[인더스트리뉴스 김관모 기자] 금속 3D 프린팅 기술은 사실 현장에 적용하기 어렵다는 인식이 팽배할 정도로 ‘난제’ 중 하나로 받아들여진다. 해외에서는 이미 자동차는 물론 항공사와 조선소 등에서 활용될 정도로 기술력이 발전하고 있지만, 한국에서는 아직 이 정도의 기술력을 갖추기 만만치 않은 실정이기 때문이다. 그러나 윈포시스의 자회사인 메탈쓰리디(대표 여환철)는 기술 개발을 통해 이런 한계를 극복하고 제조업의 양산 시스템에 금속 3D 프린터를 적용하는데 성공했다. 메탈쓰리디 주승환 CTO는 “이번 성공으로 인해 올해가 국내 3D 프린팅 산업에도 지각변동이 일어나는 원년이 될 것”이라고 기대했다.

국내 최초 PBF 3D 금속 프린터 개발… 듀얼레이저 방식으로 대형‧대량 생산 가능

메탈쓰리디는 국내 공정자동화시스템 전문업체 윈포시스의 자회사로 지난 2018년 설립됐다. 애초 윈포시스는 FA관련 장비를 만들던 곳으로, 메탈쓰리디를 만들게 된 것도 새로운 부품의 개발을 고민하던 끝에 이뤄졌다. 금속 부품 가공의 혁신을 고민하던 윈포시스는 일찍이 금속 3D 프린팅 기술에 관심을 가져왔고, 미래 먹거리 확보를 위해 투자를 해왔다. 이에 메탈쓰리디는 2년여 간의 개발 끝에 250×250×250mm 사이즈의 ‘MetalSys 250’에 이어서, 500×330×330mm 사이즈의 듀얼레이저를 갖춘 ‘MetalSys 500’을 개발했다. 향후에는 중공업 , 자동차 회사 등에 납품을 하기 위해 대량 생산시스템을 자제적으로 갖출 예정이다. 이를 위한 물성 검증도 완료된 상태이며, 타이타늄과 알루미늄, 인코넬, 구리, 코발트크로 합금 등 다양한 소재들도 활용이 가능하다.

주승환 CTO는 “외산 3D 금속 프린터와 비교할 때 성형속도가 거의 비슷하게 나타나는 것을 확인하고 한국에서의 프린터 개발 가능성을 발견했다”며, “이번에 MetalSys 500이 구축되면 국내에서는 최초로 3D 금속 프린터를 이용한 대량양산 시스템이 이뤄지는 셈”이라고 말했다.

이 프린터의 PBF(Poweder Bed Fusion) 방식은 금속 분말을 한 층씩 적층한 뒤 레이저로 용융해 결합시키고 다시 적층을 반복하는 방식으로, 공정이 간단하고 정확하며 별도의 절삭을 요구하지 않아서 기존 절삭 가공 방식보다 80% 정도의 재료비 절감이 가능하다. 또한 다양한 아이디어 제품을 한 번에 빠른 방법으로 제작하는 게 가능하다. 특히 메탈쓰리즈의 듀얼 레이저 오버랩 기술은 레이저를 사용할 때 나타나는 경계면을 최소화해 최고의 품질을 보장한다.

아울러 MetalSys 시리즈를 지원하는 품질관리 소프트웨어는 레이저로 금속을 녹이고 붙이는 과정을 하나하나 기록할 수 있어서 품질를 꼼꼼하게 체크할 수 있다. 또한 이 프린터는 국내외 시중에 나와 있는 프린터 소재들은 거의 다 사용할 수 있도록 제작됐다.

3D 금속 프린팅의 성공, 금속공학과 공정의 이해에 있다

그동안 메탈쓰리디 역시 다른 3D 프린팅 업체들처럼 제품 개발에 어려움이 많았다. 특히 가장 큰 과제였던 것이 물성을 맞추는 부분이었다. 주 CTO는 “처음 3D 프린팅으로 성형된 금속 부품은 품질이 들쑥날쑥했으며 물성이 갖춰지지 않아서 쉽게 깨지는 경우가 많았기 때문에 현장에서 돌리다보면 공정률이 떨어지는 경우가 허다했다”고 말했다. 여러 실패 끝에 주 CTO는 그 원인이 금속공학적인 측면에 있다는 점을 알게 됐다. 그는 “그동안 금속 3D 프린팅 연구는 실질적인 생산보다는 연구 위주의 성형이 주를 이뤘기 때문에 기계공학으로 보는 시각이 강했다”며, “이에 금속공학 전문가들을 포진해 개발을 해온 결과 성공을 거둘 수 있었다”고 말했다.

또한 공정에 대한 이해도도 중요하다고 강조했다. 주 CTO는 “그동안 전체 공정을 대상으로 하는 게 아니라 부분 공장만으로 3D 금속 프린팅을 개발해왔기 때문에 국내에서는 발전하기 어려웠다”며, “일본처럼 정부가 장비나 실질적인 양산 장비 지원하는 노력도 필요하다”고 전했다.

또한 메탈쓰리디는 자체 생산한 프린터 외에도 외산 3D 금속 프린터와 SLM CNC 복합 장비, 진공 SLM 장비, 자동분말 공급 장비 등도 보유하고 있어서 고객사가 원하는 방식의 성형이나 가공도 충분히 소화하고 있다. 이를 바탕으로 메디칼 분야에서는 티타늄 두개골과 턱뼈, 무릎 등 의료용 임플란트 솔루션을 제공했으며, 보트의 금속 프로펠러와 교육 시제품 등을 제작해 품질을 인정받기도 했다.

양산 성공 사례 발굴 통해 국내 제조업의 퀀텀 점프 이끈다

메탈쓰리디는 올해 양산 시스템 구축을 시작으로 100대의 3D 금속 프린터를 보급하는 것을 목표로 하고 있다. 주 CTO는 “작년까지는 3D 금속 프린팅의 물성과 피로 강도 해결과 소프트웨어 완비 등에 주력했다면, 올해부터는 납품을 통해 인프라를 구축하고, 내년부터는 본격적인 판매와 확산 등으로 가격경쟁력을 갖춰나가는 세 단계로 이뤄지고 있다”며, “지금은 두 번째 단계의 막바지이며 앞으로는 인공지능을 활용한 프린팅 공정도 추진하려 한다”고 말했다.

따라서 메탈쓰리디는 고른 품질과 물성이 나오는 3D 금속 프린팅 기술력을 위해 울산에 국내 최초로 3D 프린팅 스마트팩토리를 갖추고 양산을 위한 시제품 개발에도 매진하고 있다. 이 스마트팩토리는 기존 부품을 3D 스캔하고 CAD 데이터를 생성해 역설계를 진행한다. 이후 CAD 및 CAM으로 시뮬레이션한 뒤, 3D 금속 프린터로 적층가공을 진행한다. 이후 와이어 컷팅과 열처리 등 후처리를 거친 뒤 3D 검사 및 물성 검사를 거쳐 최종 품질을 확인한다.

또한 메탈쓰리디는 3D 금속 프린터를 활용한 다양한 양산 체제를 발굴하고, 영남권 3D 프린팅 대응전략 기지를 수립할 계획이다. 아울러 앞으로는 지금보다 더욱 대형 성형이 가능한 ‘MetalSys 800’ 개발도 진행할 예정이다. 주 CTO는 “중공업 현장만 둘러봐도 부품이 수만 가지가 넘는다. 그 가운데 3D 프린팅으로 단가를 맞출 수 있는 부품들이 많지만 찾지 못했을 뿐”이라면서, “이번 MetalSys 시리즈의 출시로 가능성이 알려지면 양산 체제의 큰 변화가 올 것이다. 특히 울산은 그렇게 될 수 있는 최적의 환경”이라고 밝혔다.

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