산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2019.7. 특집 요약 (p39~55)

AM으로 시작되는 제조의 신시대
사출성형과 절삭가공에 이어, 제3의 선택지로서의 AM

복잡한 형태의 부품을 단품이라도 짧은 납기와 저렴한 비용으로 만들 수 있게 될 가능성이 있다. 애디티브 매뉴팩쳐링(Additive Manufacturing)/ 3D프린팅이 기존의 제조 방식을 크게 바꾸는 기술로 새롭게 주목을 받고 있다. 지금까지 그 장점을 살릴 수 있는 용도는 일부 분야에 한정되어 있었으나 AM기술의 진화와 활용 노하우가 축적됨에 따라 AM을 사용하는 것이 당연 시 되고 있다.

Part 1. 총론
AM활용은 선행하는데 유리, 선진 유저는 이미 실용 단계

산업에서의 3D프린터 이용이 확산되고 있다. 그것은 시작품을 만드는 수단이 아닌, 고객에게 판매하는 제품의 제조를 목적으로 한 이용이다. 과거에는 부품 단가가 높은 항공∙우주 분야 및 의료 분야 등이 중심이었지만, 최근에 와서는 자동차나 철도 등의 운송기기, 일반 소비자용 제품 등에서의 활용 사례도 늘어나고 있다. 최근 몇 년 사이에 3D프린팅을 ‘AM(애디티브 매뉴팩처링)으로 부르고 있어 본 특집에서도 지금부터는 AM이라는 용어를 사용하겠다.

빠른 AM기술의 진화로 인해 그 동안 과제였던 생산성 및 정밀도, 물성 등이 개선되고 있다. 이와 같은 진화를 일찍이 간파한 일부 기업은 실제 운용을 위한 연구개발 및 실천을 전개해 노하우를 축적해 왔다. 그 결과, AM의 활용에서 큰 효과를 얻을 수 있는 구체적인 용도를 찾아내어 정비해 나가고 있다.

AM기술은 최근 몇 년 동안 급격히 진화하고 있으며 시장 규모도 앞으로 10년간 대폭 확대될 전망이다. 금형을 사용한 성형과 절삭 가공에 이어, 제3의 선택지로서 AM을 포함한 제조의 신시대가 바로 눈 앞에 와 있다.

-- AM 이용의 장점은 크게 2가지 --
우선 AM의 장점은 크기 2가지로 볼 수 있다. 첫 번째는 과거에는 실현하지 못했던 기능 및 성능을 실현해 제품이나 부품의 부가가치를 대폭 높일 수 있다는 점이다. 그 최대 이유는 형태의 자유도가 높다는 것에 있다. 공구와의 간섭 및 사출 구배(勾配)와 같은 제약 때문에 기존 공법으로는 만들 수 없었던 복잡한 형태도 일체화된 조형이 가능하다. 이에 따라 경량화를 실현하거나 조립 공정 및 조달을 줄임으로써 저비용화 및 단기 납기를 실현할 수 있다.

부가가치 향상은 형태의 자유도가 높은 것에만 기인하는 것은 아니다. 최근에는 AM에 의해 부품 안에 복수의 소재를 최적으로 배치하는 멀티머티리얼의 방법이 추진되고 있다. 이것은 미소(微小) 단위로 재료를 부가해 나가는 AM만의 특징이다.

두 번째 장점은 소량 생산품에서의 저비용화 및 단기 납기의 실현이다. 이것은 형태의 자유도가 높은, 다시 말해 부품의 일체화를 통해서도 얻을 수 있는 장점이지만, 그 배경이 되는 AM의 특징에는 차이가 있다. 틀을 사용하지 않고 1개의 품목 단위로 조형할 수 있는 3D 모델을 비롯해 디지털 데이터로 제어하기 쉽다는 특징이 소량 생산품에서 빛을 발한다. 이와 같은 특징이 재고 Less에서의 보수 부품 제공 및 개별의 최적화한 제품을 저비용으로 제공하는 매스커스터마이제이션(mass-customization) 등 새로운 비즈니스 모델의 실현으로도 이어지게 된다.

-- 설계가 가능해도 만들 수 없었던 부품 --
산업에서 AM을 이용하는데 세계적으로 최첨단을 걷고 있는 기업 중 하나가 미국 제너럴 일렉트로닉스(GE)이다. GE가 AM을 실제 제품에 적용한 최초의 사례가 항공기용 제트 엔진의 연료 노즐의 개발이다. “예전에는 기능ㆍ성능을 만족시키는 설계는 가능했으나, 그 구조를 양산하는 방법이 없었다”(GE 애디티브 일본총괄책임자의 토마스 판 씨)고 한다. 그 점에서 생각해 낸 것이 AM이다.

GE는 AM에서 높은 기술력을 보유하고 있는 미국 모리스 테크놀로지의 협력을 얻어 이를 실현. 또한 새로운 연료 노즐은 용접 및 납땜하는 부품을 20개에서 1개로 줄여 25%의 경량화를 실현. 재고는 95% 절감할 수 있었다.

GE는 2012년에 모리스 테크놀로지를 매입해 그 이후 AM의 활용을 급격하게 확대해 나갔다. 항공기 엔진 내의 다양한 부품, 엔진 이외의 항공기 부품, 발전 터빈 등 항공기 이외의 부품에 이르기까지 AM의 적용 범위를 넓혀 나갔다. 또한 AM의 사내 활용을 전개하는 것에 그치지 않고 그것으로 축적한 활용 노하우를 사외에도 제공해 사업화에 나섰다. 2016년에는 유럽의 AM장치의 제조 업체 2사를 잇따라 매입. GE 그룹의 횡단적 조직(GE 애디티브)을 설립했다.

-- 단순한 교체로 생각하지 않는다 --
이와 같이 AM의 활용에서 커다란 효과를 얻을 수 있는 용도는 확실히 존재한다. 그러나 AM을 기존 공법의 대체 수단으로 도입할 경우, 큰 효과를 얻을 수 없는 경우가 많다. 새로운 기능 및 성능은 GE와 같이 AM만의 새로운 설계를 적용했을 때 처음으로 얻을 수 있기 때문이다.

그렇다고 해도 최종적으로 AM을 적용할지 여부에 관한 판단에는 기존 공법과의 비교가 필요하다. 방대한 노하우가 축적되어 있는 기존 공법으로 ‘만들 수 없는’ 형태는 그리 많지 않기 때문이다. 부품 분할을 전제로 한다면 기존 공법의 적용 범위는 한층 더 확대된다. 그 경우에는 절삭가공과 금형을 사용한 성형은 나눠서 생각하는 것이 좋다. 형태의 자유도, 생산성, 사용 가능한 재료 등에서도 절삭가공과 사출성형에는 서로 차이가 있기 때문이다.

다시 말해, AM을 사용하면 장점을 얻을 수 있는지를 판단하는 것이 상당히 중요해 진다. AM을 전재로 최적화된 설계를 감안한 후에 산출한 장점과 비용을 기존 공법의 그것과 이해득실을 따져본다. 장점과 비용은 단일 부품뿐만이 아니라 조립과 조달과 같은 주변 공정도 포함해서 검토한다.

일본에서도 선진 유저는 꾸준히 노하우를 축적하고 있다. 예를 들어, AM의 조형 서비스를 제공하는 일본적층조형(미야기(宮城) 현, JAMPT)은 독일의 뮌헨 공과대학의 레이싱 팀(TUfast Racing Team)이 개발한 2019년 시즌용 차체의 쿨링 하우징의 조형 의뢰를 받았다. “뮌헨 공과대학은 이 부품을 복수의 조형 서비스에 의뢰했으나, 조형에 성공한 것은 오직 JAMPT뿐이라고 들었다”(일본적층조형).

쿨링 하우징은 각 차륜의 축대 부근에 부착하는 부품으로서 내부에 복잡한 냉각 기관을 가지고 있다. 재료는 AlSi10Mg로 파우더 베드 방식의 AM장치를 사용했다. 해당 방식에서는 중공(中空) 부분에 미경화(未硬化) 분말 재료가 채워 진 상태가 되기 때문에 이것을 조형 후에 제거하는 공정이 필요해 진다. 이 때, 내부 배관처럼 뒤얽힌 부분으로부터 미경화 분말을 제거하는 것이란 쉽지 않다.

JAMPT에서는 레이저의 출력 및 주사(走査)속도, 적층 두께 등의 조형 조건을 시행착오를 통해 미경화 분발을 완전히 제거할 수 있게 되었다. 일반적으로 조형 중에 미경화 부분에도 어느 저도 열이 전달되는 경우가 많아, 반(半)경화와 같은 상태가 되어 버리기 십상이다. 이것을 피할 수 있는 조형 조건을 노하우로 가지고 있었기 때문이다.

파나소닉의 라이프솔루션즈도 작업 노하우를 오랫동안 축적해 온 회사 중 하나이다. 20년 이상 전부터 AM의 연구 개발을 추진해 독자적인 기술도 개발해 수많은 특허를 취득. 10년 정도 이전부터 사출성형의 양산용 금형을 AM으로 만들기 시작했다.

-- 기술 개발로 생산성도 편리성도 향상 --
그렇다면 언제부터 AM을 이용하는 것을 검토해야 할까? AM장치 업체 등의 기술은 지속적으로 진화를 이어나가고 있다. 예를 들어, 생산성. 대량 생산품에 AM을 적용할 때에는 기존의 공법과 비교한 경우와의 생산성 차이가 중요하지만, 그 평가의 기반이 되는 AM의 생산성이 점점 더 향상되고 있다.

생산성 이외에도 기존 공법과 조합한 하이브리드 가공의 효율화 및 멀티머티리얼 대응 등의 개발이 활기를 띄었다. 최근에는 조형 상황을 모니터링해 인공지능(AI) 등을 활용한 최적의 조형 파라미터를 자동 조정하는 기능과 같이 편리성도 향상되고 있다.

그렇다고는 하지만, AM기술이 충분히 진화된 뒤에 도입하는 것은 너무 늦다. 편리성은 확실히 진보되고 있지만, 실제로 어느 부분에 사용하면 좋을 지는 유저 측에서 판단하는 부분이 아직 크다. 가능한 한 빨리 도입해 노하우를 축적하는 것이 필요하다. ‘누구나 사용할 수 있게’ 되고 난 후에는 차별화될 수 없어 경쟁력이 없어진다.

Part 2. 사례(1); 브라운호퍼 연구기구
산·관·학 연대로 AM을 추진하는 독일 70사 컨소시엄이 과제를 해결

AM / 3D프린팅 산업의 이용에서 선행하는 독일. 구체적인 용도를 상정한 AM 활용의 연구 개발을 산·관·학 연대로 추진하고 있다. 그 중심에 있는 것이 유럽 최대의 응용연구기관인 독일 브라운호퍼 연구기구(이후부터 브라운호퍼로 호칭)이다.

브라운호퍼는 72곳의 연구소로 구성되어 있어 각 연구소 소장은 주변 대학의 교수를 겸하는 등 독일 각지의 대학과 밀접한 관계를 맺고 있다. 한편으로는 연구 예산의 약 3분의 1은 민간 기업으로부터의 위탁 연구로 조달하는 등 산업 수요를 주도하는 연구에 주력하고 있다. 이 브라운호퍼의 전개를 통해 독일에서의 AM 산업 이용의 최전선을 살펴보도록 하겠다.

-- 70사가 참가하는 20의 프로젝트 --
-- 기존 공법과 하이브리드를 연구 --
-- 철도 차량의 외판 제조에 AM을 적용 --
-- 토폴로지 최적화의 사용법을 결정한다 --

Part 2. 사례(2); 파나소닉
하이브리드 AM으로 양산용 금형 제작, 사이클 단축 및 성형 불량 삭감에 효과

AM/ 3D프린팅의 산업에서의 이용이 뒤처진 일본에서도 AM의 선진 기업은 존재한다. 그 중 하나가 파나소닉의 ‘라이프솔루션즈’이다. 라이프솔루션에서는 AM과 절삭의 하이브리드 조형 기술을 개발해 사내에서 사출성형의 양산용 금형에 적용. 사내 활용을 추진하는 가운데 개발한 조형 기술로 약 100건의 특허를 취득하고 있다.

-- AM과 절삭의 하이브리드 제조를 금형에 적용 --
-- 하이브리드 AM으로 제작한 금형의 장점 --
-- 조형과 절삭의 양면에서 과제를 극복 --

Part 3. 기술과 응용

■ 확산되는 세계의 AM 활용 사례

AM (1); 단조(鍛造)로는 불가능한 형태의 티탄합금으로 만든 호일
미국 ERE와 미국 GE애디티브(GE Additive)와 공동으로 개발한 ‘HRE3D+’. 전자 빔을 사용하는 파우더 베드 방식의 AM장치로 조형했다. 형태 자유도가 높아 단조(鍛造)로 만들 때보다 폐기물의 양을 80% 줄일 수 있다. 후 가공 시간도 5시간에서 15분으로 단축했다.

AM (2); 레이싱카에 부착해 시험해 본다
팀 펜스키에서는 레이싱카 본체의 부품 및 정비하는 곳에서 사용하는 다양한 도구를, 미국과 이스라엘에 본사를 두고 있는 스트라타시스(Stratasys)의 AM장치로 조형하고 있다. 스티어링 호일의 프로토타입의 모크업. 그 밖에 사이드미러의 개체 및 에어컨덕터, 급유용 노즐의 핸들 등을 AM으로 조형하고 있다. 실제 차에 탑재되는 경우도 많다고 한다.

AM (3); 셔틀버스 차체를 의자까지 포함해 일체형으로 조형
미국의 오크리지 국립연구소가 개발한 12인승 자율주행형 전기자동차. 4륜 모두 옴니 호일을 탑재하고 있다. 차내의 의자도 포함해 차체를 재료 압출법(FDM/FF방식)의 대형 AM장치로 일체를 조형했다. 차체의 전후 방향에 적층하고 있다.

AM (4); 전동 바이크의 타이어와 시트를 AM으로
독일 빅랩이 개발한 재료 추출법(FDM/FFF)의 AM장치 ‘BigRep one’과 ‘BigRep STUDIO’를 사용해 조형한 E-바이크의 실물 크기 프로토타입의 ‘NERA’는 15개 부품으로 구성되어 있다.

AM (5); 헬멧 내부의 충격 흡수재를 고객 맞춤형으로 조형
미국의 스포츠 용품 제조사인 리델(Riddell)이 AM장치 제조사인 미국 카본과 제휴해 헬멧의 라이너(충격 흡수재)를 AM으로 만들었다. 라티스 구조로 충격 흡수의 성능이 높다.

AM (6); 빅데이터로부터 도출한 미드솔(Midsole)
독일 아디다스가 개발한 미드솔 ‘Futurcraft 4D’. 축적한 방대한 주행 데이터로부터 신발 내부 구조를 결정해 미국 카본의 AM장치로 조형했다. 이미 양산 체제가 갖춰있으며 전세계에서 이와 같은 미드솔이 들어간 슈즈가 판매되고 있다.

AM (7); 개인에게 안경을 최적화된 형태로, 시력 조정까지
벨기에의 메테리어라이즈가 안경용 렌즈 제조사인 HOYA 등과 공동으로 개발한 오더 메이드 안경인 ‘Yuniku’. 3D로 스캔 한 얼굴의 데이터를 활용해 한 사람 한 사람에게 최적화 된 안경을 제작.

AM (8); 소형 회수 캡슐의 자세제어분사기(스러스터, Thruster)
우주항공연구개발기구(JAXA)가 개발한 우주 스테이션 보급기(補給機) ‘고우노토리 7호기’에 탑재된 소형 회수 캡슐에 8기 탑재된 자세제어분사기. 토폴로지 최적화의 적용으로 질량을 기존의 184g에서 67g으로 약 64% 삭감했다.

■ 다양하게 진화하는 AM 기술

AM (9); 소형·경량에 저렴한 가격을 모두 갖춘 금속 AM장치
-- 유니콘; 유니콘이 2019년 4월에 발매한 지향성 에너지 체적법(LMD)의 금속 AM장치 ‘Lasermeister 100A’. 광학계 및 노즐 등을 독자적으로 개발해 장치 본체의 소형화/경량화와 저가격화(세금 별도 3,000엔)를 실현했다.

AM (10); 용해 상태를 감시해 파라미터를 제어
-- 미쓰비시중공공작기계; 2019년 3월에 첫 호기를 납입한 ‘LAMDA200’. 미쓰비시중공공작기계는 당월 5월, 용해 상태를 감시해 조형 조건을 피드백 하는 ‘모니터링 피드백 기능’의 제공을 옵션으로 개시했다. 조형의 진행에 따라 변화하는 열 용량의 영향을 가미함으로써 조형 불량을 삭감할 수 있다.

AM (11); 긴 섬유를 사용한 CFRP, 제작한 후 적층
-- 임파서블 오브젝트; 임파서블 오브젝트가 개발한 ‘CBAM-2’는 긴 섬유의 CFRP(탄소섬유강화수지)로 조형할 수 있는 AM장치. 먼저 탄소섬유를 짜 넣은 시트에 잉크젯 기술을 사용해 단면 형상 부분에만 수지를 포함시켰다. 이 시트를 쌓아 올려 압력을 가하고 열을 가해 수지를 녹여 굳힌다.

AM (12); 레이저 조사와 분말 공급, 복수 층으로 병행 동작
-- 오로라 랩; 호주의 오로라 랩(Aurora Lab)의 ‘RPM-1’은 금속 분말에 의한 적층과 용해 결합을 동시에 병행해 실행하는 방식으로 조형 속도를 비약적으로 높인 AM장치이다.

AM (13); 초음속으로 금속 분말을 녹여 서 뿌린다
-- SPEED3D; SPEED3D가 개발한 AM장치는 가열한 금속 분말을 공기에 의해 초음속으로 내뿜는다. 알루미늄 합금 및 동 합금 등의 저융점(低融點) 금속으로 조형할 수 있다.

AM (14); 와이어를 레이저로 녹이는 방법으로 저 비용화
-- 브라운호퍼 연구기구; 브라운호퍼 연구기구의 레이저 기술연구소(ILT)에서는 와이어를 사용한 지향성 에너지 체적법(LMD)의 형조 헤드를 개발하고 있다.

AM (15); 잉크젯 기술을 사용해 금속 부품을 고속 조형
-- 데스크탑 메탈; 금속분말을 바인더로 경화시키는 방식을 채용하는 미국 데스크탑 메탈의 ‘Production System’. 1시간당 1만 2,000㎤의 조형 능력을 가지고 있다. 조형 후에는 용광로에서 가열하는 후(後)처리가 필요하다.

AM (16); 100만개의 면 발광 레이저로 3,000개를 넘는 빛을 조사(照射)
-- 이오스; 독일 이오스(EOS) 사가 2021년에 실용화 예정인 ‘Laser Pro Fusion’. 수지 재료를 대상으로 한 파우더 베드 방식(PBF)의 신기술이다. 광원에 100만개의 VCSEL(면 발광 레이저)를 사용해 이것을 집약한 3,456개의 빛으로 하여 조형 헤드를 분말 표면에 조사(照射) 한다.

 -- 끝 --