자동차·비행기용 알루미늄 부품 제조 가능한 완전한 형태의 ‘셀(cell) 생산 시스템’ 구축
차세대 적층 제조 양산 청신호…프리미엄 에어로텍, 다임러, EOS 3사 협업 성과 가시화

프리미엄 에어로텍(Premium AEROTEC), 다임러그룹(Dailmler), EOS 등 3개 업체가 합작한 독일의 ‘NextGenAM 프로젝트’가 산업용 3D프린팅 제조기법에 기반한 차세대 양산 시스템의 구축에 나선지 1년이 흘렀다. 그 결과 3D프린팅 제조, 즉 적층 제조(additive manufacturing) 방식으로 산업용 부품을 시험 생산하는 시설이 독일 북부 파렐시 소재 프리미엄 에어로텍에서 처음으로 가동에 들어갔다. 이에 따라 자동차나 항공기 부품을 적층 제조 방식으로 연속 생산할 수 있는 길이 열리게 됐다.

적층 제조에 의한 제품 생산은 3D프린팅 기술이 확대되면서 빠르게 각광을 받는 제조기법으로 특히 이를 위한 ‘양산‘시스템 구축에 관련업계가 열을 올리고 있다. 항공기 구조물 공급업체인 프리미엄 에어로텍, 메르세데스-벤츠가 속한 다임러그룹, 3D프린팅 솔루션 전문업체인 EOS 등 각 분야 선도기업 3곳이 NextGenAM 프로젝트를 중심으로 뭉친 이유도 차세대 적층제조 시스템 구축을 위해서다.

NextGenAM 프로젝트는 지난해 5월 공식 출범한 이래 적층제조 자동화 가능성을 염두에 두고 3D 적층제조 공정 전반에 걸친 연구개발을 진행해왔다. 그러한 노력의 결과 파렐시 소재 프리미엄 에어로텍 사업장에 산업용 3D프린팅 제조를 위한 시험생산 시설이 처음으로 설치돼 가동되는 결실을 거두게 됐다.

NextGenAM 프로젝트의 목표는 자동차와 비행기에 들어가는 알루미늄 부품을 제조할 수 있도록 완전한 형태의 ‘셀(cell) 생산 시스템’을 구축하는데 있다. 셀 생산방식이란 여러 제조공정이 하나의 생산라인에서 이뤄지는 컨베이어 방식이 아니라 숙련공들이 제품 하나에 대한 전체 공정을 책임지는 제조기법을 말한다.

이 시험생산 시설은 비행기와 자동차 부품제조를 위해 설치된 만큼 적층 제조, 후처리가공, 품질검사 등을 위한 여러 가지 장비로 구성돼 있다. 3사가 개발에 성공한 시험생산 라인은 개별적인 공정은 물론 적층제조 공정과 기존 공정이 연결되는 부분까지 전 공정을 자동화하고 통합화시킴으로써 수작업 공정을 없앴다는 점이 혁신적이다. 따라서 복잡한 부품 제조, 부품 경량화, 다품종 소량생산이 가능할 뿐 아니라 고도의 자동화로 생산비용 절감에 크게 유리하다.

파렐의 프리미엄 에어로텍 사업장에 설치된 산업용 3D 시험생산 시설의 핵심은 레이저 4개가 장착돼 대형 금속부품 제조가 가능한 EOS사의 고속 3D프린터 ‘EOS M 400-4’이다. EOS 공유모듈(EOS Shared-Module)이라는 방식의 모듈형 주변장비들이 이 산업용 3D프린터를 중심으로 연동해 움직이도록 돼 있다. ‘EOS M 400-4’ 프린터는 파우더 공급 장치를 갖추었고, 독립된 셋업 스테이션, 언패킹 스테이션과 연결되어있다.

그 결과 3D프린팅용 알루미늄 분말 소재를 이 프린터에 투입하고 배출하는 작업, 새로운 빌딩 작업 준비를 위하여 시스템을 세팅하는 작업, 빌딩이 완료된 부품을 파우더 베드에서 언패킹 하는 작업은 실제 적층 제조 과정과 병행하여 독립적으로 수행될 수 있어 생산성이 상당히 향상된다. 적층 제조로 만들어진 부품은 보호 가스 용기에 담겨 자동으로 움직이는 자율 이동장치에 실려 자동화된 각 스테이션으로 이동하게 된다.

뒤 이은 후처리가공 작업 역시 전체적으로 자동화돼 있다. 로봇이 셋업 스테이션으로 부터 적층 제조 부품을 얹은 빌드 플랫폼(build platform)을 열처리를 담당하는 열처리로 안에 위치시킨다. 이 작업이 끝나면 로봇은 3D프린팅한 부품과 빌드 플랫폼을 다시 품질검사를 위한 3차원 광학측정기로 옮긴다. 최종적으로 모든 작업이 끝난 빌드 플랫폼은 와이어 절단 장치로 옮겨져 플랫폼과 적층 제조 부품을 분리시킨다.

NextGenAM 프로젝트가 3D프린팅(적층제조)을 위한 연속공정을 자동화하는데 성공한 것은 프로젝트에 참여한 3개 업체가 각자의 전문성과 경험을 살려 협력한 결과다. EOS는 산업용 초고속 3D프린팅 시스템을 공급하는 업계 선두주자이며 프리미엄 에어로텍은 세계에서 처음으로 3D프린팅 양산으로 제조한 항공기 금속재 구조부품을 유럽 최대 항공기 제조업체인 에어버스에 공급한 바 있다. 지금까지는 적층 제조 부품을 만드는 소재로 티타늄 금속분말이 쓰였으나 앞으로는 이를 알루미늄 금속으로 대체한다는 것이 NextGenAM 프로젝트의 계획이다. 메르세데스-벤츠를 생산하는 다임러그룹은 자동차 양산과 관련한 오랜 경험을 이번 프로젝트에 쏟아 붓고 있다. 파렐의 3D프린팅 시험생산 시설에서 실제로 자동차 부품 양산이 이뤄질 수도 있으므로 다임러의 참여는 매우 중요하다.

토마스 엠(Thomas Ehm) 프리미엄 에어로텍 최고경영자(CEO)는 “이번 프로젝트를 통해 이미 부품 제조단가를 크게 낮추는 기술을 개발하는데 성공했다”며 “양산을 위한 3D 프린팅 생산시설의 경제성이 밝다는 점을 보여주는 것”이라고 밝혔다.

EOS 최고기술책임자(CTO)인 토비아스 아벨른(Tobias Abeln) 박사는 “자동화된 생산라인에 적층제조 공정을 결합시킴으로써 3D 프린팅에 의한 양산 체제를 구축하는 길이 다양하게 열렸다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 설명했다.

자스민 아이흘러(Jasmin Eichler) 다임러 미래기술연구소(Research Future Technologies) 소장은 “3D 프린팅은 기존의 자동차 제조방식을 보완하는 생산방식으로서 자동차 제조업 분야에서 매우 다양하게 활용되는 방향으로 발전하고 있다”고 분석했다.

아이흘러 소장은 “이 예비 연구개발 프로젝트를 통한 협업을 통해 우리는 금속 적층제조 연쇄공정의 생산비용 효과를 끌어올리는 노력을 하고 있고 상당한 진척을 보이고 있다”며 “이 프로젝트는 종래의 자동차 부품 제조방식과 비교해 신뢰성, 기능성, 지속성, 경제성 등에서 뒤지지 않는 적층 제조 양산 방식을 자동차 부품 양산에 적용하는 날을 앞당기는 초석이 될 것”이라고 덧붙였다.

3D프린팅 양산을 위한 시험 생산라인은 파렐 사업장의 기술센터에서 향후 몇 개월간 추가 시험을 거치게 되며 시험생산 시설에 대한 평가도 이뤄지게 된다. 아울러 이번 시험생산과 관련한 자료도 향후 공정시간, 수익성, 비용최적화를 위한 구체적인 자료분석에 활용될 예정이다. NextGenAM 프로젝트는 적층 제조 공정을 적용해 알루미늄 금속부품을 양산하고 생산원가도 절감하는 시스템을 구축하는 것을 목표로 더욱 박차를 가해 나간다는 계획이다. 자세한 내용은NextGenAM 프로젝트 홈페이지(https://www.eos.info/nextgenam)에서 확인할 수 있다.