[메탈쓰리디 주승환 CTO] 한국 금형산업은 생산 규모 세계 5위, 수출 규모 세계 2위의 위상을 자랑한다. 지난 2014년에는 32.2억 달러로 사상 최대 수출 실적을 달성했으며, 2017년에도 29.2억 달러를 수출했다. 무역수지 측면에서도 1994년부터 연속 흑자를 유지하고 있다. 그러나 세계 경제 침체, 국가 주력산업의 난항, 국내 원가 상승 등으로 금형산업도 어려움을 겪고 있다. 따라서 이 글에서는 첨단 신기술 개발과 금형산업에서의 3D 프린팅 도입, 지능형 생산체계 구축, 산업구조 개선 방안 등으로 금형산업의 위기를 타개할 방안을 소개하고자 한다.

내리막길의 금형산업, 금속 3D 프린팅이 성장 원동력 될 것

한국금형공업협동조합의 분석에 의하면, 지난 2016년 우리나라 금형산업의 생산 규모는 약 10조원으로 세계 금형생산의 6.1% 비중을 차지하는 것으로 나타났다. 이는 중국(19.5%), 일본(11.7%), 미국(6.4%), 독일(6.2%)에 이어 세계 5위에 위치하는 수준이다. 특히 2011년부터 2016년까지 5년간은 연평균 생산 5.5%, 내수 4.8%, 수출 4.5%의 고성장을 이뤘다. 생산 품목으로 보면 자동차 부품(34.3%)과 가전 부품(27.6%), 통신 부품(11.7%)이 약 74%를 차지하며, 플라스틱 금형(39.6%)과 프레스 금형(44.4%)이 84%의 비중을 차지하고 있다.

또한, 2017년 통계청 자료에 의하면 전국적으로 종업원 10인 이상 금형 회사는 1,654개로 4만2,500명이 종사하고 있으며, 서울·경기·인천 등 수도권에 54.1%, 동남권에 37.5%가 위치한다. 그러나, 종업원 10인 미만의 소규모 금형 업체 수가 전체의 약 80% 정도인 점을 보면, 기업과 근로자는 더 많을 것이다.

우리나라 금형산업은 집약된 금형 제조 인프라와 조직화된 협업 네트워크, 정보화 기술의 접목, 근면성을 기반으로 세계에서 가장 빠르게 성장했으며, 이는 한국 금형산업의 주요 경쟁력이 되고 있다. 그러나 꾸준한 연구 개발과 산업 육성에도 불구하고 첨단 고부가가치 기술 분야 및 품질 측면에서 일본·독일 등 금형 선진국을 넘어서지 못하고 있다. 아울러 고령화, 청년 인력 유입 감소, 중국 및 동남아 국가의 신규 시장 진입과 성장으로 후발국과의 경쟁력 격차는 좁혀지고 있다. 또한, 글로벌 경제 침체 지속, 국가 주력산업의 수출 감소, 미·중 무역전쟁에 따른 성장 저하에 임금 상승·근로 시간 단축 등 국내 원가 상승 요인까지 가중되고 있다. 2018년 조사에서 한국공업협동조합원 소속 기업의 48%가 생산 감소와 경영 악화를 예상했으며, 고용도 2017년 대비 4.9% 감소했다. 이는 금형산업의 지속성장을 위한 방안 모색이 절실한 시기라는 방증이기도 하다.

금형산업은 3D 프린팅 기술을 가장 효율적으로 사용한 대표적 제조 산업분야 중 하나다. 우리나라 금형 산업은 저가형은 설계는 국내에서, 제작은 중국에서 하는 실정으로 금형 제작 업체는 가격 경쟁력에서 매우 어려운 상황이고 많은 금형 업체가 대부분 문을 닫고 있다.

금속 3D 프린팅을 통한 금형 공정 개발 활발

고가형은 AI 기술 기반으로 가장 효율적인 설계가 진행되고 있고, 여기에 Generative 디자인이 적용된 금형설계가 시작되고 있다. 가장 많은 응용 분야가 열효율을 따지는 부분으로 냉각 부분이다. 이 냉각 부분은 설계는 가능하지만 대부분 중국에서 제작하기 때문에 외연 확장에 한계가 있다. 결국, 이것을 구현할 수 있는 유일한 방법은 금속 3D 프린팅 밖에 없다.

이와 같은 상황에서 금속 3D 프린팅에 대해서 알아보는 것은 뜻깊은 일이다. 3D 프린팅 기술은 제품 설계에서부터 시제품 제작과 완제품의 대량 생산까지 도달하는데 필요한 시행착오를 컴퓨터 기반으로 통합하면서 제품 생산시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 목업 제작 대비 제작비용이나 기간을 획기적으로 단축할 수 있게 해준다. 다시 말해, 실제 금형을 만들기 전에 설계된 대상 부품의 형상을 사전에 검증하고, 설계의 문제점을 파악할 수 있는 이점이 있다. 최근, 사출금형 개발 분야에서 제품의 생산성 향상과 변형을 최소화시키기 위해 고속 냉각채널(Conformal Cooling Channel)을 가진 금형과 이종 재료 혼합식 3D 프린팅 금형 공정이 활발히 개발 적용이 되고 있다.

이종재료 혼합 3D 프린팅 금형은 컴퓨터 3차원 모델, 즉 3D CAD, CT, MRI Scan 또는 3D Scanning 데이터로부터 곧바로 실물형상을 만드는 기술로 디자인과 시제품, 그리고 최종제품 생산에 이르는 시간과 비용을 대폭 줄여준다. 그중 금속분말을 3D 프린팅 하는 방법 중 레이저-PBF 기법을 이용한 금형 기술은 기존 기계 가공에 의한 공법보다 소재의 낭비가 없을 뿐만 아니라 친환경적인 방법으로 금형 형상 및 냉각채널을 제작할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 이 공정을 제품 생산 공정에 적용하게 되면 인서트 단가, 생산성, 사이클 타임, 성형품 품질을 향상시킬 수 있으며, 기존 금형제작공정에 비해 원가절감 효과가 크다.

이전에는 장비가 고가인 점과 3D 프린팅 재료인 메탈파우더가 비싸기 때문에 일반 중소기업에서 적극적으로 활용하기 어려웠으나, 메탈쓰리디는 국산 장비와 국내 분말업체인 창성의 기술지원으로 가격대를 50% 이상 낮추고, 성능은 우수한 금형 제품을 만들어 공급하고 있다. 이제는 국산화돼, 제작시 2배 이상으로 가격을 주는 일은 없어지고, 산업이 활성화되고 있다.

메탈쓰리디는 미국에 이어 세계 두 번째로 이 기술을 성공적으로 개발했으며 전자, 자동차, 의료, 국방 등 다양한 산업에 적용하고 있다. 이처럼 3D 프린팅 기술로 금형을 제작하면 짧은 셋업 시간, 공구 작동 오차감소, 생산성 향상 등의 이점이 있어 국내 사출 포함, 금형 관련 약 7,000개 중소기업에서 이를 적용하고 있다.

최근 금속 3D 프린터 장비는 중소기업이 구매하기에는 적합한 가격대로 하락하고 있으며, 금형제작에 쓰이는 메탈파우더도 kg당 약 25만원에서 10만원대로 떨어진 상태다. 아울러 제작 시간이 빨라지고, 표면이 우수하며, 후가공이 거의 필요 없다는 장점도 가지고 있다. 따라서 3D 프린팅 기술로 제조업의 패러다임을 바꾸기 위해서는 저렴한 장비와 저가의 메탈파우더, 속도, 정밀도, 고속 냉각성을 바탕으로 빠르게 시장에 적용하는 업체가 승자가 될 것이다.

고속 냉각 채널 금형 개요

금형산업은 국내 주력 수출 산업인 자동차, IT, 가전 등에 파급효과가 가장 큰 기반산업으로서 금속 3D프린팅 응용분야 중 가장 주목받고 있는 분야다. 최근 선진국을 중심으로 사출성형 생산성 향상 및 변형 최소화를 위한 형상적응형 냉각채널을 가진 금형 기술에 대한 연구개발 및 적용이 활발하게 진행되고 있다.

기존의 기계가공 공정에 의해 제조된 사출성형 금형의 경우 가공방법의 제약으로 인해 냉각채널의 형상이 직선형태로 사출품의 균일한 냉각이 불가능하다. 3D 프린팅 기술은 금형내부의 복잡한 형태의 냉각채널 구현이 가능해 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 균일하게 제어해 냉각효율을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 사이클 타임 저감 및 금형 내 냉각속도 차이에 따른 열변형을 대폭 절감하여 불량을 최소화하고 생산성을 극대화할 수 있다.

사출 냉각 시간이 전체 사출 공정의 50% 이상을 차지하고 있다. 이렇게 큰 비중을 차지하고 있으나 기존의 제작방식인 CNC에 의한 금형의 경우 가공방법 및 공구의 제약으로 인해 단순한 선형형태의 냉각수/유로가 설치된 냉각 코아 밖에 설치할 수 없어 사출 제품에 온도편차가 발생하고 이러한 원인으로 제품의 품질이 저하되는 형태을 나타낸다. 그러나 3D 프린팅 방식을 적용하는 경우 금형 내 냉각코어(Cooling Core)의 내부에 좀 더 최적화된 자유로운 냉각채널도 구현할 수 있어서 금형 표면을 따라 냉각수 흐름을 효과적으로 배치해 냉각효율을 높일 수 있고 이로 인해 사이클 타임 감소 및 냉각 속도 차이에 따른 열변형도 대폭 줄일 수 있다. 또한, 기존 선형 냉각채널의 경우에 비해 입체 냉각을 하게 되면 냉각시간을 30% 이상(제품형상에 따라) 단축할 수 있다.

기존에는 금속 3차원 프린터의 높은 장비 가격과 금속 분말의 가격이 큰 장애 요인이었으나 현재는 장비와 분말 가격이 어느 정도 산업적인 경쟁력 있는 가격이 되었다. 메탈쓰리디와 윈포시스는 국내의 금속 3차원 프린터 제조사 장비 개발 및 공정 개발회사로 이제 장비 및 금형 보급을 희망한다. 그림 1은 윈포시스와 메탈쓰리디가 실제 과제를 수행하면서 얻은 3년 전의 결과로 개념을 이해를 하는 데 도움이 될 것이다. 현재는 자동차, 중공업,플라스틱 업체 등에서 많은 적용이 이루어지고 있다.

설계 및 제작 프로세스의 기술적 특성

금형 연구의 자료는 발주처와 생산회사가 상이하기 때문에 보통은 공개되거나 공유되기 어려운 게 일반적이다. 따라서 이번 사례에서는 일반적인 금형을 선정했다. 구조의 복잡성으로 냉각 시간이 오래 걸리는 제품의 생산성 향상을 위해 냉각 시간 단축을 위한 냉각 회로 설계 방법론 개발 및 금형 개발을 위해 연구 대상 부품은 그림 3과 같다. 설계 사양 및 조건들 도출과 설계 방법론 개발을 위해 엔지니어는 부품을 냉각 효율 향상 측면에서 철저히 분석해야 한다.

(1)설계 방안 및 사양 도출

이 부품은 Baffle 구조를 가졌지만, 부품성형을 위한 많은 냉각시간이 소요돼 부품 생산 싸이클 타임이 무척 길었다. 이에 따라 기존보다 최소한 40% 이상의 냉각 효율 증진을 위한 형상 적응형 냉각회로를 설계하고자 한다. 기존 냉각회로 방식으로는 균일한 냉각이 어려운 구조, 특히 부품의 윗부분은 냉각수 접근이 거의 이루어지지 않아 냉각 효율이 무척 낮다. 이에 따라 상부까지 접근이 가능한 구조, 즉 형상 적응형 냉각 회로 설계가 유일한 대안이다(그림 4).

(2)적합 냉각회로 타입 선정

3D 프린팅 기술의 장점인 제조의 한계성을 벗어날 수 있으므로 다양한 형태의 냉각회로 구조를 구상할 수 있다.(그림 5) 이외에도 지그제그 타입, 밋유형, 비계형 등의 종류도 고려해 볼 수 있다.

설계 및 제작 프로세스 사례

그림 6인 현장 실험을 위해 기존 금형과 개발한 금형을 비교해놓은 것이다. 또한 그림 7에서는 제작된 금형들에 의해 실험을 수행해 실험결과를 표에 나타냈다.

금형에 의한 사출성형 실험은 기존 현장 생산환경에서 요구하는 조건하에서 수행됐다. 즉 성형품의 품질은 상급이어야 하며, 성형품 취출시 성형품의 온도는 85℃ 이하여야 한다. 이 조건하에서 기존 금형의 경우에는 최소한 57초의 싸이클 타임이 요구됐다. 이에 따라 품질은 만족스러웠지만 게이트의 끝단 부분에서 실(string)과 같이 소재가 이어졌다. 이는 완전 고화가 이루어지지 않았다는 것을 의미한다. 또한, 성형품 취출 후 금형 표면온도 측정값이 77.4℃로 높은 편이다.

이에 반해 개발된 형상 적응형 금형에서는 싸이클 타임 25.7초에서 아주 만족할만한 품질을 얻을 수 있었다. 또한, 성형품 취출 후 금형 표면 온도 40.5℃로서 냉각 성능의 우수성을 보여줬다.

형상 적응형 고속 냉각 채널 금형은 플라스틱 사출금형에서 냉각 시간 30~ 50% 축소 및 품질을 개선 할 수 있는 탁월한 생산 방식으로 국내에서는 많은 업체에서 1차, 2차에 걸쳐 실시 보급이 되고 있다.

실제 적용 사례

이 금형은 중소기업의 제조 장비에 들어가는 것으로 냉각 효율을 높이기 위해서 기존 방식이 아닌, 고속 냉각 금형 기술에 냉각 회로에 나선 구조를 만들어서 냉각 수 순환시에 열효율을 높게 하는 기술이 적용됐다. 본 기술은 울산에서 개최된 제3회 DFAM 경진대회에서 2등을 수상했고, 산업체의 장비에 적용이 돼 효율을 향상시키고 있다.

여기서는 실제 연구 사례만 이야기했지만, 현재, 우리나라에서 자동차, 중공업 등에 양산이 되는 사례는 점차 늘고 있으며, 효율도 향상되고 있다. 이미 많은 경쟁사들이 앞선 기술로 경쟁을 이겨내고 많은 이윤을 내고 있는 것이다.

결론

기존의 고속 냉각 금형, 그리고 메탈 3D 프린팅과 AI 기반의 고효율 금형이 미국 대학과 인공지능 연구실의 협업으로 1995년부터 개발돼 우주, 항공 분야에서 진행이 되고 있다. 반면 우리나라의 경우 현재 저가형 일반 금형의 설계를 한국에서 하지만, 실제 제작은 중국에 맡기고 있어서 3D 프린팅 기술을 접목하기 어려운 현실에 놓여있다.

그렇지만 설계한 것을 유일하게 구현할 수 있는 방안은 앞으로 3D 프린팅 밖에 없다. 이에 대한 실제 현장 적용이 점차 늘어나고 있으며, 국산화로 가격 경쟁력 향상이 진행되고 있다는 사실은 우리나라의 금형 산업은 고무적이다.

김관모 기자 다른기사 보기