금속 소재 개발 및 기능성 코팅을 위한 3D 프린팅 기술
2020-11-25
org.kosen.entty.User@79ac37a7
최창환(chchoi)
최근 적층가공 (Additive Manufacturing or AM)이라고도 불리는 3D 프린팅 기술을 통하여, 합금의 가공성 및 가공 기술의 제한 뿐만 아니라 합금의 부식 및 기계적 성질의 제한 등을 극복하고자 하는 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 또한 3D 프린팅을 통하여 새로운 금속 소재 개발 및 기능성 코팅을 구현하려는 연구도 활발히 진행되고 있다. 하지만 이에 적합한 현재 개발된 3D 프린팅 제조 공정이 아직까지는 미비한 실정이다. 이에 본 리포트는 새로운 금속 소재 개발 및 기능성 코팅을 위한 3D 프린팅 기술을 정리하고 시장 규모 및 전망, 특허 및 기술 동향, 그리고 미래 요소 기술들에 대해 논의하고자 한다.
1. 기술개요
1.1. 3D 프린팅 기술
최근 많은 주목을 받고 있는 4차 산업혁명은 자동화와 연결성이 극대화되는 산업환경으로의 변화를 야기한다. 3차 산업혁명으로 발달된 정보화 네트워크와 지식 정보들은 4차 산업혁명에서 기하급수적으로 대량생산 되고, 이는 단지 정보에 그치지 않고 디지털 연결성과 실재와 가상의 통합을 통해 현실 세계와 밀접한 연결성을 나타내고 있다. 4차산업의 대표 산업 중 하나인 3D 프린팅 기술은 가상의 정보를 실제화 하여 디지털 연결성을 극대화하고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술의 최대 장점은 기존의 제조공정과는 다르게 금형이나 생산설비가 필요 없으므로 맞춤형 제품을 합리적인 가격으로 제작 및 공급이 가능하며, 제작할 수 있는 제품의 형상적 자유도가 높고 사용자 친화적인 제작이 가능하여 시장에서의 관심과 잠재력이 매우 크다. 과거 프로토타입 제작에 국한되게 사용되었던 산업용 적층제조 기술은 최근 마이크로 펙토리나 스마트 팩토리와 결합하여 대량생산 보다는 다품종 소량생산에 초점을 맞춰 다양한 제품생산에 널리 사용되며 한층 고도화된 산업적 적용을 보여주고 있다. 금속소재를 이용한 3D 프린팅 기술은 기능성 금속부품, 전기전자 회로 및 부품, 의료용품, 금형 등 산업 전반에 걸쳐 큰 수요를 형성하고 있으며, 금속을 비롯한 주요 선진국과 글로벌 기업에서는 적층 가공기술과 연관된 장비 및 소재개발 등 산업육성정책 및 전략을 강화하여 국가적 차원의 투자를 급속히 확대하고 있다. ASTM (American Society for Testing and Materials)에서는 3D 프린팅 기술을 다음과 같이 대표적 7개의 그룹으로 분류하고 있다 [1]: binding jetting, directed energy deposition, material extrusion, material jetting, powder bed fusion, sheet lamination, vat photopolymerization. 이러한 3D 프린팅 기술들은 적층하는 소재에 따라 열원이 달라지고 보다 세분화 될 수 있다 [2-4].
1.2. 새로운 금속 소재 개발 및 DED 기술을 이용한 기능성 코팅
위에 언급한 금속 3D 프린팅 기술 중 하나인 Direct Energy Deposition (DED)은 분말 또는 와이어 형태의 금속을 이용한 적층 기술로써, 기본적으로 material extrusion과 유사하지만, 노즐이 특정 축에 고정되지 않고 여러 방향으로 이동할 수 있다. 그림 1는 금속 분말을 이용한 DED 기술의 개념도를 보여준다. 분말 공급 방식의 DED 공정에서는 레이저 (laser beam)가 모재 (substrate)에 부분적으로 조사되며, 레이저로 조사된 모재에는 부분적으로 용융 된 용융풀 (melting pool)이 형성된다. 이때, 분말 또는 와이어 형태의 금속재료는 용융 풀에 공급되고 금속재료는 공급과 동시에 용융되어 모재와 부분적으로 융합되어 단일 비드가 증착하게 된다. DED 공정에서는 그림 2와 같이 이러한 단일 비드를 중복적으로 적층하여 단면을 적층하고, 단면 적층을 연속적으로 쌓아 올림으로써 입체적 형태의 구조물을 제조하게 된다. DED 기술은 치밀한 조직과 우수한 기계적 물설을 확보하여 고기능성의 부품 제작을 가능하게 하는 장점이 있으며 [5-7], 보수나 새로운 소재를 기존의 부품에 코팅할 때 사용될 수도 있다.
최근에는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속 부품의 표면에 이종 소재를 코팅함으로써 기능성을 부여하는 기술 개발이 관심을 받고 있다. 이에 DED 기술을 이용한 표면 코팅 기술은 기존의 금속소재 강화방법인 열처리, 코팅 기술과 비교해 제조비용과 제조시간이 낮고, 다양한 형상에 대한 적용성이 용이함과 동시에 소재의 수명을 향상 시키는 장점이 있다. 이에 많은 연구기관과 업체들에서 하드페이싱, 표면개질, 보수 등과 관련된 연구들을 수행하고 있지만, 산업현장에서의 그 활용이 극히 제한적인 실정이며, 국내 (한국) 기능성 금속소재의 제조 기술은 대부분 해외 기술에 의존하고 있다.
2. 시장규모 및 전망
미국의 정보기술 연구 및 자문회사인 가트너에 의해 개발된 기술의 성숙도를 표현하는 하이프 사이클 (hype cycle)에 의하면 3D 프린팅 기술은 거품 제거 및 재 조명기 (slope of enlightenment)에 위치하고 소비자 시장은 5~10년, 기업 시장은 2~5년 이내에 주류기술로 편입할 것이라고 예측하고 있다 [8]. 적층가공분야에서 최고 권위를 자랑하는 Wohlers Report에 따르면, 3D 프린팅 시장은 2017년 21%의 성장률을 보였으며, 이중 금속 3D 프린터의 판매량은 2016년대비 80% 성장률을 보였다. 또한, 2016년 60억 6400만 달러 (약 7조원)에 이르던 3D 프린팅 시장의 규모가 2022년에는 약 30조원까지 성장할 것으로 내다보고 있다 [9]. 최근 GE와 HP 같은 대기업들은 기존의 3D 프린터 업체와의 인수합병을 통해 3D 프린터 시장에 진출함과 동시에 프린터 제조, 판매, 프린팅 서비스 영역까지 그 사업영역을 넓히고 있으며, STRASYS와 3D systems등 기존의 3D 프린팅 업체들은 라인업 확장 및 기술개발에 열을 올리고 있다 [10]. 또한, SIMENS와 같은 회사들이 제품개발을 위해 금속 3D 프린터를 사용하여 제품개발을 사용하는 사례가 증가하고 있다. 그림 4는 적층 제조로 최종 부품생산에 대한 지출 증가에 대한 전세계 추세를 보여주고 있다. 최근 제조회사들은 수요가 적은 예비부품의 생산 원가와 재고관리 비용을 줄이고, 신속성과 유연성을 늘리기 위하여, 내부적으로 수요 예측이 어려운 예비부품을 3D 프린터를 활용하여 온 디멘드 (on-demand) 형식으로 제조하는 방안을 검토하고 있는 추세이다 [10].
3. 기술 동향
3.1. DED 기술동향
DED를 활용한 금속적층제조 산업은 현재까지는 주로 장비기술의 발전이 산업의 발전을 주도하여 왔으며 대부분의 장비기술은 EOS, Concept Laser, Trumpf 등 구미기업들에 의해 선도되어왔다. 후발주자이지만 현재 국내업체 역시 많은 발전을 이루고 있다. 금속 적층 기술은 고가의 장비와 소재기술을 필요로 하기 때문에 주로 의료산업, 항공산업의 초고부가가치 부품들에 초점이 맞추어져 산업이 발전하여 왔으나, 소재기술과 장비기술이 점차 발전함에 따라 점점 금형분야, 발전분야, 상용차 분야 등 일반산업분야의 적용이 늘어나고 있는 추세이다.
해외의 금속소재 적층기술의 상용화는 국내보다 약 10년 정도 앞서 진행되었으며, 1992년 미국의 DTM사가 SLS공정기술을 개발할 이후 직접식 금속쾌속가공/생산 기술이 10개 이상 개발되어 산업에 적용되었으며, 독일 기업들이 우수한 레이저 기술을 바탕으로 DMLS 및 SLM기술과 관련하여 세계시장의 약 40%를 점유하고 있는 실정이다. 국내의 적층기술은 고가의 레이저 용융 적층 장비와 적층 기술에 대한 연구의 제한으로 관련 연구 속도가 국외 기술과 상당한 격차를 보이고 있으나, 금속적층 기술을 이용한 금속제품 및 툴의 쾌속 조형과 재생, 리모델링, 보수 등의 기술 분야를 산업에 적용하기 위하여 꾸준한 연구를 진행해오고 있다. DED기술과 같은 금속 분말을 이용한 레이저 금속 적층기술은 2001년 원자력연구개발사업의 일환으로 개발된 레이저 클래딩 기술을 기초로 하여, DED기술 및 관련 기반기술 개발과 상용화에 ㈜인스텍이 국내 최초로 성공하였으며, 이와 유사한 기술로RP(또는 RT)에 대한 연구가 수행되고 있다. 최근, 한국생산기술연구원과 한국해양대학교에서는 DED 기술을 이용하여 적층공정 조건의 최적화, 적층소재 열처리, 적층소재 표면개질, 금형의 표면강화와 같은 DED기술을 이용한 다양한 적층기술 연구를 수행해 오고 있다.
향후, 금속적층제조 관련 시장이 급격하게 늘어날 것으로 예상됨에 따라 앞으로는 장비기술 위주에서 점차 소재기술, 품질보증 (Quality Assurance, QA), 표준화 등의 supply chain의 중요성이 요구되고 있으며, 적층제조에 특화된 신소재기술 등의 산업원천기술이 신시장을 선점하는 데 있어서 더욱 더 중요해 질 것으로 기대된다.
3.2. 국내외 주요 정부정책
3.2.1. 해외 정책동향
금속 적층제조 기술은 대부분의 기술이 미국과 유럽에서 처음 발명되고 개발되었으나, DED제조공정에서는 현재 유럽외 국가, 특히 중국 등에서 두각을 나타내고 있다. 최근, 중국 Northwestern Polytechnical University of China에서는 5m 높이의 타이타늄 빔을 C-919 승합기에 적용하기 위해 적층제조 시도하고 있으며 상용화를 계획중인 것으로 파악되었으며, 이와 유사하게 록히드 마틴사와 보잉사에서도 주로 항공우주분야 적용을 위해 DED 적층제조 공정을 연구하고 있는 것으로 알려졌다. 중국, 미국 및 일본 등의 산업선진경쟁국들은 중국의 ‘3D Printing Technology Industry Alliance’, 미국의 ‘America Makes’ 프로그램, 일본의 ‘TRAFAM’ 등의 100만 달러 이상의 개발비용이 투입되는 대형 국책과제로 DED 적층제조 기술의 다양한 산업적용분야에 투자하고 있는 실정이다. 유럽의 경우는 2017년부터 유럽연합 다국가간 대형 국제공동 산업기술 연구개발 사업인 Eureka Cluster 프로그램을 통하여 ‘Large AM structure’ 라는 주제로 DED 기술의 대형구조물 및 중대형 부품 적용기술을 연구하고 있다.
전 세계적으로 볼 때, 티타늄, 스틸, 니켈 및 알루미늄 등 자동차 산업에 쓰일 수 있는 구조금속소재의 DED 적층제조 기술개발 경쟁은 현재 태동기라고 생각되지만, 항공, 의료등 일부 분야에서 최종 산업활용 단계(TRL 8단계)에 진입한 케이스들이 논문 및 언론보도로 지속적으로 보고되고 있으며 빠른 시일 내에 자동차 시장에도 적용되는 사례들이 나올 것으로 사료된다.
3.2.2. 국내 정책동향
국내에서는 ㈜ 인스텍 등에서 DED 공정으로 금속부품을 적층할 수 있는 장비를 개발한 바 있으며, 소재 및 공정기술의 경우 한국생산기술연구원, 한국해양대학교, 부산대학교 등에서 다수의 산업적용연구가 시도되고 있다. 하지만, 현재까지 국내기술로 금속부품을 적층제조하는 공정은 정형화 되어 있지 않으며 제작에 성공한 사례들 역시 공정기술 및 소재기술의 한계로 인해 사용된 소재가 극히 제한적인 실정이다 (기존에 전통적으로 사용되어 왔던 상용 Ti, Fe, Al 및 Ni 계 합금분말의 적층공정이 주류를 이룸).
4. 미래 요소 기술
3D 프린팅 기술은 전통적인 설계 및 제조기술로써 단순한 부품제조에 그친다면, 그 의미가 크게 쇠퇴될 수 있으며, 개별의 부품을 조립하여 제품을 생산하는 것이 아니라 부품의 수를 줄이고 기능성, 경량성, 고강성 등이 동시 겸비할 수 있는 부품에 적용해야 그 의미가 클 것이다. 현재의 적층제조 기술에서는 금속소재의 응용이 제한적이나, 금속적층 장비 보급의 확산과 기술력의 확보로 인하여 향후에는 자동차 및 로봇 부품 생산, 금형 제작, 그리고 의료기기 분야에서 그 활용이 증가할 것으로 예상할 수 있다.
적층제조 기술의 성공에서 미래 지향적인 경량화와 구조설계가 중요하며, 이와 관련된 DfAM (Design for Additive Manufacturing) 기술은 큰 주목을 받고 있다. DfAM은 기존의 Design for Manufacturing (DfM)에서 진보된 개념으로, 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복할 수 있는 해법을 제공한다 [12, 13]. DfAM은 bionic design, topology optimizations과 유사한 개념으로 벌집이나 새의 뼈와 같이 고강성 경량 구조를 확보할 수 있는 최적 형상을 구현할 수 있게 한다. DfAM을 이용하면 복잡한 형상과 기능의 부품 모듈을 별도의 조립 공정 없이 일체형으로 제작할 수 있으며, 경량 고강성과 저진동 부품 설계 및 제작을 통해 에너지 효율을 개선할 수 있다. DfAM 기술은 내부를 중공화하여 중량을 감소함과 동시에 구조적 강성 확보가 필수적이며, 이를 위해서는 디자인 최적화와 구조해석을 위한 FEM 등 통합적인 설계기술이 요구된다. 미국의 FIT WEST는 DfAM기술을 활용하여 F-1 자동차의 실린더 블록을 80% 경량화 하였으며, 토요타는 폴리머 소재와 최적 구조 설계를 활용해 프린팅한 경량 자동차 시트를 소개하여 큰 주목을 끌기도 했다 [10]. 현재 국내의 산업은 여전히 3D 프린팅 기술에서 도입 단계에 머물러 있으며, DfAM 기술의 생산 분야에서 혁신적 가능성에도 그 활용사례가 많지 않은 실정이다.
미래 요소 기술로서 이종재료 대형부품 3D 프린팅 기술도 각광을 받을 것으로 예상된다. 경제성에 따라 상용화 가능성에 정도 차이가 있을 수 있지만 단일금속재료로 대형부품을 적층하는 기술은 존재한다. 하지만 고적층율을 이용한 이종재료의 대형부품 제조는 산업화를 위한 연구가 미흡한 상황이다. 기존의 가스와 원유관련 저장시설에 국한된 이종재료 cladding 기술은 오래전부터 개발되어진 기반기술이지만, 기능성을 심각하게 고려하는 최근의 적층제조공법 적용사례들은 새로운 기반기술을 요구하고 있다. 예를 들어 최근 미국 SpaceX사는 화성탐사선 Starship 동체에 스테인리스 스틸 30X를 사용한다고 발표했다. 이는 기존 항공우주재료로 경량화된 Al-Li 합금이나 Carbon reinforced composite를 사용하는 대안으로 열전도도에 의한 기능성저하에 근거를 두고 있다. 이와 관련하여 기존의 구조재에 기능성을 위한 세밀하게 조성된 이종재료를 고적층율을 가지고 대형부품에 적용할 수 있는 기술이 필요하다. 이는 항공우주분야 뿐만 아니라 조선산업에도 적용이 가능하다. 대형선박에 대한 유지보수비용과 환경부식에 의한 비용은 영구적인 이종재료의 적용으로 줄일 수 있다. 이종재료 적층제조를 기반으로 한 기능성 대형구조물/부품으로의 적용은 계속적으로 넓어질 것으로 전망된다. 즉 기존의 재료를 단순히 적층하는 방식에서 벗어나 접합하기 어려운 재료들의 융합연구가 활발히 진행될 것으로 보인다. 이는 대형구조재와 용접기술기반을 가진 한국산업구조에 좋은 기회 및 분야로 생각된다.
5. 맺음말
본 보고서에서는 3D 프린팅 기술, 특별히 DED 기술을 근간으로 하는 금속소재의 개발과 기능성 코팅에 대하여 살펴보았다. DED 기술은 이종소재의 적층 및 기능성 코팅을 가능하게 하며 다른 방법들에 비해 기존의 금속소재의 유지 보수 및 강화 등을 가능케 하는 장점이 있다. 이와 같은 다양한 활용성과 높은 품질로 인해, 향후 고적층율을 갖고 대형부품에 적층이 가능한 기술들이 강화된다면 산업전반에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. DfAM이 적용된 3D 프린팅 기술은 제조 산업에서 단순한 부품 제조에 그치지 않고, 기존의 제품 설계와 제조 공정의 제약을 극복할 수 있는 혁신적이고 효율적인 산업적 솔루션을 제공하며, 산업분야 전반에서 작업자 친화적인 효율적인 생산기술로 성장할 것으로 기대된다.
References
1. 기술개요
1.1. 3D 프린팅 기술
최근 많은 주목을 받고 있는 4차 산업혁명은 자동화와 연결성이 극대화되는 산업환경으로의 변화를 야기한다. 3차 산업혁명으로 발달된 정보화 네트워크와 지식 정보들은 4차 산업혁명에서 기하급수적으로 대량생산 되고, 이는 단지 정보에 그치지 않고 디지털 연결성과 실재와 가상의 통합을 통해 현실 세계와 밀접한 연결성을 나타내고 있다. 4차산업의 대표 산업 중 하나인 3D 프린팅 기술은 가상의 정보를 실제화 하여 디지털 연결성을 극대화하고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술의 최대 장점은 기존의 제조공정과는 다르게 금형이나 생산설비가 필요 없으므로 맞춤형 제품을 합리적인 가격으로 제작 및 공급이 가능하며, 제작할 수 있는 제품의 형상적 자유도가 높고 사용자 친화적인 제작이 가능하여 시장에서의 관심과 잠재력이 매우 크다. 과거 프로토타입 제작에 국한되게 사용되었던 산업용 적층제조 기술은 최근 마이크로 펙토리나 스마트 팩토리와 결합하여 대량생산 보다는 다품종 소량생산에 초점을 맞춰 다양한 제품생산에 널리 사용되며 한층 고도화된 산업적 적용을 보여주고 있다. 금속소재를 이용한 3D 프린팅 기술은 기능성 금속부품, 전기전자 회로 및 부품, 의료용품, 금형 등 산업 전반에 걸쳐 큰 수요를 형성하고 있으며, 금속을 비롯한 주요 선진국과 글로벌 기업에서는 적층 가공기술과 연관된 장비 및 소재개발 등 산업육성정책 및 전략을 강화하여 국가적 차원의 투자를 급속히 확대하고 있다. ASTM (American Society for Testing and Materials)에서는 3D 프린팅 기술을 다음과 같이 대표적 7개의 그룹으로 분류하고 있다 [1]: binding jetting, directed energy deposition, material extrusion, material jetting, powder bed fusion, sheet lamination, vat photopolymerization. 이러한 3D 프린팅 기술들은 적층하는 소재에 따라 열원이 달라지고 보다 세분화 될 수 있다 [2-4].
1.2. 새로운 금속 소재 개발 및 DED 기술을 이용한 기능성 코팅
위에 언급한 금속 3D 프린팅 기술 중 하나인 Direct Energy Deposition (DED)은 분말 또는 와이어 형태의 금속을 이용한 적층 기술로써, 기본적으로 material extrusion과 유사하지만, 노즐이 특정 축에 고정되지 않고 여러 방향으로 이동할 수 있다. 그림 1는 금속 분말을 이용한 DED 기술의 개념도를 보여준다. 분말 공급 방식의 DED 공정에서는 레이저 (laser beam)가 모재 (substrate)에 부분적으로 조사되며, 레이저로 조사된 모재에는 부분적으로 용융 된 용융풀 (melting pool)이 형성된다. 이때, 분말 또는 와이어 형태의 금속재료는 용융 풀에 공급되고 금속재료는 공급과 동시에 용융되어 모재와 부분적으로 융합되어 단일 비드가 증착하게 된다. DED 공정에서는 그림 2와 같이 이러한 단일 비드를 중복적으로 적층하여 단면을 적층하고, 단면 적층을 연속적으로 쌓아 올림으로써 입체적 형태의 구조물을 제조하게 된다. DED 기술은 치밀한 조직과 우수한 기계적 물설을 확보하여 고기능성의 부품 제작을 가능하게 하는 장점이 있으며 [5-7], 보수나 새로운 소재를 기존의 부품에 코팅할 때 사용될 수도 있다.
최근에는 3D 프린팅 기술을 이용하여 금속 부품의 표면에 이종 소재를 코팅함으로써 기능성을 부여하는 기술 개발이 관심을 받고 있다. 이에 DED 기술을 이용한 표면 코팅 기술은 기존의 금속소재 강화방법인 열처리, 코팅 기술과 비교해 제조비용과 제조시간이 낮고, 다양한 형상에 대한 적용성이 용이함과 동시에 소재의 수명을 향상 시키는 장점이 있다. 이에 많은 연구기관과 업체들에서 하드페이싱, 표면개질, 보수 등과 관련된 연구들을 수행하고 있지만, 산업현장에서의 그 활용이 극히 제한적인 실정이며, 국내 (한국) 기능성 금속소재의 제조 기술은 대부분 해외 기술에 의존하고 있다.
2. 시장규모 및 전망
미국의 정보기술 연구 및 자문회사인 가트너에 의해 개발된 기술의 성숙도를 표현하는 하이프 사이클 (hype cycle)에 의하면 3D 프린팅 기술은 거품 제거 및 재 조명기 (slope of enlightenment)에 위치하고 소비자 시장은 5~10년, 기업 시장은 2~5년 이내에 주류기술로 편입할 것이라고 예측하고 있다 [8]. 적층가공분야에서 최고 권위를 자랑하는 Wohlers Report에 따르면, 3D 프린팅 시장은 2017년 21%의 성장률을 보였으며, 이중 금속 3D 프린터의 판매량은 2016년대비 80% 성장률을 보였다. 또한, 2016년 60억 6400만 달러 (약 7조원)에 이르던 3D 프린팅 시장의 규모가 2022년에는 약 30조원까지 성장할 것으로 내다보고 있다 [9]. 최근 GE와 HP 같은 대기업들은 기존의 3D 프린터 업체와의 인수합병을 통해 3D 프린터 시장에 진출함과 동시에 프린터 제조, 판매, 프린팅 서비스 영역까지 그 사업영역을 넓히고 있으며, STRASYS와 3D systems등 기존의 3D 프린팅 업체들은 라인업 확장 및 기술개발에 열을 올리고 있다 [10]. 또한, SIMENS와 같은 회사들이 제품개발을 위해 금속 3D 프린터를 사용하여 제품개발을 사용하는 사례가 증가하고 있다. 그림 4는 적층 제조로 최종 부품생산에 대한 지출 증가에 대한 전세계 추세를 보여주고 있다. 최근 제조회사들은 수요가 적은 예비부품의 생산 원가와 재고관리 비용을 줄이고, 신속성과 유연성을 늘리기 위하여, 내부적으로 수요 예측이 어려운 예비부품을 3D 프린터를 활용하여 온 디멘드 (on-demand) 형식으로 제조하는 방안을 검토하고 있는 추세이다 [10].
3. 기술 동향
3.1. DED 기술동향
DED를 활용한 금속적층제조 산업은 현재까지는 주로 장비기술의 발전이 산업의 발전을 주도하여 왔으며 대부분의 장비기술은 EOS, Concept Laser, Trumpf 등 구미기업들에 의해 선도되어왔다. 후발주자이지만 현재 국내업체 역시 많은 발전을 이루고 있다. 금속 적층 기술은 고가의 장비와 소재기술을 필요로 하기 때문에 주로 의료산업, 항공산업의 초고부가가치 부품들에 초점이 맞추어져 산업이 발전하여 왔으나, 소재기술과 장비기술이 점차 발전함에 따라 점점 금형분야, 발전분야, 상용차 분야 등 일반산업분야의 적용이 늘어나고 있는 추세이다.
해외의 금속소재 적층기술의 상용화는 국내보다 약 10년 정도 앞서 진행되었으며, 1992년 미국의 DTM사가 SLS공정기술을 개발할 이후 직접식 금속쾌속가공/생산 기술이 10개 이상 개발되어 산업에 적용되었으며, 독일 기업들이 우수한 레이저 기술을 바탕으로 DMLS 및 SLM기술과 관련하여 세계시장의 약 40%를 점유하고 있는 실정이다. 국내의 적층기술은 고가의 레이저 용융 적층 장비와 적층 기술에 대한 연구의 제한으로 관련 연구 속도가 국외 기술과 상당한 격차를 보이고 있으나, 금속적층 기술을 이용한 금속제품 및 툴의 쾌속 조형과 재생, 리모델링, 보수 등의 기술 분야를 산업에 적용하기 위하여 꾸준한 연구를 진행해오고 있다. DED기술과 같은 금속 분말을 이용한 레이저 금속 적층기술은 2001년 원자력연구개발사업의 일환으로 개발된 레이저 클래딩 기술을 기초로 하여, DED기술 및 관련 기반기술 개발과 상용화에 ㈜인스텍이 국내 최초로 성공하였으며, 이와 유사한 기술로RP(또는 RT)에 대한 연구가 수행되고 있다. 최근, 한국생산기술연구원과 한국해양대학교에서는 DED 기술을 이용하여 적층공정 조건의 최적화, 적층소재 열처리, 적층소재 표면개질, 금형의 표면강화와 같은 DED기술을 이용한 다양한 적층기술 연구를 수행해 오고 있다.
향후, 금속적층제조 관련 시장이 급격하게 늘어날 것으로 예상됨에 따라 앞으로는 장비기술 위주에서 점차 소재기술, 품질보증 (Quality Assurance, QA), 표준화 등의 supply chain의 중요성이 요구되고 있으며, 적층제조에 특화된 신소재기술 등의 산업원천기술이 신시장을 선점하는 데 있어서 더욱 더 중요해 질 것으로 기대된다.
3.2. 국내외 주요 정부정책
3.2.1. 해외 정책동향
금속 적층제조 기술은 대부분의 기술이 미국과 유럽에서 처음 발명되고 개발되었으나, DED제조공정에서는 현재 유럽외 국가, 특히 중국 등에서 두각을 나타내고 있다. 최근, 중국 Northwestern Polytechnical University of China에서는 5m 높이의 타이타늄 빔을 C-919 승합기에 적용하기 위해 적층제조 시도하고 있으며 상용화를 계획중인 것으로 파악되었으며, 이와 유사하게 록히드 마틴사와 보잉사에서도 주로 항공우주분야 적용을 위해 DED 적층제조 공정을 연구하고 있는 것으로 알려졌다. 중국, 미국 및 일본 등의 산업선진경쟁국들은 중국의 ‘3D Printing Technology Industry Alliance’, 미국의 ‘America Makes’ 프로그램, 일본의 ‘TRAFAM’ 등의 100만 달러 이상의 개발비용이 투입되는 대형 국책과제로 DED 적층제조 기술의 다양한 산업적용분야에 투자하고 있는 실정이다. 유럽의 경우는 2017년부터 유럽연합 다국가간 대형 국제공동 산업기술 연구개발 사업인 Eureka Cluster 프로그램을 통하여 ‘Large AM structure’ 라는 주제로 DED 기술의 대형구조물 및 중대형 부품 적용기술을 연구하고 있다.
전 세계적으로 볼 때, 티타늄, 스틸, 니켈 및 알루미늄 등 자동차 산업에 쓰일 수 있는 구조금속소재의 DED 적층제조 기술개발 경쟁은 현재 태동기라고 생각되지만, 항공, 의료등 일부 분야에서 최종 산업활용 단계(TRL 8단계)에 진입한 케이스들이 논문 및 언론보도로 지속적으로 보고되고 있으며 빠른 시일 내에 자동차 시장에도 적용되는 사례들이 나올 것으로 사료된다.
3.2.2. 국내 정책동향
국내에서는 ㈜ 인스텍 등에서 DED 공정으로 금속부품을 적층할 수 있는 장비를 개발한 바 있으며, 소재 및 공정기술의 경우 한국생산기술연구원, 한국해양대학교, 부산대학교 등에서 다수의 산업적용연구가 시도되고 있다. 하지만, 현재까지 국내기술로 금속부품을 적층제조하는 공정은 정형화 되어 있지 않으며 제작에 성공한 사례들 역시 공정기술 및 소재기술의 한계로 인해 사용된 소재가 극히 제한적인 실정이다 (기존에 전통적으로 사용되어 왔던 상용 Ti, Fe, Al 및 Ni 계 합금분말의 적층공정이 주류를 이룸).
4. 미래 요소 기술
3D 프린팅 기술은 전통적인 설계 및 제조기술로써 단순한 부품제조에 그친다면, 그 의미가 크게 쇠퇴될 수 있으며, 개별의 부품을 조립하여 제품을 생산하는 것이 아니라 부품의 수를 줄이고 기능성, 경량성, 고강성 등이 동시 겸비할 수 있는 부품에 적용해야 그 의미가 클 것이다. 현재의 적층제조 기술에서는 금속소재의 응용이 제한적이나, 금속적층 장비 보급의 확산과 기술력의 확보로 인하여 향후에는 자동차 및 로봇 부품 생산, 금형 제작, 그리고 의료기기 분야에서 그 활용이 증가할 것으로 예상할 수 있다.
적층제조 기술의 성공에서 미래 지향적인 경량화와 구조설계가 중요하며, 이와 관련된 DfAM (Design for Additive Manufacturing) 기술은 큰 주목을 받고 있다. DfAM은 기존의 Design for Manufacturing (DfM)에서 진보된 개념으로, 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복할 수 있는 해법을 제공한다 [12, 13]. DfAM은 bionic design, topology optimizations과 유사한 개념으로 벌집이나 새의 뼈와 같이 고강성 경량 구조를 확보할 수 있는 최적 형상을 구현할 수 있게 한다. DfAM을 이용하면 복잡한 형상과 기능의 부품 모듈을 별도의 조립 공정 없이 일체형으로 제작할 수 있으며, 경량 고강성과 저진동 부품 설계 및 제작을 통해 에너지 효율을 개선할 수 있다. DfAM 기술은 내부를 중공화하여 중량을 감소함과 동시에 구조적 강성 확보가 필수적이며, 이를 위해서는 디자인 최적화와 구조해석을 위한 FEM 등 통합적인 설계기술이 요구된다. 미국의 FIT WEST는 DfAM기술을 활용하여 F-1 자동차의 실린더 블록을 80% 경량화 하였으며, 토요타는 폴리머 소재와 최적 구조 설계를 활용해 프린팅한 경량 자동차 시트를 소개하여 큰 주목을 끌기도 했다 [10]. 현재 국내의 산업은 여전히 3D 프린팅 기술에서 도입 단계에 머물러 있으며, DfAM 기술의 생산 분야에서 혁신적 가능성에도 그 활용사례가 많지 않은 실정이다.
미래 요소 기술로서 이종재료 대형부품 3D 프린팅 기술도 각광을 받을 것으로 예상된다. 경제성에 따라 상용화 가능성에 정도 차이가 있을 수 있지만 단일금속재료로 대형부품을 적층하는 기술은 존재한다. 하지만 고적층율을 이용한 이종재료의 대형부품 제조는 산업화를 위한 연구가 미흡한 상황이다. 기존의 가스와 원유관련 저장시설에 국한된 이종재료 cladding 기술은 오래전부터 개발되어진 기반기술이지만, 기능성을 심각하게 고려하는 최근의 적층제조공법 적용사례들은 새로운 기반기술을 요구하고 있다. 예를 들어 최근 미국 SpaceX사는 화성탐사선 Starship 동체에 스테인리스 스틸 30X를 사용한다고 발표했다. 이는 기존 항공우주재료로 경량화된 Al-Li 합금이나 Carbon reinforced composite를 사용하는 대안으로 열전도도에 의한 기능성저하에 근거를 두고 있다. 이와 관련하여 기존의 구조재에 기능성을 위한 세밀하게 조성된 이종재료를 고적층율을 가지고 대형부품에 적용할 수 있는 기술이 필요하다. 이는 항공우주분야 뿐만 아니라 조선산업에도 적용이 가능하다. 대형선박에 대한 유지보수비용과 환경부식에 의한 비용은 영구적인 이종재료의 적용으로 줄일 수 있다. 이종재료 적층제조를 기반으로 한 기능성 대형구조물/부품으로의 적용은 계속적으로 넓어질 것으로 전망된다. 즉 기존의 재료를 단순히 적층하는 방식에서 벗어나 접합하기 어려운 재료들의 융합연구가 활발히 진행될 것으로 보인다. 이는 대형구조재와 용접기술기반을 가진 한국산업구조에 좋은 기회 및 분야로 생각된다.
5. 맺음말
본 보고서에서는 3D 프린팅 기술, 특별히 DED 기술을 근간으로 하는 금속소재의 개발과 기능성 코팅에 대하여 살펴보았다. DED 기술은 이종소재의 적층 및 기능성 코팅을 가능하게 하며 다른 방법들에 비해 기존의 금속소재의 유지 보수 및 강화 등을 가능케 하는 장점이 있다. 이와 같은 다양한 활용성과 높은 품질로 인해, 향후 고적층율을 갖고 대형부품에 적층이 가능한 기술들이 강화된다면 산업전반에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다. DfAM이 적용된 3D 프린팅 기술은 제조 산업에서 단순한 부품 제조에 그치지 않고, 기존의 제품 설계와 제조 공정의 제약을 극복할 수 있는 혁신적이고 효율적인 산업적 솔루션을 제공하며, 산업분야 전반에서 작업자 친화적인 효율적인 생산기술로 성장할 것으로 기대된다.
References
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