[인더스트리뉴스 김관모 기자] 금속 3D 프린팅 전문업체 메탈쓰리디는 2018년 7월 윈포시스의 자회사로 설립됐다. 메탈쓰리디는 중공업, 조선, 국방 협력 업체로 500mm 이상의 부품을 3D 프린팅으로 제작하고 있으며, H 중공업 계열에 금속 3D 프린팅 부품을 납품하고 있다. 또한, 의료사업으로 환자 맞춤형 의료기기를 제작하고 있다. 메탈쓰리디는 메탈 3D 프린팅의 각 분야별 전문가로 구성되어있으며, 관계 회사와의 유기적인 시너지를 통해 창의적이고 차별화된 성과를 도출하고 있다. 특히 울산에서 대량생산을 위한 3D 프린팅 제조 시스템 스마트팩토리를 구축 중이다. 

금속 3D 프린팅으로 맞춤형‧경량화 제품 선보여

메탈쓰리디가 금속 3D 프린팅으로 생산하고 있는 대표적인 부품에는 자동차 디퍼런셜 기어와 타이어 휠 & 타이어 금형이 있다. 먼저 ‘자동차 디퍼런셜 기어’는 자동차 미션 부품인 디퍼런셜 기어 케이스를 위상 최적화 설계 및 제작된 것으로, 2019년 DfAM 경진대회 은상을 수상한 바 있다. 메탈쓰리디는 기존 주물 형태의 중하중 제품을 위상 최적화로 경량화시키고, 최적화된 Lattice 구조를 선정해 기어 구동시에 열응력 최소화 효율을 향상시켰다.

둘째로 메탈쓰리디는 개인 맞춤과 경량화를 동시에 실현하기 위해 금속 3D 프린팅을 통한 자동차 휠 제작에 나섰다. 자동차 휠은 연비는 물론 주행 성능 및 제동 기능, 연비 등 여러 기능에 영향을 크게 미치는 부품이다. 특히 연비 규제강화로 인해 자동차 경량화가 시급한 상황에서 휠의 무게를 1kg 줄일 경우, 자동차가 달릴 때 4개의 휠에서 얻는 무게 감소 효과는 최소 160~180kg에 이른다.  

이에 메탈쓰리디는 DfAM 설계를 통해 휠을 설계하고, 회사가 보유한 PBF 방식 금속 3D 프린터로 15인치 휠을 제작하는 데 성공했다. 그 결과, 기존 10단계 공정으로 이루어지던 제작 공정을 4~5단계로 줄여 시간을 단축했으며, 기존 생산방식으로 구현하지 못했던 획기적인 형태의 디자인과 경향화에 성공했다. 제작된 휠은 현대자동차의 아반테에 장착돼 실제 운행됐으며, 벤츠 S 시리즈용 휠은 18인치, 19인치 등 다양한 크기로 제작하고 향후 고급차 휠 등을 주문에 따라 제작할 예정이다.

양산 품질 관리시스템 ‘Metalsys 시리즈’로 작업환경 개선부터 품질 보증까지

또한, 눈에 띄는 메탈쓰리디의 3D 프린팅 솔루션은 ‘양산 품질 관리시스템’이다. 의료 및 항공 부품은 가공품의 특성상 높은 품질관리가 요구되나 현재의 X-Ray 검사 시스템으로 금속 부품을 검사할 경우에는 투과와 산란 문제로 정확한 품질 관리가 어려움 단점이 있다. 이에 메탈쓰리디는 ‘Metalsys-MPT(Melting Pool Tomogrphy)’를 개발했으며, 적층 가공물을 공정에 진행하는 동안 계속 모니터링해서 금속 적층물의 공정을 검사하고, 최종 결과물에 대해 품질을 보증할 수 있게 됐다. 

또한, ‘Metalsys-Medica’에 적용된 금속 3D 프린터는 SLM 방식의 ‘MetalsysE’ 시리즈로 의료 전용 장비에 맞게 윈포시스 고유의 기술인 진공 챔버 기술이 적용됐다. 이 장비로 고진공에서 타이타늄을 가공할 수 있으며, 레이저의 오동작 방지 모듈 내장 및 챔버의 폭발 방지 장치도 적용돼 있어 작업자와 작업환경의 안전성을 보증하고 있다.

이 제품은 적층 제품에 최적화된 금속 3D 프린팅 패키지로서 금속 3D 프린팅의 생명인 신뢰성과 품질 확보를 위해 분말이력관리 시스템, 공정 및 품질관리 시스템, 진공 챔버 기술 등을 탑재했다는 것이 장점이다. 금속 3D 프린터는 고순도의 정밀 구형분말이 사용되는데, 공정 특성상 50번 이상 재활용되면서 분말 품질 저하 문제가 발생할 수 있기 때문에 업계에서는 분말 품질관리에 대한 요구가 지속돼 왔다. 이에 메탈쓰리디는 ‘Metalsys-Powder’라는 분말관리 시스템도 별도 개발해 바코드 기반으로 현재 사용되는 분말의 이력관리와 보관 품질관리가 가능하도록 했다.

현재, 메탈쓰리디는 품질 관리시스템 패키지를 중공업 부품, 산업용 부품, 광대뼈, 턱뼈 등 얼굴과 치과 등 타이타늄 임플란트 제작사를 중심으로 영업에 박차를 가하고 있으며, 메탈쓰리디는 양산 품질 관리시스템 3D 프린팅 기술을 이용해 부품을 제작하고 있다.

‘Metalsys 250/500’ 개발로 안정적인 대량생산시스템 드디어 현실로

메탈쓰리디는 2년여 간의 개발 끝에 250x250x250mm 사이즈의 ‘Metalsys 250’에 이어서, 500x330x330mm 사이즈의 듀얼레이저를 갖춘 ‘Metalsys 500’을 개발했다. 향후에는 중공업, 자동차 회사 등에 납품을 하기 위해 대량 생산시스템을 자체적으로 갖출 예정이다. 이를 위한 물성 검증도 완료된 상태이며, 타이타늄과 알루미늄, 인코넬, 구리, 코발트 크롬 합금 등 다양한 소재들도 활용이 가능하다.

외산 금속 3D 프린터와 비교할 때 성형속도가 거의 비슷하게 나타나는 것을 확인하고 한국에서의 프린터 개발 가능성을 발견하였으며, 이번 ‘Metalsys 500’ 장비가 구축되면 국내에서는 최초로 금속 3D 프린터를 이용한 대량 양산 시스템이 이루어지는 셈이다. 이 프린터의 PBF(Powder 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 제작하는게 가능하다. 특히 메탈시리즈의 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 품질을 꼼꼼하게 체크할 수 있다. 또한, 이 프린터는 국내 외 시중에 나와 있는 프린터 소재들은 거의 다 사용할 수 있도록 제작됐다.

“적층제조 양산 원년 만들 것”

메탈쓰리디는 올해 양산 시스템 구축을 시작으로 100대의 금속 3D 프린터를 보급하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해 메탈쓰리디는 고른 품질과 물성이 나오는 금속 3D 프린팅 기술력을 위해 울산에 국내 최초로 3D 프린팅 스마트 팩토리를 갖추고 양산을 위한 시제품 개발에도 매진하고 있다. 

또한, 메탈쓰리디는 금속 3D 프린터를 활용한 다양한 양산 체제를 발굴하고, 영남권 3D 프린팅 대응전략 기지를 수립할 계획이다. 아울러 앞으로는 지금보다 더욱 대형 성형이 가능한 ‘Metalsys 800’ 개발도 조만간 진행할 예정이다. 메탈쓰리디 주승환 CTO는 “세계적으로 중공업을 시작으로 자동차까지 적층제조를 통한 부품 생산이 시작이 되는 시기에 국내에서도 이처럼 양산 시스템이 공급됐다는 점을 큰 의미가 있다”며, “올해가 적층제조 양산 원년이 될 수 있도록 기술력 확보에 중점을 둘 것”이라고 말했다. 

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