보도자료

[기사]전기차도 만드는 3D프린터, 생체·국방 분야로도 확대

작성자
admin
작성일
2018-01-22 17:24
조회
258
인쇄하는 데 그치지 않고 물체를 뽑아내는 3D 프린팅 기술은 소재와 설계 디자인에 따라 어떤 것도 만들어낼 수 있는 미래의 ‘연금술’로 불린다. 각종 기계 부품은 물론 우주항공 분야에서 건축물까지 3D 프린팅의 활용영역은 점점 넓어지고 있다.

UNIST 3D 프린팅 첨단생산기술연구센터는 최근 3D 프린팅 기술을 이용한 전기차 개발에도 성공했다. 한국생산기술연구원(이하 생기원) 연구진은 3D 프린팅을 이용해 고강도 순수 티타늄(Ti) 생체의료 소재·부품을 개발했다. 생기원 연구진은 이같은 기술 역량을 인정받아 국방 분야의 부품을 자립화하기 위해 국방부 및 산업부와 3D 프린팅 업무협약을 지난 12월 말 체결하고 국방 분야 3D 프린팅 기술 접목에 적극 나서고 있다.

3D 프린팅 시장은 2017년 88억달러(약 10조원)에서 2019년 158억달러(약 20조원)에 달한다는 전망이다. 기계, 항공, 우주, 자동차에서 의료바이오까지 영역을 넓혀 2년 사이 두배 이상 성장한다는 것이다. 2018년 새해는 3D 프린팅 기술 적용이 비약적으로 확대되는 시기가 될 전망이다.

◆ 경량화·강성 확보한 3D 프린팅 기술로 만든 전기차, 시속 30km 주행

김남훈 UNIST 3D 프린팅 첨단생산기술연구센터장 연구진은 지난해 10월 말 3D 프린팅의 장점을 극대화할 수 있는 최신 ‘DfAM(위상최적화와 격자구조)’ 기법을 적용해 전기차의 파워트레인(엔진 및 동력장치)을 제외한 골격과 외장 부분을 3D 프린팅으로 제작하는 데 성공했다. 전면부와 측면부, 의자, 핸들, 바퀴 덮개 등 차량 외장 부분은 ‘SLS(Slective laser sintering)’ 방식의 3D 프린팅으로 제작했다. SLS는 플라스틱 가루를 레이저 광원으로 녹여서 이어붙이는 방식으로 3차원 형상을 만드는 기술이다.


UNIST 연구진이 개발한 3D 프린팅 기술 적용 전기차 ‘라이노’의 전면부./UNIST 제공 ▲ UNIST 연구진이 개발한 3D 프린팅 기술 적용 전기차 ‘라이노’의 전면부./UNIST 제공‘라이노(RHINO)’라고 이름 붙여진 이 전기차는 시험 주행 결과 최대 시속 30km까지 달려도 프레임이나 외장이 무너지지 않고 단단하게 버티는 것으로 확인됐다.

라이노를 탄생시킨 핵심 기술은 DfAM이라고 불리는 위상최적화 기술이다. 획기적인 디자인을 적용해 가벼우면서도 단단한 구조를 구현할 수 있는 이 기술은 복잡한 형태의 제품도 조립 없이 한번에 찍어낼 수 있다.

위상최적화 기술은 설계 영역을 지정해 특정 부분에 힘이 가해진다고 했을 때 물체의 어떤 부분에 물질을 배치했을 때 가장 가벼우면서도 힘을 견딜 수 있는 구조가 되는지 계산을 해주는 기술이다. 라이노의 경우 시속 50km 속도를 지닌 650kg 중량의 차량이 벽에 충돌하는 조건을 제시하고 위상최적화를 수행해 자동차 전면부를 만들었다. 이 과정을 통해 재료로 삼은 물질이 전체 설계 공간 내에서 어떻게 분포했을 때 무게나 충격을 가장 잘 견딜 수 있는지 알아낼 수 있다.

김남훈 교수는 “라이노의 전면부와 의자 시트 부분은 위상최적화 기술을 적용해 만들었다”며 “3차원 형상의 구조에서 모든 공간을 꽉 채우지 않아도 무게를 견딜 수 있는 구조를 만들 수 있기 때문에 격자 구조나 그물 구조 같은 다차원 설계가 가능하고 시뮬레이션 기술을 활용할 수도 있다”고 말했다.

연구진은 향후 전기차 모듈과 프레임까지 제작할 수 있는 기술을 개발한다는 계획이다. 김남훈 교수는 “3D 프린팅 사업은 3차원 형상을 직접 가공하는 장비뿐 아니라 관련 소재와 소프트웨어, 서비스 시장을 모두 아우른다”며 “2020년까지 복합소재 대형 프린터, 금속 프린터 등 친환경 자동차 부품 개발 및 생산기술을 위한 다양한 장비와 전용공간을 완벽하게 구축하는 게 목표”라고 말했다.

◆ 생채 재료도 금속 3D 프린팅으로...국방 분야로도 확대

3D 프린팅 기술을 바이오와 의료 분야에 활용하려는 연구도 세계적으로 활발하다. 국내에서는 생기원 비철금속소재부품그룹 연구진이 최근 금속 3D 프린팅을 활용한 고강도 순수 티타늄 소재·부품 기술을 개발해 눈길을 끌고 있다.

생체에 삽입할 수 있는 금속 소재는 그리 많지 않다. 주로 쓰이는 소재는 티타늄 합금이다. 스테인리스 스틸도 가공성이 좋아 주로 혈관을 확장하는 ‘스텐트’에 많이 적용된다. 코발트-크롬 합금은 인체 내 고관절 부위에 주로 적용되지만 티타늄보다 무거워 한계가 있다.


3D 프린팅기술을 이용해 제작한 인공 관절용 생체 재료 부품./생기원 제공 ▲ 3D 프린팅기술을 이용해 제작한 인공 관절용 생체 재료 부품./생기원 제공
생기원 연구진은 기존에 주로 활용됐던 티타늄 합금과 스테인리스 스틸, 코발트-크롬 합금의 단점을 보완하기 위해 생체의료용 소재로 순수 티타늄을 선택하는 방식을 선택했다. 티타늄은 생체 접합성이 좋고 강도, 내마모성도 우수하며 인체 사용 금속들 중 가장 가볍다는 게 특징이다. 그러나 강도가 낮고 주조가 어렵다는 단점이 있어 그동안 합금으로 활용됐으나 알루미늄이나 바나듐 등 합금 재료가 생체 삽입에 적합하지 않다는 문제제기도 많았다. .

연구진은 3D 프린팅 기술과 열처리 기술을 활용해 순수 티타늄 소재의 강도를 높인 생체의료용 티타늄 소재를 개발하는 데 성공했다. 분말을 표면에 도포하고 그 위에 전자빔이나 레이저를 쬐어 녹이는 방식을 적용해 국내에서 첫 원천기술을 확보한 것이다.

이병수 선임연구원은 “대부분 의료용 소재 부품들은 미국, 영국 등 선진국에서 수입하고 있다”며 “이번에 개발한 기술을 상용화하면 현재의 절반 수준으로 의료용 소재 제작이 가능할 것”이라고 밝혔다.

생기원은 또 3D 프린팅 기술 역량을 인정받아 국방부·산업부와 3D 프린팅 업무협약을 체결하고 무기 노후화, 다변화 등 군용 부품 수요 증가에 적극 대응하기로 했다. 올해 6월까지 국방 부품 2종 시범 제작을 추진하고 2020년까지 ‘국방-3D 프린팅 협업 플랫폼’을 구축한다는 계획이다. 해군 함정에 적용되는 해수 펌프 팬, 공군 전투기에 적용되는 기총 연소가스배출도어 등이 올해 시범 제작된다.

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