지만 기공이 많아 밀도에 문제가 있다. 재료연구소는 구상화 장비를 갖추고 각형 타이타늄 분말을 플라즈마 처리하여 3D 프린팅용 구형의 고순도 분말을 제조한다.

재료연구소는 이밖에도 가스 아토마이징 공정으로 금형강 파우더, Al-Si 파우더, Ti 파우더, Fe-Ni 파우더, SUS316L 파우더, Sn 파우더 등을 개발했다. 이 중에서도 개발한 3D 프린팅용 금형강 분말은 기존 상용 분말소재와 열전도도, 경도 등에서 거의 유사한 특성을 보였다. 재료연구소가 금형강 분말을 설계하면서 열전도 특성을 제어하여 합금을 설계한 결과 상용 분말보다 30% 열전도도가 높게 나오는 등 합금성이 양호한 것으로 나타났다. 개발을 위해 설계한 금형강 분말은 잘 깨지는 고합금강 소재의 특성을 고려하여 크랙 제어에 집중하여 적층부 크랙을 없애는데 성공했다.

유 연구원은 재료연구소가 3D 프린팅 테스트 베드센터를 운용하면서 여기에 금속분말 제조용 Gas Atomizer 4세트와 구상화 장비, 플라즈마 처리 시스템, 진공로, Hot Isostatic Press, 제트밀 등의 장비를 갖추고 있다고 소개했다. 금속 3D 프린터도 PBF, DED 타입의 국내외 장비와 X ray 마이크로 CT까지 구비했다고 소개했다.  

 

마그네슘의 적층제조에서 소재의 문제

산업용 금속 3D 프린터를 제조하는 대건테크의 김우종 부장은 국내에서 처음으로 마그네슘 3D 프린터를 개발하여 제품을 양산한 사례를 발표했다.

마그네슘 적층 제조의 묘미는 마그네슘이라는 경량소재에 3D 프린팅의 최대 강점인 설계 자유도를 더해 경량소재의 경량구조 부품을 만들 수 있다는 데 있다.

하지만 마그네슘 적층제조에는 몇 가지 어려움이 따른다. 먼저 마그네슘 적층 시도는 다른 소재에 비해 활발하지 않다. 마그네슘은 경량소재로서 수송기기 부품 등에 적용이 확대되는 중이지만 적층방식 사례는 국내에서 찾기 어렵다. 적층 제조용 마그네슘 분말은 전략물질로 수입이 제한되어 있어 수급 상의 문제가 있다. 상용화한 적층제조용 마그네슘 분말은 소량만 구입이 가능하다. 마그네슘은 또 발화, 폭발 위험이 있어 산화 분위기 및 수분을 억제하는 처리기술이 따라야 하는 불편함도 있다. 특히 소재기술로는 강도가 떨어지는 문제가 있는데, 소재의 레이저 용융 시 녹지 않는 부분에는 기공이 발생하고 이 부분 강도가 저하한다.

김우종 부장은 “우리의 마그네슘 적층제조 장비는 까다로운 마그네슘 적층제조 조건을 대부분 잡았다”고 소개했다. 방폭을 집중 연구하여 안전한 장비를 개발했다는 것, 마그네슘 적층 시 발생하는 흄을 저감한 구조라는 점, 기공발생을 제어하는 기술을 채택했다는 설명이다.

대건테크는 국내에서 처음으로 마그네슘 합금(AZ91) 소재를 격자구조로 출력하는데 성공한데 이어 마그네슘 합금으로 이어폰 하우징도 적층제조했다. 현재는 항공기 부품의 마그네슘 적층기술을 개발하는 중이다. 

김우종 부장은 “마그네슘 적층기술의 적용 유망제품은 의료분야의 마그네슘 스텐트”라고 했다. 마그네슘을 이용하는 스텐트는 심혈관 질환 치료용 최첨단 의료기기로, 2016년 사용 인증 후 심혈관 시술에 사용되고 있는데, 적용이 확대되고 있다. 이 의료기기는 가공이 매우 어려워 적층기술로 생산할 경우 생산성 향상을 기대할 수 있다. 

KAI의 적층제조 공급망 전망…3D 프린팅을 이용한 항공부품 수요 동향

KAI(한국항공우주산업)의 정유인 팀장은 카이는 항공부품의 적층제조 계획을 밝혔다. 정 팀장은 뛰어난 설계자유도 특성 때문에 적층제조에 의존할 수밖에 없는 일부 부품의 적층제조 실효성을 GE와 검토한 내용도 발표했다. KAI와 GE의 워크숍은 일반적으로 상정할 수 있는 소재비용, 소재 재활용성, 조형성 등의 측면에서 이루어졌는데, 대상 부품은 에어덕트 인렛, 에어덕트 아웃렛 등이었다고 밝혔다.

정 팀장은 카이는 에어덕트 아웃렛은 4개 부품을 1개 부품으로 일체화 하는 적층제조 검토와 T-Way Fitting을 알루미늄에서 타이타늄으로 바꿔 적층제조하는 방안, 쿨링 에어덕트 17개 부품을 2개 부품으로 적층제조하는 방안들을 모색하고 GE와 워크숍을 통해 경쟁력 유무를 살펴봤다고 밝혔다.

특히 정 팀장은 “카이는 적층제조를 적용할 부품이 결정된다 하더라도 카이가 직접 부품을 생산하지 않는다는 것이 회사의 방침”이라며, “서플라이 체인을 활용한 협력 공급업체를 선정하여 체계적으로 수요할 것”이라고 밝혔다. 또 협력업체 선정 기준도 크게 완화되어 ‘3D 프린팅 장비를 보유한 웬만한 업체’는 공급업체의 기준에 들 것임을 시사했다.

정 팀장은 “중요한 것은 코드 혹은 스펙, 또는 사양서 등 다양한 용어로 부르고 있는 조건들이 제시되는데, 우리는 이를 Specification이라 하고, 이를 만족하는 자료를 우리에게 제출해야 제품이 납품된다”고 했다.

 

이 자료는 크게 4가지 조건이 제시된 요구서로 우선 문서로 작성되어야 한다. 4가지 조건을 만족하는 문서를 카이에 제출해야 한다. 정 팀장이 설명한 대략적인 카이의 Specification을 소개한다. 

▲ 첫 번째가 파우더 생산 정보 즉, Powder Producer에 관한 것이다. 여기에는 파우더 제조사에 관한 카이의 품질 요구정보가 있는데, 파우더 품질, 생산공정 스펙 등을 만족한다는 문서를 제출해야한다. 기본적으로 인증(품질 보증)과 카이가 중시하는 Process Control Documentation(PCD)이라는 문서를 제출해야 한다. 즉 원소재부터 파우더를 만들어 품질을 보증하기까지 일련의 공정을 문서화하고 이 문서와 현장의 제조공정이 부합하는 증빙 자료도 제출해야 한다.

또 파우더 물성에 영향을 미치는 요소들이 정의돼야 한다. 여기에는 Melting Process Environment 등이 포함된다. 카이는 이 자료를 가지고 오디션을 한다.

▲ 두 번째는 Powder 자체에 관한 자료가 제시되어야한다. 대표적인 요구사항은 Chemical Composition, Powder Production, Particle Size Distribution 등이다. Powder Production에는 멜팅 조건이 포함되고, 중시해야 할 것은 Particle Size Distribution이다. 이 조건은 파우더가 지속적이고 안정적으로 조형된다는 데이터 등을 말한다. 정 팀장은 “이 외에도 제출할 자료들이 많은데, 카이는 공급을 희망하는 업체가 있으면 업체를 방문하여 이 조건들을 상세히 설명할 수 있다”고 설명했다.

▲ 세 번째는 적층제조 공정(AM Process)이다. 이 항목은 파우더를 사서 부품을 조형하는 업체의 품질에 관한 것이다. 역시 Process Control Documentation이 제출돼야 하고, 장비의 조건 승인에 관한 것, 조형 공정 조건이 제출돼야 한다.

▲ 네 번째는 조형 제품(AM Parts)에 관한 요구 항목이다. Chemical Composition, 조형 조건, 부품 조형공정, 적층 이후의 후가공 등에 관해 기술하고 문서로 제출해야 한다.

정 팀장은 “이들 조건이 충족되는 업체에 한해 올해 안에 3D 프린팅 파트의 서플라이를 확보하여 부품을 생산하려 한다”고 밝혔다.