KOSEN 한인과학기술자네트워크

출처 - 한국산업기술평가관리원

□ 목적

- 최근 금속 적층기술과 절삭기술이 복합된 하이브리드 공작기계의 상품화가 급속히 이루어지고 있음. 이 같은 기술 추세는 가공품질(정밀도) 및 생산성에 대한 시장요구의 충족이 가능해져, 금형 생산용과 부품 보수 이외에 경량화 부품, 복잡형상/특수기능 부품 등의 제품을 직접 생산할 수 있는 수준까지 발전되고 있으며, 이에 대한 최신 기술동향을 분석함

□ 주요현황

- 최근 GE는 메탈적층/절삭 하이브리드 기술을 통해 여러 부품으로 구성된 항공연료엔진 노즐 디자인에서 20개의 부품을 단일화 모듈로 생산하거나 티타늄 소재를 이용한 고압 터빈 브레이드의 생산을 가능하게 하고 있음.
- 또한 SIEMENS와 DMG-MORI는 하이브리드 공작기계생산에 있어 협력개발을 실시함과 동시에 향후 이 분야의 2020년 세계시장 규모를 8.5조 달러수준으로 예측하고 있음.
- 기존 적층제조기술을 커스텀화, 다품종 소량생산 공정에 적합한 기술로 만 판단하였지만, 최근 거대한 단일부품 생산성, 부품 통합화 디자인 능력, 복잡한 부품의 생산 능력, 교체부품 제작의 효율성 등이 고려된 직접 부품생산에 대한 관심이 커지고 있음. 특히 GE 사에는 항공부품에 대한 적층 제조 기술의 적용이 크게 주목받고 있음.
- 하이브리드 적층 가공 장비의 경우 분말 공급형 직접식 에너지 적층 공정과 5축 가공 공정이 혼합된 하이브리드 적층 가공 장비의 개발이 두드러지게 나타날 것으로 판단되며, 제조업에서 요구되는 품질(정밀도)과 생산성 측면에서 기술경쟁력 확보가 지속적으로 중요해 질 것으로 사료됨.
- 또한 전 세계적으로 금속 적층 제조를 위한 서비스 기업들이 증가하고 있어, 하이브리드 적층 가공 장비에 대한 수요는 5년내에 획기적으로 증가할 것으로 판단됨.
- 하이브리드 가공상 적층 공정과 절삭공정의 조합 및 각각에 대한 공정 변수 도출이 매우 중요하며, 절삭 공정에 대한 공정변수가 재료별로 주어져도 적층 공정으로 적층된 재료의 절삭 공정 변수는 달라질 수 있어, 적층 재료-적층 공정에 따른 연구가 활발히 진행되고 있는 추세임.
- 또한 레이저 기반 하이브리드 적층 가공 장치는 레이저와 관련 광학 장치 때문에 청결성이 중요한 반면, 기존 절삭용 가공기의 경우 냉각수 등의 사용이 필요하기 때문에 다양한 해결방안이 제안되고 있음.
- Off-spindle centerline 접근법은 적층 행정 (Additive stroke)의 제한 때문에 기계가공 행정을 감소 시킬 수 있음. 이러한 문제점을 보안하는 다양한 해결방안이 제안되고 있으며, 대표적으로 Hybrid Manufacturing Technology 에서 개발된 적층 헤드의 사용이 확대되어지고 있음.

□ 시사점 및 정책제안

- 세계의 대표 공작기계 업체인 DMG MORI를 비롯한 여러 대형 공작기계 기업 주도하에 하이브리드 가공기의 눈부신 발전이 이루어지고 있으며, 최근 DMG MORI의 발표에 의하면 기존 파우더 베드형 레이저 메탈적층기술보다 20배이상 생산속도를 증가시켰으며, 0.5mm두께의 얇은 제품도 생산 가능한 기술수준에 이르고 있는 상황임.
- 하이브리드 가공기의 최대 장점인 복잡형상가공 대응은 물론이며, 강철, 니켈합금, 코발트 합금 및 황동에 이르는 다양한 소재의 대응력도 갖추고 있어, 공작기계의 기존 룰이 변화되고 있다는 DMG MORI의 부사장인 Gregory Hyatt의 언급이 국내의 관련 공작기계시장의 긴장감과 기대감을 부추기고 있는 상황임.
- 그동안 하이브리드 공작기계는 금형생산용과 부품 보수 수준으로 만 인식되고 있었으나, 향후 경량화 부품, 복잡형상/특수기능 부품 등의 경우 직접 제품생산 수준까지 이를 것으로 예측되고 있음.
- 기존 전통적인 절삭가공의 경우 소재의 낭비율이 95%이상이며, 하이브리드 가공을 통한 소재 낭비율의 절감을 통해 제품 생산 비용절감 또한 기대하고 있음.
- 국내의 관련 공작기계 연구자 및 기업에서도 금속 적층/절삭용 하이브리드 공작 기계에 대한 활발한 기술 및 시장대응을 준비하고 있으며, 향후 금속이외 세라믹분야 등 다양한 소재의 대응력 또한 기대되고 있어 공작기계분야의 새로운 패러다임이 열리고 상황에서 정부차원의 지원정책이 필요한 시점임.