틈새 속 3D 혁명

미래에도 밀링 머신은 고물상 야적장으로 밀려나진 않고, 적층 가공의 보급과 함께 공존할 것이다. 무엇보다 눈에 띄는 것은 부품의 디자인과 기능에 의해 변화가 초래된다는 것이다. 그 초점은 자동차 산업이 아니라 틈새 시장에 맞추어져 있다.

빅토리아 존넨베르크 & 슈테파네 이타세

VDW(독일 공작기계 협회)가 Metav 박람회에 즈음하여 소개한, 적층 가공 연구의 슬로건을 보면 “당분간 혁명은 일어나지 않는다“이다. 앞으로 5 ~ 7년간은 큰 변화가 예상되지 않는다. 전체 절삭 공작기계를 기준으로 했을 경우 AM(적층가공)으로 이동하는 수요는 1%가 채 되지 않을 것이다. 문제는 비용과 가공 시간이다. AM은 소량생산과 복잡하고 개별화된 그리고 공구 없이 소형 부품을 제작하는 경우에 장점이 있을 수 있다. 항공기 산업의 경량 구조물, 내부 냉각 터널 그리고 언더컷 등을 제작할 경우에 추가적인 이익을 낼 수 있다. 경우에 따라 중간 도는 대량 양산 제작에서도 비용 핸디캡이 상쇄될 수 있다. 

공구 없이 더 빠르고 더 경제적으로 제작한다

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항공기 시트용 암레스트는 가능한 최소량의 재료로 제작되었다. 이를 통해 무게를 줄일 수 있다. 이는 적층가공으로만 제작할 수 있다

“AM의 장점은 종래 제작 방식, 공구를 이용한 제작법이나 절삭 가공법에 비해, 복잡한 부품일 때에 효과가 있습니다. AM에서는 부품을 공구 없이 빠르게, 비용 면에서 합리적으로 정해진 개별 부품을 제작할 수 있기 때문입니다. 터빈 블레이드와 같은 복잡한 부품은 지오메트리에 상관없이 “하나씩“ 제작할 수 있습니다.“(토비아스 킹, Voxeljet의 Marketing & Applications 디렉터)

Voxeljet사는 크기가 최대 8 m³인 산업용 3D 프린터 제조사이면서 중간 규모의 수량까지 개별 부품을 주문 제작하는 업체이다. 이 업체의 부품 제작에는 형태상 한계가 거의 없다. 이러한 자유 디자인에 있어서 수많은 매력 가운데 하나의 측면에 불과하다. “적층 가공은 제작 공정의 유연성과 개별화 측면에서 높은 잠재력을 가지고 있습니다. CAD 모델을 곧바로 적층 가공으로 부품을 제작할 수 있고, 값비싼 공구가 필요 없고, 번거로운 조립 작업이 생략되어, 제작 품목수가 적은 경우에 종래의 제작기법에 비해 제작 시간과 비용이 현저히 줄어든다. 적층 가공에는 디자인 한계가 없으며 복잡한 외부나 내부 형상을 갖는 부품을 마음대로 제작할 수 있습니다.“(공학박사 마틴 로이버, 아헨 공과대학 공작기계 및 제작 기술 연구소(IWFT) 소장) 적층 가공에 의해 새로운 잠재성이 열린다. 마틴 로이버 박사에 의하면 다음과 같은 장점을 지닌다.

■ 경량 구조: 내부 구조를 빈 공간으로 채울 수 있어 기계적 특성은 동일하지만, 재료를 줄일 수 있고 따라서 무게도 줄일 수 있다.

■ 기능성: 적층 가공은 형태나 구조가 자유롭기 때문에 기능이 개선된 부품을 제작할 수 있다. 냉각 채널과 같이 새로운 유형의 기능을 부품에 부여할 수 있다(예: 공구 냉각 홀)

■ 생산: 적층 가공은 유연성과 개별화 특성 덕분에 프로토타입과 소량 양산을 경제적으로 제작하거나 또는 개별화된 Mass Customization(대량 생산)에 사용하기에 제격이다.

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Bosch-Rexroth 주조 공장은 3D 프린터로 제작한 맞춤 주조 코어로 납기, 개별 주조품, 소량 양산으로 비용을 줄인다

Bosch-Rexroth 주물 공장도 3D 프린터로 제작한 맞춤형 주물 코어를 통해 적층가공을 통해 비용을 낮출 수 있었는데, 개별 주조품과 소량 양산 납품기한을 현저히 줄일 수 있었다. “고객이 원하는 부품의 CAD 데이터를 전송하면, 이 데이터로부터 3D 프린터가 적층 원리로 샌드 코어나 복잡한 형상의 몰드를 제작합니다. 데이터가 없으면, 광학 측정 시스템으로 데이터를 생성할 수도 있습니다. 다이 제작을 위한 공구를 개발하고 제작할 필요도 없습니다. 프로토타입과 소량 양산의 단위 비용이 내려가고 CAD 데이터를 받아 주조 완성제품까지 걸리는 프로세싱 타임이 단축됩니다.“(토마스 쿤, Bosch-Rexroth 주물 공장 기술 플랜트 매니저)

“우리는 앞으로 몇 년 안에 적층 가공에 대한 비용 상황이 소량 양산이 효율적으로 이루어지는 지점까지 훨씬 개선되리라고 기대합니다. 그때까지 개발 프로세스와 제작 프로세스를 전체 가치창출 체인에 걸쳐서 새로운 기술에 맞추어 조율해야 합니다.“(슈테판 회벨, Bosch Rexroth AG, Manufacturing Technologies and Process Development Industrial Applications 매니저)

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적층 가공법으로 열 전달을 위한 표면이 확연히 증대된 열교환기를 제작할 수 있다

그러나 이러한 분명한 장점에도 불구하고 적층가공과 전통적인 제조법을 비교하는 것은 간단하지 않다. 전통적인 제조법에서는 생산 개수가 많으면 생산 단가가 크게 낮아지기 때문이다. 크리스티안 힝케(Fraunhofer ILT 수석 엔지니어, “고임금 산업을 위한 통합적 생산 기술“ 리더)는 아헨 스틸 전문가 회의에서 적층가공의 경우 생산 개수와 부품의 복잡함에 따라 생산 단가의 오르내림이 크지 않다. 현재 제작되는 재료의 입방미터당 적층 가공 비용은 대략 3유로이다. “적층 가공은 상대적으로 비쌉니다.“(크리스티안 힝케)라고 강조했다.

경제성이 개선되어야 한다

따라서 적층가공이 비용 면에서 합리적으로 만들기 위해 연구하고 있다. 크리스티안 힝케의 의르면 현재 두 가지 접근법이 있다. 레이저 출력을 높일 수 있고, 다수의 레이저가 동시에 작업하는 것이다. 다수의 다이오드 레이저가 나란히 배치되는 시스템 컨셉트는 “극단적인 규모 가변성 효과를 초래“할 수 있다고 한다. 연구 기관과 기업에서도 엔지니어들이 열심히 개선 기술을 연구하고 있다. 

Concept Laser GmbH는 적층가공하는 부품의 품질을 보장하기 위한 새로운 시스템을 선보였다. QM-Modul Meltpool 3D이라고 명명된 이 시스템은 프로세스 동안 용융욕을 감시한다. 용융되는 동안 적외선 범위에서 발생하는 용융욕 방출물은 센서를 이용하여 감지된다. 이런 방식으로 용융욕의 크기와 강도를 3차원으로 시각화할 수 있다. 이 시스템은 샘플링 레이트 10kHz 이상에서 3D 그래픽의 해상도가 35μm이며, 오류 지점을 분류하는 것도 가능하다. 

선택적 레이저 용융으로 금속 분말을 가공한다

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적층가공된 스테인레스 스틸 샘플

SLM Solutions GmbH는 대형 부품을 위해 레이저빔 용융 시스템 SLM 500HL을 개발하였다. 이 시스템의 크기는 500 × 280 × 365 mm³ 이다. 이 시스템으로는 선택적 레이저 용융을 이용하여 티타늄, Inconel, 스테인레스 스틸, 알루미늄과 같은 금속 분말을 가공할 수 있다. 또한 이 시스템에는 700W 출력의 광섬유 레이저 네 대가 장착되어 있으며, 이 레이저는 동시에 여러 부품을 제작할 수 있다. 입자 직경이 10 ~ 45μm인 금속 분말 또는 알루미늄인 경우 직경이 20 ~ 60μm인 분말은 최대 스캔 속도 10m/s로 20 ~ 75μm의 층 두께를 생성한다. 

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적층가공된 공작물

대형 3D 프린터의 다른 끝에는 Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH의 3D 프린터 Truprint 1000이 있다. 이 시스템은 200W 광섬유 레이저로 20μm 두께로 금속을 도포한다. 프로세스는 라이브 이미지를 따라 이루어진다. 이뿐만 아니라 Trumpf는 이미지 파일, 오디오 파일, 비디오 파일을 실시간으로 고객 서비스 센터와 교환할 수 있는 Visual 온라인 서포트를 제공한다.

Airbus의 자회사인 Apworks의 대표인 요아힘 체틀러가 스틸 전문가 회의에서 말한 바와 같이, 고객들은 여러 가지 이유로 적층 가공을 원한다고 한다. 무게 절감, 기능 통합, 재료 소비량 축소, 예비 부품에 대한 신속 대응, 보관 비용 절약, 또한 복잡한 형상 제작 등이 그 이유다. “적층가공 디자인 시 토폴로지 최적화는 자동으로 수반되며, 이는 더 이상 특별한 일이 아닙니다.“(요아힘 체틀러) 그러나 3D 프린팅이 가능한 디자인도 쉽지 않은 난관이 있다. 고객들은 적층가공 설계기술자들이 완전히 자유자재로 구사한다고 생각하고 있지만 이 기술은 전통적인 기법과는 완전히 다른 일이며, 이를 위해 다른 전문 툴이 필요하다.

또한 Apworks는 적층가공을 위해 특별히 Airbus Group의 콘체른 연구를 통해 Scalmalloy라는 알루미늄 분말을 개발하였다. 이 분말은 내마모성을 가지고 있으며 알루미늄의 가벼운 무게와 티타늄의 특수한 강도를 장점을 가지고 있으며 연성이 높아서 안전과 관련된 어플리케이션에 특히 적합하다.

이에 비해 적층가공을 위해 가공된 AlSi10Mg(알루미늄-실리콘 분말)은 강도가 절반 수준이었다.

Apworks에 따르면 로보틱스, 자동차, 우주 항공 분야의 고성능 어플리케이션을 위한 재료가 흥미롭다. 금속 3D 프린팅이 지닌 디자인의 자유로움이 지금까지 유례가 없었던 기능을 지닌 제품을 실현할 수 있게 되었다. Apworks의 목적은 항공 우주 분야에서 제시하는 품질 요건을 다른 산업 분야에까지 적용하는 것이다. 적층 가공의 발 빠른 개발로 인해 완전히 다른 가능성들이 생겼고 이 가능성들은 무한하다. 설계자들이 새로운 시험을 시도해 보지 않고, 궁금해하지 않는다면, 적층가공의 잠재성은 크지 않을 것이다.

“적층 가공에 필요한 것은 CAD 데이터입니다. 고객이 기술 도면을 보내주면, 당사 설계자들이 3D 데이터로 변환합니다. 이 기술은 부분적으로 적층 가공의 디자인 자유를 고려하지 못하는 설계자의 디자인 역량에 좌우됩니다. 다시 말해 부품의 최적의 기능을 염두에 두고 설계되는 것이 아니라 최적의 제작을 염두에 두고 설계되는 경우가 종종 있기 때문입니다. 적층가공의 자유로운 디자인 시대(전용 툴)가 열리면, 완전히 새로운, 하이브리드 구조물을 보게 될 것입니다.“(토비아스 킹) 적층가공의 발전은 기술적 측면에서나 인력 운영 측면에서 매우 흥미롭다. 전문가들은 적층가공이 생산 프로세스에 대한 보완책으로 자리잡을 것으로 보고 있다.

틈새에서 일어나는 작은 혁명을 예상해본다

IWFT(아헨 공과대학 공작기계 및 제작 기술 연구소)의 마틴 로이버는 요구 조건이 다르다는 점에 동의한다. “적층 가공이 전통적인 제조법을 완벽하게 대체하는 일은 없을 것입니다. 제조법의 적합성은 각 적용 사례의 요구 조건에 따라 결정되고 전통적인 제조법은 특정 적용 사례에서 적층가공에 비해 항상 앞서기 때문입니다. 시스템 기술의 발전에 의해 적층가공의 공정 시간을 확연히 단축할 수 있다고 해도, 부품을 대량 생산하는 데 있어서는 전통적인 방법으로 부품을 제작할 수 방법에 있어서 적층가공이 종래의 방법보다 절대 경제적일 수는 없습니다.“ 틈새에서 작은 혁명이 될 수 있다는 점은 적층가공 전문가 그룹도 물론 인정한다. “적층가공은 앞서 언급한 잠재성을 완전히 발휘할 수 있는 그러한 틈새를 장악할 것입니다. 적층 가공은 오늘날 금속재료 가공과 관련하여 우주항공 분야나 의료기술 분야 등 생산 개수는 적고 디자인은 복잡하며, 개별 부품의 기능, 무게, 형태에 대한 요건이 까다롭지만, 비용과 제작 시간의 단점은 보완할 수 있는 분야에서 두각을 나타낼 것입니다.“(마틴 로이버)