[메탈쓰리디 주승환 CTO] 최근 GE 항공이 3D프린터를 이용해서 만든 비행기의 제트엔진 수주액이 55조원이 됐다. 파리에어쇼에서 계약을 성사시킨 액수다. 3D 프린팅으로 효율을 20% 향상시키면서 독점계약을 체결했다.

서울~뉴욕간 비행기 연료비가 2억이면, 매번 4,000만원이 절약이 되는 것이다. GE 엔진만 그렇다. 다른 회사의 제품은 2억이 들어가는데 GE 엔진만 이런 효율을 보인다면, 결국 모든 엔진은 GE 것으로 바뀌고, 다른 회사는 매출이 제로가 되지 않을까. 고부가가치의 항공 산업에 3D 프린팅의 도입으로 이런 좋은 결과를 만들었다. 이제는 3D 프린팅으로 항공기를 만드는 시대다.

GE의 항공분야 진출과 3D 프린팅 시장 진출

2000년대 초반 GE 항공이 항공 부품을 처음으로 제작하고, 10년간의 테스트를 거쳐서 2014년부터 미국 알라바마의 앨번에 대량 생산 공장을 설립해 연간 4만5,000개의 부품을 대량 생산하고 있다(사진 1). 현재 공장에는 메탈프린터 수백 대가 설치돼 생산 중이고, 2차·3차 공장 설립계획을 가지고 있다. 앞으로 GE사는 메탈 3D프린터를 1,000여대까지 설치할 계획이라고 한다. 또한, 협력사에 설치될 9,000대를 더하면 10년내 1만대 메탈 3D프린터 보급을 예상할 수 있다.

GE는 항공용 부품 생산에서 AM 플랫폼을 구축하고 있다. 최근에는 15억불(약 1조6,000억원)을 들여서 매출 700억 정도 밖에 안 되는 메탈 3D 프린팅 업체 두 군데를 인수·합병했다. 이 뉴스로 전 세계의 메탈 프린팅 시장은 발칵 뒤집혔다. GE가 장비시장까지 진출해 공급하겠다는 계획을 세운 것이다. 아울러 GE사는 1억불을 추가로 투자해 인수한 컨셉레이저의 인원 수를 두 배로 늘릴 계획이 있다. GE항공에서 분리해, 현재 GE Additive라는 회사도 새로 만들어 유럽에 본사를 설립했다. 현재 3억불의 매출을 10억불(1조)까지 올린다는 목표를 가지고 있다.

메탈 프린터의 세계 시장의 동향을 보면 세계 시장의 리더는 25.9% 시장 점유율을 가진 독일의 EOS 사이며, 2위는 판매댓수 기준으로 21.5%의 컨셉레이저와 아켐사를 인수한 GE Additive다. GE의 항공 분야의 진출은 이 분야에 많은 의미를 가지고 있다. GE가 새로운 사업 부분을 만들고, 인수한 유럽의 두개의 회사가 발전을 거듭하고 있다. 다른 항공분야 경쟁사도 3D 프린팅 시장에 적극 진출하고 있어 우리도 새로운 분야에 적극 매진해야 할 듯하다.

경쟁사인 지멘스는 영국의 머티얼리스 솔루션을 인수하고, 스웨덴에 센터를 개설하는 등 최근에는 GE와 경쟁 부분인 발전기 가스 터빈 부분의 블레이드를 실장 테스트하는데 성공해 세계를 놀라게 했다. 항공기 엔진 분야는 지멘스와 MTC(독일의 항공기 엔진 회사)가 협력해 함께 발전하고 있는데 AM 생산분야 투자는 업계의 비밀로 언급을 하지 않을 정도다.

미국·유럽, 3D프린팅 대량생산 시대 도래

2017년 6월 사프란(프랑스의 항공기 엔진회사)이 항공용 부품 중 하나인 터빈노즐 eAPU60 부품(The turbine nozzle for the eAPU60)을 유럽의 항공안전국(European Aviation Safety Agency : EASA)에서 허가를 받았다. 안전허가는 결국 대량생산을 의미한다. 인코넬 주조방식로 제작하던 것을 하스텔로이 X(hastelloy X)로 3D 프린팅해 무게를 35% 줄이고, 8개 부품을 4개의 부품으로 단순화했다. 이제 유럽도 본격적으로 대량생산 체제로 들어가는 것이다.

최근에 뉴욕주는 1,250억원의 예산을 지원해서 항공용 부품 공장을 노스크 타이타늄사와 공동으로 뉴욕 폴리텍대학(SUNY)에 대학 내에 설립한다고 발표했다. 지방정부 차원의 생산을 위한 3D 프린팅 공장이 설립되는 것이다. 피츠버그에는 GE의 제3공장이 GE CATA라는 이름으로 1만평 이상 규모의 공장이 설립되고 있고, 피츠버그에 위치한 대표적인 비철금속 회사인 알코아사 또한 3D 프린팅 공장을 설립하고, 관련 업체 RTI를 15억 달러에 인수해 항공기 부품 등 많은 부품을 공급하고 있다.

이처럼 항공용 금속부품을 중심으로, 중공업 조선 분야까지 공장이 설립돼 생산이 시작되면서 3D 프린팅 대량 생산시대가 도래하고 있다. 세계 전체의 SM과 AM을 합친 생산 시장이 12조8,000 달러인데 이중에 5%만 AM 3D 프린팅 생산으로 변해도, 시장 수요는 640조원이나 된다. 어마어마한 팽창이 일어날 수 있고 급변하는 시장이다.

미국에 3D 프린팅 공장 인큐베이터 설치 제안

이렇게 세상이 변화를 거듭하고 있는데 우리나라는 아직도 조용한 아침의 나라인 듯하다. 소위 국내 전문가들도 3D 프린팅을 시제품을 생산하는 도구로 생각을 하고 있는 경우가 많다. 3D 프린팅은 이제 항공 산업을 시작으로 각 산업 분야에 생산 도구로 확대적용될 것이다. 이에 제대로 대응하려면 과거의 갇힌 사고에서 벗어나 유연한 사고를 가져야 한다.

기술을 끊임없이 개발 축적해온 독일 등 금속 3D 프린팅 선진기업들이 미국이라는 거대한 시장에 진출하고 몇몇 1군(Top Tier) 회사들이 시장을 장악하고 있는 상황에서 우리가 때맞춰 시장 공략에 나서지 않으면, 새로운 돌파구를 찾기 힘들 것이다. 이를 타개하기 위한 방법 중 하나로 GE 3D 프린팅 공장이 설립되는 피츠버그와 같은 도시에 정부와 민간이 협력해 3D 프린팅 공장 인큐베이터를 설치하는 것을 제안하고 싶다.

국산화된 장비를 납품해 미국 우주항공 부품을 만들고 궁극적으로는 대한민국이 세계 금속 3D 프린팅 공장이 되는 것이 우리의 목표다. 이미 품질이 가능한 장비가 메탈쓰리디에서 2년여 간의 공정 개발 기간을 마치고, 개발이 완료돼 생산되고 있다. 이 장비는 D중공업에 국산 장비로 납품이 돼, 항공 부품, 국방 부품이 제작이 되고 있다. 국산화가 돼, 양산이 시작된 것이다.

이제 시작단계로 허황된 꿈이라고 할 수도 있겠지만 우물안 개구리가 되지 않기 위해 한발 한발 뛰어오를 수 있는 발판은 마련해야 한다. 얼마 전 GE사의 피츠버그 공장을 방문했을때 골드러시로 대표되는 미국의 서부 개척시대가 떠올랐다. 미국이 서부 개척시대 프론티어(frontier) 정신을 통해 20세기 초강대국의 반열에 오른 것처럼 우리도 21세기 적층제조 강국으로 도약하기 위해 위험을 무릅쓰고 도전에 나설 때다. 항공 부품의 응용사례, 발전산업 분야의 경향, 새로운 항공용 프로젝트 제안을 필자 나름의 시각으로 기술해 보았다.

항공부품의 응용사례

현재 항공 부품을 3D 프린팅으로 만들려는 시도는 미국을 중심으로 많이 되고 있다. GE사의 경우 3D 프린터로 제트엔진을 만들려고 시도하고 있다. 작은 제트엔진을 3D 프린터로 제작하고, 실제 대형 제트엔진의 많은 부품도 3D 프린팅으로 만들어 사용하고 있다. 또한 생산공정에 적용해 대량생산을 하는 사례도 많다. 우리나라의 경우 엔진은 H사, 바디 등의 항공기 설계는 K사가 하는 데 아직은 뚜렷한 적용례가 많지가 않고 산업화 진행이 더디다.

항공기 산업이 외국처럼 활발하지 않은 점이 3D 프린팅 산업을 발전을 시키는데 걸림돌이 되고 있다. 우리도 고부가가치의 기계산업인 항공시장 진출이 중요한 시점이고 초창기 시장인 3D 프린팅에 적극적인 투자로 진입하는 것이 중요하다. GE사는 소형엔진을 메탈 프린터로 만든 것을 시작으로, 노즐, 항공용 부품을 실제 장착해 테스트하고 적용을 시작하고 있다. GE사가 3D 프린팅으로 제작한 엔진의 사례를 ‘사진 2’에서 볼 수 있다. 실제 GE가 3D 프린터로 소형 제트엔진을 프린팅한 것으로 실제 동작이 가능하다. 동일한 제작이 가능한 국산 메탈3D 프린터 판매협의를 위해서 신시네티의 GE 항공의 ATC(Additive Technolgy Center)를 방문해서 확인했다,

아울러 GE사에서 만든 부품은 ‘사진 3’에서 확인할 수 있다. 주로 인코넬과 타이타늄으로 제작을 하고 있고, 이 분야에서는 최고의 기술력을 가지고 있다. 한편, 스트라타시스사의 경우는 항공용 내장재 위주로 개발을 진행하고 있다. 대량 생산 시스템을 로봇으로 구축을 하려고 하고 있다. 현재 보잉사 등과 협의해서 진행 중이다.

항공 분야의 새로운 경향. 대형 사이즈 프린팅

PBF/SLM 방식으로는 GE-additive 사가 2017년 파리의 에어쇼에서 1m급 제품을 발표했다. 현재의 대량생산 체제의 중심기계인 PBF/SLM도 대형화가 되고 있지만 전자빔, 고속 용접 방식의 대형 사이즈를 DED 방식으로 프린팅하는 것으로 개발 경향이 바뀌고 있다. 대표적인 회사가 미국의 시아키사와 노르웨이의 노스크사다. 시아키사의 제품의 경우는 타이타늄을 고열로 녹여서 만들고, 미국 록히드마틴사와 에어버스에 납품하고 있다. 노스크사는 보잉사에 납품을 하기 시작했다.

주로 대형 사이즈의 부품으로 정밀하지는 않으나 타이타늄 박스를 깎아서 만드는 것보다 저렴하다. 두개를 하나로 붙여서 탱크를 만든다. 참고로 국내에도 시아키사 제품을 도입하기 위해 최근 미국에 있는 시아키사 아시아 태평양 사장을 초청해서 국내 울산 생산기술연구원에서 세미나를 한 바 있다.

항공용 프로젝트 제안, 제트엔진 제작부터 장착까지

국산 3D 프린터로 제트엔진을 제작하기 위한 프로젝트 구상을 했는데, 이제 실현이 됐다. 해외에 국산 메탈 3D 프린터를 판매하기 위해서는 제트엔진을 프린팅 하는 것이 필요하다고 생각한다. 실제 제트엔진을 프린팅한다면 국내외에서 많은 가능성을 타진을 할 수가 있다는 생각이 들고, 기술적으로 국산 프린터의 우수성을 외국에 알릴 수 있다.

해외에서 판매되는 엔진을 여러 대 구입을 해서 실제 분해조립 테스트를 진행했다. 3D 프린팅으로 제작할 주요 부품을 파악하고 실제 설계를 통해서 진행을 추진 중이다. 3D 프린팅으로 제작할 엔진을 설계하고, 먼저 플라스틱 프린터로 모델을 프린팅한다. 제트엔진 3D 프린팅 플라스틱 모델을 프린팅해서 설계상 문제가 없는 것을 확인한 후 국산 메탈 3D 프린터로 프린팅을 시작했다.

현재도 필자가 개인 프로젝트로 성공했다. ‘사진 4’는 메탈 3D 프린팅으로 임펠러를 만든 사례다. 현 프로젝트하고는 무관하나 예로 게재했다. 제트엔진 개발 후에는 제트기 드론에 장착하고 사이즈를 키워서 사람이 탈 수 있을 정도의 무인기에 장착 해보는 것이다. 메탈 프린터의 개발자로서 공정 개발을 위해 한 번 해볼 만한 프로젝트다.

제트엔진을 장착한 최종 목표인 제트기 드론 제작을 위해서 일본을 방문했고, 대형화를 위해서 개인용 제트기를 보기 위해서 미국 오대호 부근 그린시티에 소낙스사라는 곳에 방문했다. 가격대가 1.5억원 정도로 제트기 가격치고는 저렴하고, 비교적 안정적이어서 세계적으로 판매가 되고 있다. 이 개인용 제트기는 기존의 프로펠러 비행기 기체에 제트엔진을 달고 제트기로 개조를 한 첫 모델이다.

제트엔진은 무인기에 많이 사용이 되고 있는 체코산의 제트엔진이다. 이런 엔진을 국내에서 3D 프린팅 기술로 충분히 제작이 가능할 것이다. 지금은 제작이 완료돼 현실화 됐다. 제트 무인기는 사이즈가 큰 것이고, 먼저 작은 제트기 드론 개발을 위해서 일본 오사카 부근에 있는 드론 비행장을 방문해서 많은 제트기 드론 제품과 실제 날리는 것을 보았다.

일본은 전국에 제트기 드론을 날릴 수 있는 비행장이 있었고, 이런 곳을 비행장이라고 하지 않고 에어 스테이션(Airstation)이라고 불렀다. 원래 지방의 비행장이었으나, 비행수요가 없어져, 드론 및 RC기 용 비행장으로 사용하고 있으며, 지역 공무원 한분이 담당을 맡아 관리를 하고 있는 것이 인상적이었다. 일본에는 이런 비행장을 각 지역 지방자치기관에서 관리를 하고 있다고 한다.

드론, 무인기의 시장을 전세계적으로 보았을 때, 세계 최초의 3D 프린트된 UAV의 경우는 바디만 주로 플라스틱으로 만들었으나, 인명구조나 전투에 사용 가능한 타이타늄 바디(DED)와 제트엔진(PBF)을 순수 국산 3D 프린터로 제작을 시도하는 경우는 전세계적으로도 아직 유래가 없다.

이런 메탈 3D 프린터를 만들게 되면, 항공용 전용으로 제작돼 경쟁력을 확보할 수가 있다. 제트엔진 제품이 완성되기 전까지는 현재 널리 판매가 되는 독일산 판매용 제트엔진을 적용하고, 3D 프린팅 제트 엔진(3D printed Jet Engine)이 완성이 되면 바로 적용을 하면 될 듯하다. 그리고 DED 방식의 3D 프린터로 세계 최초 타이타늄 바디를 3D 프린팅해 적용하면 초음속까지 문제없이 비행할 수 있는 제품을 만들 수 있다(사진 5).

무인 제트기 드론시대, 3D 프린팅 적용으로 경쟁력 확보 가능

마지막으로 개발내용을 자세히 정리해 봤다. 현재 전세계적으로 만들고 있는 것이 제트기 드론이다. 나사와 보잉사가 만든 최신 제품은 길이 6m에 이르고, 실제적으로 여러 기능을 수행할 수가 있다. 이제 세계는 본격적인 무인 제트기 드론시대로 가고 있다. 여기에 3D 프린팅을 적용하면 생산 방식, 단가에서 국제 경쟁력을 확보할 수 있다. 엔진은 PBF 방식으로 찍을 수가 있지만, 크기가 큰 동체는 PBF 방식대신 DED 방식을 적용하면 타이타늄으로 만들 수 있다.

3축이나 5축 가공기에 DED 노즐을 개발한 것을 적용하면 쉽게 가능하다. 결국 두대의 메탈 3D 프린터로 자동 생산 시스템 구축이 가능하고, 이 방식이 구현되면 현재 1억원대 이상의 전세계 UAV 마켓에서 단가 경쟁력으로 세계시장을 점령할 수 있다(사진 6).

DED와 PBF의 기술을 가진 메탈 3D 프린터 업체와 비행기 전장의 기술을 가지고 있는 업체가 공동으로 개발을 한다면 국제 경쟁력을 가진 국내 제품으로 세계 시장을 누빌 수가 있을 것이다. 이에 대한 공동 연구 개발 추진이 필요한 실정이고, 이에 대한 많은 참여와 정부의 대책이 있기를 바란다.

마지막 최종 제언은 GE-Additive사가 파트너를 찾고 있다. 우리나라도 대규모 투자를 통해서 항공 부품 사업으로 진출하는 것이 필요하다. 미국에 공장을 세운다면 충분히 가능한 일로, Oerlikon사는 메탈 프린터 장비 50대를 구축해서 GE- additive사의 협력사가 됐다.

비근한 예로 노스크타이타늄사도 뉴욕주에 1,000억원 정도의 자금을 투여, 공장을 세우고, 보잉사에 납품을 시작했다. 이런 일련의 시도가 국내에서도 필요해 보인다.