[첨단 헬로티]
3D프린팅, 공장 자동화 등 차세대를 준비하는 신기술과의 조화
금형산업은 뿌리산업 중 하나이자 대표적인 국가 기간산업이다. 80년대 이후, 금형산업계는 선진국의 금형 기술을 국내에 보급하고 발전시켜 괄목할 성과를 이뤄왔다. 4차 산업혁명으로 분류되는 현대 사회에서도 첨단 장비와 정밀한 연구로 금형 기술을 꾸준히 발전시켜가고 있다. 스마트해진 금형 기술은 각 산업 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 보인다.
산업 분야에 적용되는 최신 금형 기술
한국생산기술연구원(이하 기술연구원)은 골자 그대로 생산기술 개발에 목적을 둔 국가 소속 연구기관이다. 기술연구원은 각 산업 분야별로 기술 연구를 진행하고 있으며, 무엇보다 실용화 지원으로 국내 중소·중견기업을 육성하는데 궁극적 목적을 둔다. 연구원 내에서 금형기술을 다루는 부서는 뿌리산업기술연구소의 금형기술그룹이다. 이곳에서는 최신 금형기술에 관한 연구 성과를 기업 현장에 확산해왔다.
금형기술그룹은 우수한 품질의 금형 설계와 설계된 금형의 정밀측정 및 시험, 시제품 제작 실용화에 이르기까지 공정별 지원을 아끼지 않는다. 최근 금형기술그룹은 열가소성·열경화성 이종소재 사출성형 금형기술, Roll-to-Roll 열 성형시스템기술, 탄소섬유강화 복합소재 대응 금형기술 등 금형 소재 다양성과 금속 강도 관련 연구 개발을 수행하고 있다.
이와 관련한 금형기술그룹의 대표성과 중 하나는 ‘대면적 복합 광기능부품 정밀 R-I/C molding 기술’ 사례다. 연구 당시, 금형 업계에서는 40인치 이상의 대형 박판 투명 플라스틱 성형품의 대량 생산 기술이 필요한 상황이었다. LCD TV 도광판, 태양전지 집광판 상에는 광로(light path)를 제어하는 무수한 미세패턴이 형성된다.
▲한국생산기술연구원 금형기술그룹은 우수한 품질의 금형 설계와 금형 정밀측정 및 시험 등 공정별 지원을 진행해왔다.
이에 관련 업체에서는 미세패턴을 포함한 대면적 플라스틱 박판을 한 공정으로 쾌속 사출압축 성형공정기술 및 이를 위한 금형·성형장비 개발이 필요했다. 이에 그룹에서는 점광원 기반 대면적 디스플레이 대응 40인치급 도광판/확산판을 생산하기 위한 정밀 R-I/C molding 기술을 개발했다.
개발 이후, 업체는 기존 압출 도광판의 한계를 벗어나 대형 웨지형 도광판 생산이 가능해졌으며, 미세광학패턴 다양화를 통한 광휘도 30～40% 향상됐다. 또한, 사이클 타임 단축에 따른 생산성 증대와 면 조명, 광고판, 프레넬렌즈 등 여러 응용분야로의 확장이 가능해졌다.
금형과 3D프린팅, 대립은 NO, 보완은 YES
국내외 3D프린팅 시장이 가파르게 성장하고 있다. 3D프린팅 관련 조사기관에 따르면, 3D프린팅 글로벌 시장 규모는 오는 2022년까지 매년 평균 27.6%의 고성장이 이어져 262억 달러로 전망됐다. 국내 시장은 2022년까지 24.1%의 연평균 성장률을 보이며, 1조 원 규모로 성장할 것으로 보인다.
3D프린팅 기술 동향을 보면, 미국, 유럽, 중국 등 선진 국가는 제작 속도, 정밀도 향상 등 기능 개선, 마그네슘, 티타늄 등 다양한 신소재 개발 등의 연구에 집중하고 있다. 30여 년 전인 1983년에 탄생한 3D프린팅 기술은 하드웨어 및 소프트웨어, 인터넷 발달로 발전을 거듭했다. 현재 3D프린팅은 타 제조업 분야에 비해 압도적인 시장 비율을 차지하지 않지만, 앞서 보여준 수치가 말하듯이 높은 성장 가능성을 가진 기술임에 틀림없다.
▲금형 기술과 3D프린팅 기술은 상호보완적이라는 의견이 업계 내에서 지배적이다.
한편, 일각에서는 3D프린팅의 기술 개발이 금형 산업을 위협할 수 있다는 우려가 존재한다. 이에 미국의 비즈니스 잡지인 '아비트리지 매거진'은 3D프린팅 공정이 저임금 일자리를 위협한다고 논평한 바 있다. 3D프린터로 저렴한 비용과 빠른 제작 시간으로 물건을 만들어낸다면, 제조업의 역할이 축소될 것이라는 의미다.
우려와는 달리, 금형 기술과 3D프린팅 기술은 상호보완적이라는 의견이 업계 내에서 지배적이다. 3D프린팅은 양산 체제인 제조 기술을 대체하기 위해 경제성이 보장돼야 한다. 기존의 제조 방식은 금형 설비와 간접 설비로 생산력을 증대해 가격을 절감하는 소품종 대량생산 방식을 취한다.
반면, 3D프린팅은 하나의 기기로 다양한 제품을 생산해 비용을 절감하는 편이다. 이에 속도나 품질 면에서 떨어지며, 다품종 소량 생산에 적합하다. 다만 3D프린팅은 생산 비용 절감 등과 관련한 기술 진보가 지속되고 있으며, 이는 금형과 같은 전통 제조 방식과 상호 보완할 수 있는 가능성이 있다.
3D프린터 제작 기업 센트롤 최성환 대표는 "금형, 주조 분야에 3D프린팅 적용이 확대된다면, 중국, 동남아 등으로 유출됐던 제조업 기반을 다시 부활시키는 원동력이 될 것이다. 특히, 주조 시장에서는 Binder Jet 3D프린팅 기술을 활용함으로써 90% 이상의 비용 단축, 70% 이상의 납기 단축을 달성할 수 있다"라고 말했다.
전통적인 제조 기술과 최신 기술의 결합에 대한 목소리도 높다. 폴리텍Ⅱ대학 금형디자인과 정상준 학과장은 "현재는 4차 산업혁명과 함께 산업 인력 분야에서 많은 변화가 일어나는 시기다. 저출산으로 인한 노동 인구 감소, 최저임금 상승, 주 52시간 근로시간 등 변수 요인이다"라고 말했다.
이어 그는 "이를 극복하는 길은 금형산업도 4차 산업혁명시대에 발맞춰 걸어가는 것이다. 세계 시장이 요구하는 품질, 가격, 납기 등에 대응하기 위해서는 전체적인 제품 개발 프로세스를 재조명할 필요가 있다. 이에 스마트공장, 인공지능, 산업용 로봇 생산, 표준화된 공정처리 등 기술 투자를 고려해야 할 시점이다"라고 덧붙였다.
금형산업의 공장 자동화 및 첨단화
공장 자동화는 골자 그대로 컴퓨터, 로봇이 인력을 대체해 공장 무인화 및 생산 과정의 자동화 시스템을 의미한다. 나아가 스마트팩토리는 전체 설비 및 부품을 지능화하고, 사물인터넷, 빅데이터 등의 기술로 데이터를 수집 및 관리하는 개념까지 포괄한다. 정부의 스마트 제조혁신 비전 아래 2025년까지 3만 개의 스마트팩토리 구축을 목표로 현재 약 4,000여개가 구축돼있다.
그러나 이 수치는 대부분 기초수준 구축 단계다. 민관합동 스마트공장 조사에 따르면, 스마트팩토리 구축 단계는 기초수준-중간수준1-중간수준2-고도화 수준 등 총 4단계로 나뉜다. 기초수준 단계는 생산이력 추적관리, 중간1은 실시간 정보수집 및 생산관리, 중간2는 생산 자동화 및 최적화, 고도화는 지능형 유연생산을 의미한다.
이 중 기초수준은 가장 기본적인 ICT 활용으로서 아직 대부분의 국내 중소제조기업은 ICT를 활용하지 않는다. 그러나 중간수준1 단계만 가더라도 ICT를 활용한 기기 및 부품의 연결로 생산 데이터가 수집돼 이를 활용하거나 분석할 수 있게 된다. 이는 높은 단계의 스마트팩토리를 구축하는 토대다.
스마트팩토리 구축을 위해서는 경영자의 개선 의식, 전문인력 배치 등의 과제가 남아 있다. 이외에도 빅데이터 분석, 인공지능 업데이트 등 생산성 향상을 위한 개발 과정도 해결해야 한다.
▲스마트팩토리 구축을 위해서는 경영자의 개선 의식, 전문인력 배치 등의 과제가 남아 있다.
최근 울산시는 지역 중소·중견제조기업의 스마트공장 확산을 위해 ‘스마트팩토리 제조공정 컨설팅 지원사업’을 지난해부터 추진하고 있다. 이 사업은 울산정보산업진흥원에 3억 원의 사업비를 지원해 지난해 5월 착수해 오는 4월 완료될 계획이다. 사업기간 중 업체들은 기술 세미나와 스마트팩토리 도입을 위한 기술상담 컨설팅을 받았다.
그 가운데 한주금속, 신산 2개사에 제조공정 개선을 위한 기술 및 개발 서비스를 지원했다. 한 예로, 신산은 자가 수위식 역삼투 정수 시스템을 개발 및 생산하는 기업으로 실시간 공정 모니터링 시스템 개발을 컨설팅 받았다. 한국첨단제조기술연구원은 기업이 가진 애로기술 해결을 위해 실시간 공정 모니터링 시스템 기술을 제안했다.
이 기술로 스마트 수처리 장비가 개발되면, 신산은 국내 기업 최초로 상용화가 가능하며, 약 30% 이상의 수리 기간 단축과 10% 이상의 매출 증대 효과를 예상하고 있다.
