3D프린팅 기술을 접목한 금형 제조기술 동향

※ 장비 기술은 프린터 기술이 주를 이루며 다양한 적층 방식에 따라 구분되며, 적층 대상을 도면정보로 직접 변환이 가능한 역설계 기술인 3D스캐너를 포함 ※ 소재 기술은 대상의 속성에 따라 금속, 세라믹, 고분자 수지, 생체 소재, 복합 소재 등이 있으며 형태에 따라 액체, 분말, 고체 등으로 나눌 수 있음

※ 소프트웨어 기술은 기반 SW 기술, 응용 SW 기술 및 임베디드 SW 기술로 나눌 수 있음

3D 적층제조 시스템은 적층방식과 사용하는 재료에 따라 다양한 기술로 구분되며, 적용 소재로는 현재 플라스틱과 금속이 주로 사용되고 있음.

2. 3D프린팅 활용 시장 동향

가. 시장 분석

전 세계 3D프린팅 시장은 ‘16년 61억 달러에서 ‘22년 262억 달러로 연평균 27.6%씩 성장 전망

- 미국이 3D프린팅 시장의 38.0%로 가장 큰 시장을 차지하고 있으며, 일본, 독일, 중국이 전체시장의 65.8%를 점유

2018년 국내 3D프린팅 시장규모는 3,958억원이며, 16.2%로 성장하여 2022년에는 6,296억 원에 이를 것으로 전망됨

- 3D프린팅 시장은 장비, 소재, S/W, 서비스로 구분되며, 장비분야가 전체 시장의 45%를 차지하고 있으며, S/W 24%, 서비스 20%, 소재 11%순으로 시장을 점유하고 있음

- 이중 금형제작 및 보수와 관련된 3D프린팅용 금속 분말 및 장비시장은 지속적으로 성장할 것으로 예측됨

- 다품종 소량생산의 시장 수요에 대응하여 시장이 증가할 것으로 보이며, 항공우주 및 의료용, 고부가가치 부품용 고가 금속분말 시장과 소비재 중심의 저가 금속분말 시장, 금형 보수용 금속 분말 시장으로 나뉘어 지속 성장할 것으로 예측

- 현재 금속 3D프린팅 전용 금속분말 시장은 협소하나 향후 시장 수요에 대한 맞춤형 3D프린팅 전용 금속분말 시장으로 확대되어갈 것으로 예측

3D 프린팅 기술을 적용한 제품 시장규모는 아래와 같으며 시제품 금형 및 금속주형 제작이 세계시장의 20% 이상을 차지하는 큰 시장을 형성하고 있음

- 금형을 제작하는데 사용되는 3D 프린터는 금속분말을 사용하는 금속 프린터이며, 장비 공급업체로는 EOS, CONCEPT LASER, Arcam, MCP Systems, Optmec, 서비스업체로는 3T RPD, Cal RAM 등이 있다. 금속 3D 프린터 시장점유율을 보면 독일 EOS가 전체 시장의 46%를 점유하고 있으며 그 뒤로 CONCEPT LASER가 17%, Arcam AB가 10%를 차지하고 있음

3. 3D프린팅 기반 금형 제조 기술

가. 금형산업에서 3D프린팅 기술 활용

금형산업은 3D 프린팅 기술을 가장 효율적으로 사용한 대표적 제조 산업분야 중 하나로, 일반적인 금형 제조 프로세스는 아이디어, 디자인, 금형제작, 성형 그리고 측정 및 후가공으로 진행됨

- 3D 프린팅 기술은 아이디어와 디자인 단계인 쾌속조형(Rapid Prototyping: RP) 및 목업(Mockup) 단계부터 적용됨. 즉, 제품설계에서부터 시제품 제작과 완제품의 대량 생산까지 도달하는데 필요한 시행착오를 컴퓨터 기반으로 통합하면서 제품 생산시간을 단축시킬 수 있고, 목업 제작 대비 제작비용이나 기간을 획기적으로 단축할 수 있음. 즉 실제 금형을 만들기 전 설계된 대상 부품의 형상을 사전에 검증하고, 설계의 문제점을 파악할 수 있는 이점이 있음

- 최근, 사출금형 개발 분야에서 제품의 생산성 향상과 변형을 최소화시키기 위해 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channel)을 가진 금형과 이종 재료 혼합식 금형 개발에 대한 쾌속 툴링(Rapid Tooling, RT) 공정연구가 활발히 진행되고 있음

- 쾌속 툴링은 컴퓨터 3차원모델, 즉 3D CAD, CT, MRI Scan 또는 3D Scanning 데이터로부터 곧바로 실물형상을 만드는 기술로 디자인과 시제품 그리고 최종제품 생산에 이르는 시간 과 비용을 대폭 줄여줌

※ 쾌속 툴링 중 금속분말을 3D 프린팅 하는 방법 중 Direct Metal Laser Sintering(DMLS)기법을 이용한 쾌속 툴링 기술은 기존 기계가공에 의한 공법보다 소재의 낭비가 없을 뿐만 아니라 친환경적인 방법으로 금형 형상 및 냉각채널을 제작할 수 있어 많은 주목을 받고 있음

- 아래 그림처럼 DMLS 공정을 적용하면 인서트 단가, 생산성, 사이클 타임, 성형품 품질이 향상되며, 기존 금형 제작공정에 비해 원가절감 효과 큼

※ 하지만 고가의 장비를 활용해야 한다는 점과 3D 프린팅 재료인 메탈파우더가 비싸기 때문에 일반 중소기업에서 적극적으로 활용하기 위해서는 정부 차원에서의 지원과 장비, 소재의 개발이 필요함

나. 금형 산업의 수요/공급 체계

금형 산업의 수요/공급 체계는 수요기업 내 금형부서 혹은 자회사를 기반으로 수요금형을 직접 제작·조달하거나 수요기업의 협력업체(1~3차)를 통해 금형을 외주 조달하는 구조로 되어있음

- 3D프린팅 기반의 공정혁신을 위해서는 수요기업 중심의 기술개발, 타당성 검증 및 기술 투자가 필요함

다. 수요 기반의 요구 기술

(형상성형부 부품) 3D프린팅 기반의 냉각채널과 같은 가열/냉각 효율 극대화 구조제작 및 플라스틱 및 프레스 금형의 복잡형상, 고정밀 및 고내구성 핵심부품을 위한 기술

- 성형품의 품질 및 생산성을 결정하는 핵심부품으로 정밀도, 내구성 우선 요구되며 적용재료는 금형특수강이 일반적임

- 기존의 절삭공정은 공정의 한계로 원활한 냉각 효율을 얻을 수 없었으나 3D프린링으로 제작된 금형 내 냉각코어(Cooling Core)는 내부에 복잡한 냉각채널도 구현 가능하여 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 배치하여 냉각 효율을 높일 수 있으며, 이로 인해 주조 사이클타임 감소 및 냉각속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있음

※ 적용 소재는 주로 공구강이 사용되고 있으나 마르에이징강 및 스테인리스도 사용됨

- 일본 파나소닉은 사출 부품을 찍어내는데 필요한 금형을 3D프린터로 만들어 생산비용을 약 30% 절감할 수 있을 것으로 전망하고 있음

- 자동차 변속기 제품의 다이캐스팅 금형 코어의 경우 제품의 복잡한 형상으로 인한 인서트 금형의 과열, 알루미늄 소착과 이로 인해 제품 표면이 거칠어지는 기존 금형의 문제를 3D프린팅으로 금형 코어를 제작하고 5축가공기로 표면을 가공하여 적용함

※ 형상부의 전면 냉각이 가능해져 소착이 억제되고 알루미늄 제품의 표면 급랭조직의 두께가 1.0mm에서 1.6mm로 증가했으며, 제품 형상부의 광택이 증가하는 효과를 얻음

- 냉장고의 guard 코어에 3D프린팅 적용을 통해 코어에 냉각수로를 설치함으로써 플라스틱 제품의 휨 문제를 개선하고 주조 사이클 시간이 단축 가능하며, 그 외 냉장고의 팬 금형에도 3D프린팅 기술을 적용하여 냉장고 팬의 편심량을 기존의 0.33g/cm에서 0.06g/cm으로 개선하여 냉장고 팬 소음을 감소시킨 사례가 있음.

(기부품 기능강화) 형상 성형부 표면의 내구성, 열효율 특성 등의 향상을 위한 기능성 이종소재 적층 기술

- 금형의 하부는 저가의 일반 금속으로 제작하며, 국부적인 집중웅력이 요구되는 부위 및 기능 및 효율이 요구되는 상부는 기능성 금속을 적층하여 금형을 제작함으로써 원가절감/고기능성 금형 제작이 가능 ※ 주로 금속 판재 성형을 위한 Hot Press Forming Die에 적용, 급속 가열/냉각이 반복되는 금형에 적용

(금형보수) 현재는 금형과 동일한 소재를 용접봉으로 용접 후 래핑하는 방식으로 금형을 보수하고 있으나, DED(Directed Energy Deposition) 방식 기반의 3D프린팅 기술로 금형을 보수

- 금속 표면에 레이저를 조사하여 용융 풀을 만들고, 만들어진 용융 풀에 공급된 금속 분말까지 완전히 용융한 다음 급속으로 응고시키는 방식으로, 레이어 간 완벽한 결합이 이루어지기 때문에 기계적 물성의 경우에도 단재와 유사하거나 더 우수한 수준을 달성할 수 있음

라. 공급 기반의 요구 기술

(금형 소재) 금형 소재의 분말화 및 가격경쟁력 확보 필요 - 사출 및 프레스 금형 전용 특수강의 3D프린팅 소재화가 필요하나 현재 3D프린팅용 소재 중에는 특수강 유사 소재 2~3종만 존재하며, 기존 금형 소재 대비 금형 적용 가능 3D 프린팅용 소재의 kg단 단가는 약 10~20배 수준 ※ 신규 및 유사소재에 대한 이질감으로 신뢰성이 낮은 실정

- 사출금형용 공구강 분말소재(SKD61등), 신발금형용 금속 분말소재 (Mild steel, Al합금 등), 주/단조, 압출 금형용 금속분말소재 (Stellite계) 및 금형 보수용 금속분말소재 (Fe계, Al계 등)의 개발 필요

- 이종소재접합 프린팅용, 선택영역 표면경화용, 자가 치유형 스마트 금형 분말 소재, 능동냉각 제어형 스마트 금형 분말소재, 환경부하 감지 및 능동대응 스마트 금형 분말소재 등의 개발 로드맵 수립

(금형 제조 장비) 3D프린팅 장비기업이 금형산업 內 실용화를 위한 사례 제안에 치중됨, 금형 전용 3D 프린팅 장비 개발 필요

- 사형금형 제조용 BJ/PBF 프린팅 기술, 멀티 프린팅 헤드/레이저 개발 및 이송 제어 기술, 복잡형상(등각채널 등)금형 제작용 PBF 프린터, 금형 제작 및 보수용 중소형 DED 프린터, 복합(AM+SM) 가공기 등의 장비 개발 로드랩 수립

마. 국/내외 개발 사례

(민간 주도) 금형 수요기업, 3D 프린팅 장비기업, 연구지원기관 등과 더불어 소수의 금형제조기업 중심으로 시금형 제작 사례 有

- (금형수요-장비기업) 자동차, 전기/전자 분야 대기업과 3D프린팅 장비기업과의 협업으로 시제작

- (금형제조기업) 국내 2개사(대동전자, Apro)에서 하이브리드 방식(PBF+Cutting) 장비 도입 후 자체 시금형 제작

- (연구지원기관) 생기원, 테크노파크 등이 지원사업 등을 통하여 기업수요 시금형 제작지원을 수행

(정부 주도) 금형분야 수요기반 3D프린터 및 공정기술 확보를 위한 과제 진행

(선진국 동향) 수요기업, 금형기업, 장비기업 협업중심 일부 양산금형 제조

- (일본) 금형제작에 유리한 하이브리드 타입 3D프린터(Mastuura, Sodick) 개발에 선두, 플라스틱 사출금형에 다수 적용 시도, Panasonic-Matsuura 협업으로 장비 상용화, 금형제작 특화 S/W개발

- (유럽) Audi社, Volkswagen社 등 자동차 글로벌 제조기업과 EOS, Conceptlaser, Renishaw 등 금속 3D프린터 선진제조사의 협업으로 자동차 부품 성형용 금형 다수 실용화

4. 결론 및 시사점

가. 정책 및 R&D 방향

(해외 정책 동향) 주요 선진국은 3D 프린팅 산업을 신성장 동력으로 주목하고 육성을 위해 자국의 상황에 맞는 중점 분야를 선정 후 전략적인 연구개발추진

- (미국) 세계 최고수준의 기술력을 기반으로 원가절감 및 생산에 소요되는 에너지 및 소재의 절감 추구 및 제조 인프라 혁신 추진

- (일본) ‘13년부터 복잡한 형상의 주조금형을 제작 가능한 3D 프린터 개발에 착수하였으며 산학연 컨소시엄을 통한 연구개발 진행 중이며 ’14년부터 금속 분말 3D 프린팅 개발 프로젝트를 추진

- (독일) 프라운호퍼레이저 연구소를 중심으로 수요가 큰 금속소재 개발과 기술연구 추진

- (미국) 세계 최고수준의 기술력을 기반으로 원가절감 및 생산에 소요되는 에너지 및 소재의 절감 추구 및 제조 인프라 혁신 추진

- (중국) 복잡 부품 및 금형개발을 위한 4대 국가 첨단 기술 연구프로그램 지원 및 혁신센터 건립을 통해 기존 산업과 3D 프린팅 기술의 연계 지원 진행

(정부지원 정책현황) 16‘년 삼차원프린팅산업 진흥법 시행을 통해 ’17~19년 3D프린팅 산업 진흥 기본 계획을 통해 국가 미래성장동력 산업으로 3D프린팅 산업 육성을 위해 정부차원의 산업진흥계획을 수립

- 3D프린팅 산업 진흥을 위해 관계부처 합동으로 연도별 시행계획을 수립하고, 세부정책과제 및 추진내용을 구체적으로 제시 - 조선, 자동차, 기계, 전자, 에너지 등 주력산업 고도화를 위해 3D프린팅 맞춤형 제품기획 및 공정기술개발을 통한 부품경량화와 고성능화 추진

- 기술 인프라 구축을 위한 지역별 특화산업을 중심으로 기술개발 및 기업지원 인프라 구축 및 운영 진행

- ‘20년 글로벌 시장 선도 Top3 기술경쟁력 확보를 목표로 3D 프린팅 전략 기술 로드맵 수립을 통해 분야별 핵심 기술 개발을 통한 중장기적 확보 전략 마련하였으며 10대 핵심 활용분야에 “스마트 금형” 기술이 포함

(정책방향) 우리나라의 제조환경 특성상 수요기업의 강력한 요구가 없는 경우 중소기업이 주를 이루고 있는 하부 뿌리 기업 차원에서 주도적으로 기존의 공정을 대체하여 3D프린팅 기술의 적용 유인은 어려운 실정으로 이를 극복하기 위해서는 수요기업의 글로벌화와 국내 제조환경에 적합한 3D 프린팅 기술의 공정분석과 수요파악 및 정보 구축이 요구됨.

- 또한 기존의 절삭가공에 기반한 공정기술에 비해 적층가공 기반의 공정방식의 기술수준 및 경험적 축적이 부족하므로 해당 기술에 대한 타당성 평가와 분석 및 후속 연구 개발투자 등에 정부의 역할이 필요함.

(기술개발) 기본의 절삭공정 기반의 금형 제작 공정을 대체하기 보다는 기존에 제작이 어려웠던 형상 적응형 냉각채널을 보유한 금형 및 이종소재를 활용한 고기능성 금형 등과 같이 기존의 뿌리기술의 고유한 특성과의 조화를 통한 공정 기술 개발이 요구됨

- 3D 프린팅이 가지고 있는 느린 제작 속도, 고가의 소재 등의 문제를 해결하기 위한 장비, 소재의 연구개발이 필요

출처 : keit pd 이슈리포트

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