발전수요부품 국산화를 위한 3D 프린팅 상용화 기술개발
발전수요부품 국산화를 위한 3D 프린팅 상용화 기술개발
  • 성지현
  • 승인 2019.09.06
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성지현 한국생산기술연구원 수석연구원(공학박사)

❶ 개요

적층가공(Additive Manufacturing, AM)이라는 용어보다 3D 프린팅이란 용어로 우리에게 친숙한 3D 프린팅 공정은 디지털화 되어진 설계데이터에 따라 한 층씩 소재를 쌓아가면서 부품을 제조하는 공정이다. 기존 제거방식의 밀링이나 절삭 등의 공정과는 다르게 한 층씩 쌓아가는 방식이기 때문에 기존에 제작이 힘들었던 부품을 제조할 수 있어 4차 산업혁명에서 중요한 기술로 인식되고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 ASTM F42에 따르면 그림 1과 같이 7가지 방식으로 분류된다. 이중 본 과제에서 사용되는 공정은 BJ(Binder Jetting)방식, PBF(Powder Bed Fusion)방식, DED(Direct Energy Deposition)방식 등 3가지다.

가. BJ(Binder Jetting)방식 : 금속이나 세라믹(모래 등)등의 파우더를 깔고 설계 데이터에 따라 필요한 형상에 바인더를 뿌리면서 한 층씩 쌓아가는 방식이다. 제작 후 파우더는 바인더에 의해 서로 결합되어 있기 때문에 기계적인 물성을 부여하기 위해서는 적층이 끝난 후 소결 등의 후공정이 필요하다. 파우더의 용융 및 응고과정이 없으므로 속도가 빠르고 후공정을 통해 기계적 물성을 부여할 수 있으므로 다양한 분야에서 활용이 된다.

나. PBF(Powder Bed Fusion)방식 : 금속이나 플라스틱 파우더를 한 층씩 깔고 설계 데이터에 따라 필요한 형상에 레이저나 전자빔 등의 열원을 조사해 한 층씩 녹여가며 쌓아가는 방식이다. 제작의 자유도가 높다는 점, 물성이 실제 주조품과 유사한 정도로 제작 가능하다는 점, 제작 후 바로 활용이 가능하고 제조형상의 정밀도가 높다는 점 때문에 활용도가 높은 제조방식이다.

다. DED(Direct Energy Deposition)방식 : 이 방식의 경우 기본적으로 바닥이 되는 모재가 필요하다. 모재의 한 부분을 레이저나 아크 등을 조사해 생기는 용융풀에 파우더를 첨가하면서 용융풀의 온도로 파우더를 녹이면서 한 층씩 쌓아가는 방식이다. 모재가 노즐에서 공급되기 때문에 기존에 존재하는 부품위에도 적층이 가능해 제품의 보수, 리모델링 등에 이용되며 이종소재도 적층할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

❷ 현황

2013년 미국 오바마 대통령이 국정연설을 통해 3D 프린팅을 우리가 제조할 수 있는 거의 모든 것의 제조혁신을 가져올 수 있는 기술(“3D Printing is a technology that has potential to revolutionize the way we make almost everything”)로 소개하고 앞으로 미국이 3D 프린팅을 필두로 한 제조혁신을 어떻게 진행할 것인가에 대해 발언하면서 전 세계가 3D 프린팅 기술에 관심을 가지게 된다. 이러한 전 세계적 관심은 국내에도 큰 반향을 불러 일으켰다. 이에 정부에서는 2014년 3D 프린팅 산업 발전전략(2014.4, 국가과학기술심의회)과 3D 프린팅 기술 로드맵(2014.11, 미래부/산업부)을 발표하게 된다. 나아가 2015년 삼차원프린팅산업 진흥법(2015.12)을 제정하고 그 법을 기반으로 2016년 3D 프린팅 산업진흥 기본계획(2016.12) 및 시행계획을 매년 발표하게 된다.

2018년 3D 프린팅 산업진흥 시행계획에서 산업부는 주력산업 제조 분야의 3D 프린팅 수요확산 프로젝트로 9대 유망시장(자동차, 발전, 항공, 금형, 뿌리, 주얼리, 의료, 국방, 기계)별 맞춤형 기술을 제공하기 위해 3D 프린팅 설계, 장비, 공정, 소재통합 개발 등을 추진하는 계획을 발표했다. ‘발전수요부품 국산화를 위한 3D 프린팅 상용화 기술개발’ 과제는 상기 시행계획에 바탕을 두고 공고가 됐고 발전 6사를 포함한 총 12개 기관이 컨소시엄을 이루고 본 과제를 수행하게 됐다.

3D 프린팅 기술이 발전하게 되면서 항공, 자동차, 발전 등 전방 산업군에 속한 해외 유수의 기업들은 앞 다투어 3D 프린팅 기술의 적용을 위한 연구에 엄청난 투자를 하고 있다. GE의 경우 대표적인 레이저 PBF(Powder Bed Fusion)장비 회사인 Concept Laser와 전자빔 PBF회사인 ARCAM을, 소재회사인 AP&C를 인수하면서 GE Additive를 만들었고 이러한 3D 프린팅 기술을 바탕으로 2017년 말 자신들이 가지고 있던 가스터빈 효율 기록을 갱신했다고 발표했다. 또한 지난해 10월 LEAP fuel nozzle tip(기존 20개의 부품으로 제조되던 노즐팁)을 3D 프린팅 기술을 적용, 하나의 부품으로 만들면서 효율을 30% 중량을 25% 개선시킨 것으로 2015년 개발 완료하고 실제 적용하고 있다.

Siemens도 오랫동안 3D 프린팅 연구소를 운영해오면서 2017년 2월 영국 링컨지역에 있는 12MW급 SGT-400가스터빈에 3D 프린팅으로 제작된 터빈 블레이드 실장시험에 성공했다고 보고했다. 특히 지난해 9월에는 3D 프린팅 기술로 만들어전 가스터빈 버너팁이 8,000시간 이상 연속 가동에 성공했다고 보고하기도 했다.[출처: Wholers report 2019]

국내에서는 석탄발전의 감축, 신규원자력 발전설비의 감소정책 등으로 LNG복합발전이 확대될 것으로 전망되지만 아직 3D 프린팅을 이용한 발전부품 제조기술, 재생기술이 적용된 사례가 거의 전무한 상황이다. 일부 발전사의 R&D부서를 중심으로 3DP기술 적용을 추진 중이고 일부 정부과제도 진행 중이나 시제품 제작 수준으로 실장(實裝)된 사례는 거의 없다. 3D 프린팅에 대한 이해 부족, 신뢰 부족, 고장 우려 등으로 실장을 기피하는 것을 그 이유로 들 수 있다.

이에 본 과제에서는 실장을 가장 중요한 목표로 잡고 2단계로 나눠 과제를 수행한다. 1단계로 발전설비에 큰 무리가 없는 7가지 부품(그림 3)에 대해 3D 프린팅을 활용해 제작한 후 실장을 통한 검증을 목표로 하고 있다.

 

1단계 실장을 통해 3D 프린팅 공정의 이해도를 증진시키고 신뢰성을 검증해서 발전부품 관련 전문 인력들의 3D 프린팅으로 제작된 부품에 대한 신뢰성의 증대를 중요 목표로 한다. 2단계로 실제 3D 프린팅 기술을 적용할 가치가 있는 가스터빈 부품(그림 3)에 대해 3D 프린팅을 활용해 제작 및 검증해 보고자 한다. 1단계 실장을 통한 신뢰성 상승을 기반으로 2단계 제조부품의 일부를 실장해 보겠다는 목표를 가지고 있다.

기본적으로 PBF방식의 3D 프린팅 장비는 1가지 소재를 전용으로 사용하는 것을 권장한다. 따라서 본 과제에서는 사용되는 소재와 부품에 따라 6대의 PBF방식의 금속 3D 프린팅, 2대의 DED방식의 3D 프린팅 장비, 그리고 1대의 BJ방식의 모래 3D 프린팅 장비가 활용된다(그림 4).

금속 PBF 3D 프린팅 장비는 소재를 녹였다가 다시 응고시키는 과정으로 제조가 되기 때문에 다양한 공정변수에 따라서 그 물성이 달라진다. 이에 소재 및 장비별로 최적공정조건이 도출되어야 하고 그 최적공정조건하에서 부품이 제작되어야 한다. 한 가지 부품에 대해 그 부품이 제작되는 공정은 그림 5와 같이 최적공정변수 선정, 적층위치 재현성 평가, 후처리 조건 선정, 물성평가 그리고 최종부품을 제작하는 순이다.

가. 최적공정변수 선정 : 장비마다 조정할 수 있는 변수가 다르므로 공정변수는 장비별로 선정되어야 한다. 금속 3D 프린팅에서 물성은 입력되는 파워와 냉각속도에 따라 달라지기 때문에 이와 관련 레이저 파워, 빔크기, 해칭간격, 스캔스피드, 투입되는 재료의 크기 등이 그 변수가 될 수 있을 것이다. 일반적으로 장비제조사에서 제공하는 소재별 최적공정이 존재한다. 본 과제에서는 장비 및 소재별로 장비사에서 제공하는 기본 최적공정을 기준으로 선정된 변수를 조금씩 조정하면서 제조된 시편의 기공률을 기준으로 최적공정변수를 선정했다.

나. 적층위치 재현성 평가 : 레이저의 경우 광학계를 통해 XY평면 내의 모든 위치에 조사되므로 적층 위치에 따라 같은 물성이 재현이 되는지 검증이 되어야 한다. 본 과제에서는 적층 위치에 따라 유사한 물성이 재현되는지 부품 제조 전에 검증이 수행됐고 필요에 따라 스캐닝 위치 에러에 대한 보상 과정도 수행했다.

다. 후처리 조건 선정 : 적층 후의 사용조건에 따라서 후가공, 열처리, HIP(Hot Isostatic Pressing) 등의 후처리 공정을 하게 된다. 예를 들어 Ni계 초합금인 Hatelloy-X 소재의 경우 고온에서의 크리프성능 등이 중요하므로 HIP 및 SHT(Solution Heat Treatment)등의 후처리 공정을 거친 후 물성을 평가하게 된다.

라. 물성평가 : 최적공정변수와 후처리 조건이 선정되면 그에 따라 제작된 다양한 시편은 물성평가 과정을 거치게 된다. 적층공정은 XY평면에서 적층되고 Z축으로 올려진 다음 다시 적층되는 공정이기 때문에 XY방향과 Z방향의 물성이 다른 이방성을 띄므로 일반적으로 0도,45도, 90도로 적층된 시편의 물성을 확보한다.

마. 부품제작 : 상기와 같이 물성이 확보가 되고 그 물성조건이 제조될 부품의 기준에 부합될 경우 최종적으로 부품을 제조하게 된다. 제조된 부품은 그 사용 목적에 따라 후처리 공정을 거친 후 최종 납품되고 본 과제에서는 발전소와 협의해 부품의 실증을 위한 실장과정을 거치게 된다.

현재까지 제작 진행상황은 그림 6과 같다. PBF를 활용한 5가지 부품의 경우 최적공정변수 및 물성확보가 끝나고 후처리 공정 및 검증과정이 진행 중이다. 3D 프린팅을 이용한 주형을 활용할 예정인 2개 부품 중 그리드 노즐의 경우 주형의 제작이 끝나고 주조를 위한 준비 중이며 토크건버터 스테이터는 CAE를 활용한 주조방안을 설계 중이다. 또한 각 부품의 실장 계획도 그림 6에 나와 있다. 대부분 발전소의 O/H기간을 이용해 실장될 예정이며 다음 계획 정비 시 확인할 계획이다.

❸ 맺음말

상기에서 계속 언급한 것처럼 본 과제의 가장 큰 목표는 3D 프린팅으로 제작된 발전부품의 실장을 통한 검증이다. 제작된 부품의 실장에 대해 실무자와 부품의 성능, 실장 일정 등을 협의하고 있으며 2020년 초까지는 실장이 가능할 것으로 보인다. 3D 프린팅으로 발전부품이 제작과 동시에 실장되는 첫 번째 사례가 될 것이다.

이번 실장 사례를 통해 3D 프린팅 공정으로 제작된 부품의 이해도가 높아지고 신뢰성이 높아져서 2단계에 계획되어 있는 부품들도 실장할 수 있기를 기대한다. 나아가 이번 과제를 통해 더 많은 3D 프린팅 기술이 적용될 수 있는 부품들이 발굴되고 제작되어 실장될 수 있기를 기대한다.

이러한 과정을 통해 그 동안 단종, 조달 애로로 어려움을 겪었던 부품들에 대해 공급시간을 단축하고 고가부품의 재고 부담을 완화시키는 등 국내 발전정비기술 발전의 계기가 됐으면 하는 바람이다.

 


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