헬로티 함수미 기자 |
각종 부품의 대부분이 금속 소재로 이뤄지는 제조업 특성상, ‘메탈 3D프린팅’은 제조혁신을 이끌 핵심기술로 기대 받고 있다. 제품의 요구 성능이 높아짐에 따라 더 복잡하고 미세해지는 형상을 기존 제조공법으로 대응하기 힘들어지고 있다. 메탈 3D프린팅을 활용하면 복잡한 제조 공법에서 이뤄지는 라이프사이클 비용을 효과적으로 절감해줄 수 있기 때문에 그 시장의 기대가 매우 높다.
그렇다면 국내 메탈 3D프린팅 시장의 현 상황은 어떨까? 또한, 실제 현장이 원하는 메탈 3D프린팅의 장비 활용은 어떤 방법일까? 지난 9월에 열린 ‘3D프린팅 유저 컨퍼런스’에서 3D프린팅사용자협회 주승환 회장이 제시한 산업 현장에 최적화된 장비 활용법을 소개한다.
3D프린팅 산업은 전체 제조업 시장의 약 15% 정도를 차지할 것으로 예측된다. 현재는 시장의 1%가 채 안 되는 규모로, 앞으로의 성장성이 더욱 기대되는 산업이다. EOS는 메탈 3D프린팅 시장은 5년 내 3배 정도의 성장을 예측했다. 기존의 플라스틱 3D보다 메탈 3D프린팅은 초기 단계이기 때문에 성장률이 더욱더 가파를 것으로 예측한 것이다.
국내 3D프린팅 시장 현주소는
3D프린팅 시장의 경우 해외는 부품 개발하는 서비스 시장이 주를 이루지만, 국내는 장비 위주 시장이 주를 이룬다. 국내 3D프린팅 시장 규모는 장비시장 규모로 생각할 수 있는데, 최근 2019년에서 2021년 사이 시장 규모가 대폭 줄어들었다.
그 이유는 3D프린팅 장비 시장이 거의 포화상태여서 정부의 투자가 줄어들었기 때문이다. 이를 해결하기 위해선, 장비 시장의 공공시장에서 벗어나 해외와 같은 부품·생산 서비스 시장으로 방향을 틀어야 한다.
국내 3D프린팅 시장에서 그나마 활발하게 사용되고 있는 분야는 의료용 시장이다. 의료용 3D프린팅 시장을 살펴보면, 초기 국내에 외산 장비가 들어오기 전까지는 두개골 하나당 약 천만 원대의 비싼 가격이었다.
이후 우리나라에 외산 장비가 들어오면서 약 600만 원까지 떨어지고, 최근에는 국산 장비로 양산하는 회사가 생기면서 두개골 사이즈에 따라 300만 원대, 150만 원대까지 가격이 하락했다. 외산 장비보다 국산 장비로 양산하게 되면 그만큼 가격이 하락하는 것이다.
가격은 하락했지만, 우리나라에서 두개골 시술은 약 1,500건 정도만 시행되며, 그중에서 3D프린터를 활용하는 시술은 5~600건 수준에 불과하다. 시장이 작으니까 적은 장비만으로도 포화 상태가 되는 것이다. 메탈 3D프린팅을 활용하는 산업군의 규모가 작은 것이 국내 메탈 3D프린팅 시장이 발전하지 못하는 가장 큰 원인이다.
국내 맞춤형 3D프린팅 산업 확장 필요성
전 세계 메탈 3D프린팅의 주요 산업군은 항공우주와 의료 산업 분야다. 국내 의료 시장의 규모는 이미 포화 상태에 이르렀다. 외국 항공우주 산업의 경우 다품종 소량생산의 고부가가치 부품 위주로 제작이 이뤄진다. 반면, 국내 항공우주 시장은 정부 시제품 제작의 과제 위주로, 1~2개의 회사만으로 충분히 소화해낼 수 있는 매우 작은 규모의 시장이다.
메탈 3D프린팅이 주로 사용되는 항공우주, 의료 시장이 국내에는 전무한 상황이라 볼 수 있다. 항공우주, 의료시장 대신 우리나라의 주력 산업인 자동차, 중공업 장비 소재 개발로 가는 것이 국내 메탈 3D프린팅 산업의 부흥을 위한 방향으로 보인다.
국내 시장과 외산 국산 장비 생산 시 원가 비교
항공우주·의료산업은 고부가가치 부품이나 신제품 개발이 주를 이룬다. 해외 외산 장비 가격과 인건비를 고려했을 때 생산비용이 국내보다 훨씬 저렴하다. 가격 경쟁력을 볼 때 양산을 위한 자체 장비 개발이 선두가 되어야 할 것으로 보인다. 그러기 위해선 생산을 위한 기술력, 생산시스템 구축과 어느 정도 규모의 시장 경제가 뒷받침돼야 한다.
경쟁력 향상을 위해선 공정 기술 개발이 필요하다. 스마트 팩토리 프로세스는 3D 스캔, 구조 해석, 열처리, 미세조직 검사, 3D 형상 측정 등을 통해 최상의 적층 가공 제품 제작 서비스를 제공한다. 이를 위한 DfAM, AM Simulation, Meltpool Monitoring 등의 기술이 필요하다.
안정된 메탈 3D프린팅을 생산하기 위해선 공장자동화, 품질관리시스템, 시뮬레이션 등이 고려된다. ‘일관생산시스템 구축’이 우선 목표다. 일관생산시스템 구축에 가장 중요한 것은 DFM 소프트웨어를 도입해 사용해야한다.
DFM 소프트웨어를 통해 더욱 쉽고 경제적인 방법으로 제품을 생산할 수 있도록 설계하고, 시뮬레이션을 통해 품질을 관리하며, 오류 시 일어날 비용 소모를 줄여야 한다. 장비와 소재, 열처리, 후처리, 가공 원천기술 확보로 최고의 원가 경쟁력을 확보해야 한다.
메탈 3D프린팅 생산 시스템 구축
새로운 시장변화의 지향점을 만족하기 위해선 스마트 제조를 위한 스마트 팩토리 개념 적용이 필요하다. 이를 적용하면 △중앙제어 및 분산제어를 사용한 적층 가공 공정 및 스케줄 관리 △개별 장비의 시스템 모니터링 및 원격 모니터링 △개발 장비의 재료 사용 이력 관리 △공정별 공정 모니터링 및 공정 모니터링 빅데이터를 사용한 AI 적용 공정 해석 및 불량 해석 △유연 생산을 위한 컨베이어 및 로봇암 베이스 스마트 팩토리 물류 구현 등이 가능해진다.
중앙 서버는 다수 장비 스케쥴 관리, 개별 장비 시스템 모니터링, 재료 및 분할 관리, 공정 모니터링 및 빅데이터 기반의 AI 공정 해석 및 관리 스마트 물류 구현 등을 기능을 포함한다.
그중 장비 스케줄 관리 기능 첫 번째는 중앙서버 중심의 금속프린터 및 후공정 장비 등록, 스마트폰을 통한 원격 장비 스케줄 모니터링이다. 두 번째 기능으로는 장비의 등록 및 개별장비 공정 viewer 기능(금속 프린터링 후공정 장비), 전체 장비의 스케줄 관리 기능이 있다.
GE나 하니웰 같은 글로벌 기업에서는 거의 모든 장비에 현재의 부품에 생산 상황을 체크하는 프로그램이 적용되고 있다. 관리 프로그램이 중요한 이유는 미연의 사고를 방지하기 위해서다. 데이터 히스토리를 보관하면, 후에 문제가 생겼을 때 책임소재를 명확히 할 수 있기 때문이다.
Meltpool Monitoring 시스템을 통해 생산 과정 중 품질을 체크하고 부품 출력해 후처리하는 경우도 있다. 실제 Computational Tomography 국내 소프트웨어를 개발해 테스트 실험한 결과, 제작된 제품의 품질은 대기업의 요구를 만족하는 수준의 품질이 나온다는 것이 증명됐다. 국내 공정기술력이 입증된 것이다. 반면 문제는, 공정개발 능력은 마련됐지만, 점점 실제적인 부품이 들어가면 규격이 상당히 높아진다는 것이다.
또한, 외국의 항공우주·의료 산업 위주의 고가 부품을 우리나라 주력 산업인 자동차나 중공업에 적용하면 단가가 맞지 않아 실제로 납품하면 이윤이 남지 않는 상황이 된다. 항공우주·의료 산업과 자동차·중공업에서 사용된 부품 소재의 단가가 다르기 때문에 일어나는 문제다.
메탈 3D프린팅 양산 사례
국내 메탈 3D프린팅이 직면한 상황을 정리하자면 △의료산업 생산 포화 상태 △생산 부품의 국내 생산 가능, 경제성 찾는 기술 확보 △단가에 맞는 대량 생산 부품을 찾는 상태라고 할 수 있다.
장기적으로 보면 3D프린팅은 인건비를 줄이면서 매출·이익을 높일 수 있는 기술이다. 특히 메탈 3D프린팅의 경우, 국내 주력 산업인 자동차·중공업 산업 분야에 상용화되면 큰 경제력을 가진 산업으로 이어질 수 있다.
공정개발 능력이 갖춰진 현재 시점에서 최종 양산 장비 양산이 관건이며, 생산 부품·시제품 짝·양산 기술 등의 투자로 메탈 3D프린팅이 활성화될 시간은 약 2년~3년으로 예측된다.
시장 활성화를 위한 인재 양성도 중요한 부분이다. 미국의 경우, 5%의 석·박사 고급인력과 95%의 2년제 대학생 이상 구축을 목표로 인재 양성 계획을 세우고 있다. 국내도 마찬가지로, 양산이 시작되는 시점에서 2년제 대학이나 공업고등학교 등의 연계를 통한 교육시스템이 발전해야 메탈 3D프린팅이 더욱 활성화될 것으로 보인다.
대기업의 주도적인 투자도 메탈 3D프린팅 활성화에 중요한 요소다. 자급력 있는 회사들의 투자가 시작돼야 뒤따르는 기업들의 투자가 이어질 것이다.
정리하자면, 국내 메탈 3D프린팅의 경쟁력 향상 방안으로는 △해외 장비 시제품 생산 시작, 국산 생산 장비 대량 생산의 안정화 △공정 기술 개발 △메탈 3D프린팅 일괄 생산 시스템 구축 △생산용 부품 생산 △대기업의 적극적인 투자 등으로 메탈 3D프린팅의 생산성을 높여야 할 것이다.
