금속 3D프린팅 기술의 전력산업 도입 현황과 국내 표준화 방향성
금속 3D프린팅 기술의 전력산업 도입 현황과 국내 표준화 방향성
  • 류석현
  • 승인 2020.12.11
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류석현 금속 3DP KEPIC표준화소위원회 위원장

3D프린팅 기술은 디지털 혁신 시대의 첨단 제조기술을 구현할 수 있는 조력자(Enabler)로 자리매김하고 있으며 전통 제조방법을 대체할 수 있는 게임 체인저로 관심을 받고있다. 3D프린팅 제조기술은 가격 경쟁력, 성능, 내구성 측면에서 여러가지 도전 과제를 가지고 있음에도 불구하고 일반 소비재뿐만 아니라 항공, 우주, 방산, 수송, 의료, 전력산업 등 고급 제조기술이 필요한 산업분야에서도 성공사례가 증가하고 있다.

전력산업 분야에서도 에너지효율 향상과 공정혁신을 목표로 전통적인 분야와 신에너지 분야를 막론하고 기술혁신의 도구로 3D프린팅의 역할이 기대되고 있다. 전력산업에서 3D프린팅에 관심을 가지는 중요한 요소는 복잡한 형상을 제조하는 능력, 뛰어난 설계 유연성, 단종된 부품을 쉽게 제조할 수 있는 특징 등이다. 이 외에도 3D프린팅은 기능성 신소재의 적용, 쾌속조형(Rapid Prototyping)을 활용한 연구기간 단축, 수요지에서 제조해 적용하는 능력, 제조 과정의 에너지 절감 및 CO2 배출 감소 등의 다양한 장점을 보유하고 있다.

3D프린팅을 전력산업에 적용하기 위해서는 효율적인 발전플랜트 운영에 필요한 높은 기기 표준과 가혹한 사용 환경 등을 고려해 3D프린팅 기술로 제조한 제품의 내구성과 성능이 전력산업의 요구조건을 충족할 수 있어야 한다. 또한 전력산업에서 요구하는 안전과 신뢰성 확보 측면에서 3D프린팅 부품별로 필요한 자격 및 품질 인증과 함께 규제 요건을 통과해야 한다. 미국, 유럽 등 3D프린팅 선도국에서는 산업 성장에 따른 표준의 시급성을 인식하고 약 10여년 전부터 산업수요가 높은 분야를 대상으로 국제표준기구인 ISO와 단체표준기구인 ASTM에서 표준화 작업을 추진하고 있다.

국내에서도 국가적인 R&D 지원과 기업의 투자 증가로 3D프린트용 금속분말, 장비, 소프트웨어, 후처리, 서비스 업체 등이 생겨나고 제조공정 및 산업 적용에 대한 R&D도 활성화되기 시작했다. 따라서 3D프린팅 산업을 구성하는 개별 요소 및 설계, 재료, 공정, 제작, 후처리 등에 대한 인정/인증(qualification/certification) 및 프린팅 요원들의 자격 요건들에 대한 Codes & Standards 필요성이 제기되고 있다.

이번 기고에서는 전력산업에 적용되는 3D프린팅 사례와 국내 · 외에서 진행 중인 Codes & Standards 개발동향 및 표준화 이슈를 살펴볼 예정이다. 마지막으로 국내 전력산업기술기준(KEPIC) 제정을 위한 활동결과를 소개하려 한다.

전력산업 분야의 3D프린팅 R&D 현황

해외 현황

미국 DOE(Department of Energy)는 2018년 화력발전분야의 15개 R&D과제에 880만 달러를 지원했다. 대표 과제는 초임계이산화탄소(sCO2) 발전에 사용되는 마이크로채널열교환기를 제작하기 위한 신재료조합 최적화 계산 툴 개발, Ni-기 초내열합금 터빈 부품의 미세조직변화 및 기계적성질 예측을 위한 계산방법과 솔루션 개발 등이다.

지멘스(Siemens)는 2017년 3D프린팅 기술을 사용해 생산한 가스터빈 블레이드에 대한 최초의 최대부하엔진테스트(Full-load Engine Tests)를 완료했고, 2018년 4월에는 산업용 증기터빈을 위한 최초의 3D프린팅 금속 교체부품을 생산해 마일스톤을 달성했다. 가스터빈에서는 열차폐코팅 블레이드 및 베인에 대해 총 11만 시간 이상의 3D프린팅 부품 사용경험을 축적하고 있다. 이 외에도 연소기 버너, 스월러, 노즐 및 믹서 제조 부품에 3D프린팅 기술을 적용했다. 증기터빈에서는 증기경로, 씰, 밸브 부품, 베어링 및 샤프트 끝단(Shaft Ends) 등의 제조에 3D프린팅 기술을 적용한다.

제너럴일렉트릭(GE)은 전력산업의 게임체인저로 3D프린팅 기술을 육성하고 있으며 미래 R&D 전략에는 항상 3D프린팅 기술의 융 · 복합을 추진하고 있다. GE는 이미 항공용, 발전용 가스터빈에 9,000개 이상의 3D프린팅 부품을 출시했다. 대표적인 3D프린팅 제품으로 HA급 가스터빈용 3D프린팅 연료 노즐을 들 수 있다. 이 노즐은 터빈 효율을 64%로 높이는데 기여했으며 가스터빈 효율을 65%까지 높이기 위한 연구개발에 집중하고 있다.

원자력발전에서는 단종 된 Non-OEM(Original Equipment Manufacturer) 부품 교체 및 예비품 확보, 발전소에 설치된 구형 부품의 성능개선, 신형 및 차세대 원자로의 정밀부품 제조 등에 3D프린팅 기술의 적용을 추진하고 있다. 원자력에서 3D프린팅 적용기준은 3D프린팅 부품의 파손 리스크가 최소화되는 저위험구성품, 3D프린팅의 장점을 발휘할 수 있는 복잡한 형상의 부품, 원자력발전 사용이 검증된 3D프린팅 소재의 가용성 등을 고려해 결정한다.

웨스팅하우스(Westinghouse)는 2017년부터 3년간의 개발 작업을 거쳐 Thimble Plugging Device를 PBF(분말용융적층) 3D프린팅으로 생산했다. 미국 최대의 원자력 발전소 운영 업체인 엑셀론(Exelon)의 바이런(Byron) 1호기 원자력발전소의 올해 봄철 계획예방정비기간에 기존 부품을 교체해 설치했다. 바이런 1호기는 1975년에 건설을 시작해 1985년에 상업운전을 시작한 발전소로 교체 부품은 약 35년 사용 후 교체됐다. 기존 제품은 304 스테인리스 소재로 제작됐지만 3D프린팅으로 제작된 교체용은 스테인리스 소재 중에서 3D프린팅으로 검증된 316L 스테인리스 소재로 제작됐다. 3D프린팅으로 제작된 교체용 제품은 NRC 10 CFR 50.59 평과 가정에서 재료변경, 시험 및 검사 과정 등을 통과했다.

또한 웨스팅하우스는 단종 부품의 생산비용과 리드타임을 줄이기 위해 바인더 분사(binder-jetting) 3D프린팅 기술을 개발하고 있다. 안전부품에 대해서는 바인더 분사 적층제조와 기존의 주조 공정을 결합하여 사용하기 때문에 원자력 규제를 수정하거나 신규 제정할 필요 없이 3D프린팅된 부품을 원자력발전소에 즉시 적용할 수 있는 장점이 있다. 교체용 주조품의 경우 바인더 분사 3D프린팅 기술을 적용하면 비용절감 50%, 리드타임 단축 75% 달성이 가능함을 발표했다.

지멘스는 2017년 1월 슬로베니아의 Krško 원자력 발전소에 3D프린팅으로 제작한 직경 108mm의 소방펌프용 임펠러 부품을 성공적으로 공급했다. Krško 원자력발전소는 1981년 상용운전을 시작해 약 36년 경과 후 해당 부품을 교체했다. 교체 과정을 보면 교체 부품의 단종 여부 확인, 역설계로 디지털 형상 구현, 선택적레이저용융(SLM)으로 3D프린팅 부품제조, 품질기준 확인을 위한 시험검사, 발전소 적용 등의 단계를 거쳤다.

GE히타치는 사우스캐롤라이나 그린빌에 있는 GE Power Advanced Manufacturing Works를 2017년 4월에 오픈하고 첨단 제조기술을 주도하고 있다. 316L 스테인리스강 소재로 제조된 대형 밸브 본체, 비등경수로(BWR)의 증기분리기 입구 스월러, BWR 노즐 등을 생산하여 Idaho National Lab.의 Advanced Test Reactor에서 3D프린팅 부품의 조사열화(radiation degradation) 특성을 규명하는 프로그램을 진행하고 있다. 또한 fuel debris filters, jet pump repair parts를 포함한 원자로 내 응용 분야를 검토하며 비안전등급(Non-safety) 부품을 또 다른 잠재적인 적용 처로 검토하고 있다.

이 외에도 러시아 국영 원자력회사인 Rosatom은 2018년 2월 3D프린팅 기술개발 회사를 설립했다. 영국의 원자력 첨단제조연구센터(AMRC)는 벌크적층제조(BAM)에 대한 R&D를 수행하며 잠재적인 적용처로 원자로 압력용기 노즐과 리프팅 러그 등을 고려하고 있다. 또한 영국의 Sellafield Ltd는 방사성 폐기물 용기에 3D프린팅 기술을 적용하고 있고 스웨덴의 Additive Composite 및 Add North 3D는 Uppsala University와 함께 방사선 차폐 응용 분야에 적합한 새로운 보론카바이드(Addbor N25) 복합재 필라멘트를 출시했다. 보론카바이드는 중성자 흡수가 높기 때문에 방사능 차폐와 같은 원전 적용 분야에 적합한 것으로 알려져 있다.

태양광 산업에서 3D프린팅 기술은 태양광 발전의 효율향상, 제조비용 절감 등에 관심이 집중되고 있다. 미국 MIT대에서는 태양 전지판 제조에 3D프린팅 기술을 적용, 효율 20% 증가 제조비용 50% 감소를 목표로 초기 단계 연구를 진행 중이다. 호주 CSIRO는 A3 용지 형태로 태양전지 롤을 인쇄해 창문과 건물 표면에 사용하는 연구를 진행 중이다. 호주 ASTRI는 전체 태양광 현장 구성요소를 3D프린팅으로 제조한 CSP(Concentrated Solar Plant)를 개발 중에 있다.

풍력산업에는 재료와 제조공정의 혁신이 중요하며 풍력발전 설치 현장에서 터빈 구성품의 현장 제조, 단종 모델의 예비 부품에 대한 수요와 공급을 보충하는 수단으로 3D프린팅이 관심을 받고 있다. 미국 DOE의 풍력프로그램과 AMO(Advanced Manufacturing Office)는 민간 기관들과 협력해 풍력터빈 블레이드 몰드 생산에 3D프린팅 적용을 시도하고 있으며 전통적인 풍력터빈 블레이드 몰드 제조방법의 노동집약적인 작업과 과도한 작업 시간의 단축을 목표로 하고 있다.

배터리 산업에서 3D프린팅 기술은 배터리의 복잡한 내부구조 제작, 용량 증대, 형상과 크기의 유연성을 높이는데 활용된다. 영국 맨체스터메트로폴리탄대학교는 데스크탑 프린터를 사용해 전도성 그래핀 잉크와 에너지저장장치(ESS)를 인쇄할 수 있는 New ESS를 개발하는 프로젝트를 진행하고 있다.

하버드대학 연구팀은 3D프린팅을 사용해 초소형 리튬-이온 배터리 버전을 개발 중이다. 울산과학기술원(UNIST)은 직접전자인쇄(Direct Electronics Printing)에 한걸음 더 가까워진 새로운 리튬-이온배터리 생산기술을 개발했다. IBM과 ETH Zurich 연구진은 3D프린팅 기술을 활용해 배터리에 전해질을 공급하는 마이크로 채널 시스템을 제조, 최초의 액체 Redox-flow 배터리를 제조했다.

국내현황

금속 3D프린팅 부품은 전통 제조방법 대비 아직 높은 가격대를 형성하고 있기 때문에 단위 부품의 가격이 높은 가스터빈이나 증기터빈의 고온가스/고온증기 경로에 있는 복잡한 형상을 갖는 고가의 핵심부품에 관심이 집중되고 있다.

산학연 전문기관들에서 기초부터 응용연구까지 많은 R&D 과제가 진행되고 있지만 정부에서 펀딩한 ‘발전수요부품 국산화를 위한 3D프린팅 상용화 기술개발 연구과제(2018~2020)’가 대표적이다. 상기 과제는 한국산업기술평가관리원을 전담기관으로 하며 대건테크, 한국생산기술연구원, 한전KPS 등 총 13개 기관이 참여하고 있다.

연구목표는 발전수요부품의 장기운영에 따른 노후화 및 부품 단종으로 인한 조달 어려움을 해결할 수 있는 3D프린팅 제조 기술 개발이다. 주요 연구내용은 두 가지로 구성되어 있다. 첫 번째는 발전소에서 사용하는 기기 부품들에 대한 PBF와 DED(직접에너지증착) 금속 3D프린팅 표준공정기술(부품분석-역설계-제작/보수-후처리) 개발 및 성능평가 표준체계(평가-인증-실장)를 구축하는 것이다.

두 번째로 개발된 부품은 과제기간 중 발전소 기기 부품으로 설치하거나 향후 설치를 위해 기술개발을 완료하는 것으로 선정하고 있다. 주요 개발 후보 품목에는 heater drain control gauge, washing nozzle, spray nozzle, boiler nozzle, torque convert stator 등의 실장 대상 5개 부품이 있다.

원자력산업 분야의 3D프린팅 연구는 기반기술부터 응용기술까지 광범위한 범위를 보이며 단종 부품의 교체용, 구형제품의 성능 개선 등을 목표로 진행되고 있다.

대표과제는 ‘원전 핵연료 지지체와 안전 1등급 밸브의 3D프린팅 기반 제작 및 표준화 기술개발(2018~2022)’이며 한국원자력연구원을 중심으로 비즈㈜ 등 전문성이 있는 산학연 기관이 참여하고 있다. 연구목표는 3D프린팅을 통한 신 제조기술을 원전 부품에 적용하기 위한 기술을 개발하는 것이다.

첫 번째 연구내용은 핵연료지지체의 상하단 지지체(인코넬 718), 중간지지체(Zircaloy-4) 및 하단고정체 유로판(STS 304L)을 Laser PBF 및 Laser DED 장비를 이용해 제작하는 허용공차, 인장강도, 충격/좌굴강도, 압력강하, 이물질 여과율, 피로, 크리프 및 중성자 조사를 통한 성능평가를 수행하는 것이다.

두 번째 연구내용은 원전용 안전 1등급 3인치 2,500파운드 제어밸브의 바디, 보닛 및 케이지를 레이저 DED 및 와이어-아크 DED로 제작해 허용공차, 인장강도, 경도, 비파괴시험, 밸브시트누설, 패킹누설 및 밸브 Cv(Flow equation capacity test)를 수행하는 것이다.

‘금속 3D프린팅 부품의 피로 및 마모성능을 단조성형 소재 부품 수준이상으로 향상시키는 실용화 공정기술 및 장치개발’ 연구과제는 선문대학교 등 3개 기관이 참여하고 있다. 3D프린팅 제품의 내마모성 및 피로성능을 개선하기 위한 후처리 기술 개발을 연구목적으로 2019~2021년 기간 동안 진행 중이다. 지원기관은 한국수력원자력 K-cloud이며 주요 연구내용은 스테인리스강 316L 및 인코넬 718로 제작된 시험편에 UNSM(Ultrasonic Nanocrystalline Surface Modification)을 적용해 내마모성과 피로성능을 개선하는 연구를 수행한다. 또한 하이브리드형 DED 금속 3D프린터 스핀들에 장착 가능한 소형 UNSM장치 제품을 개발하는 것이다.

정부 혹은 발전공기업이 펀딩하는 R&D 과제 외에도 두산중공업 등에서 자체적인 R&D 투지를 통해 가스터빈 부품 등에서 상당한 성과를 달성하고 있다. 금속 3D프린팅의 핵심 소재인 3D프린팅용 금속 분말 제조에는 국내 7개 업체가 금속 분말을 제조 · 판매하고 있다.

이 외에도 수 개의 업체에서 금속 분말 사업을 검토하고 있는 것으로 알려졌다. 대표적으로 ㈜창성에서는 인코넬, 17-4PH, 스테인리스강, CoCr 합금 분말 소재를 가스아토마이징으로 제조, 생산할 수 있는 역량을 보유하고 있다. 고려특수선재(KOSWIRE)에서는 TiAl, Ti6Al4V, 인코넬 합금분말을 개발하고 있다. 한국재료연구원에서는 3D프린팅 공정에 최적화된 금속 분말 국내 연구를 선도하고 있다.

금속 3D프린팅에 대한 국내 · 외 표준개발 현황

미국의 산업별 표준화 대응

적층제조 분야의 국가 액셀러레이터인 America Makes는 미국표준협회(ANSI)와 함께 업계 전반의 적층제조 개발을 조정하고 가속화하기 위해 America Makes & ANSI 적층제조표준화조직(AMSC)을 2016년 발족했다. AMSC에서 사용 중이거나 개발 중인 적층제조 표준 및 규격을 조사해 3D프린팅의 표준 또는 규격이 필요한 93개 산업분야를 확인했다.

산업분야별 활동을 살펴보면 SAE International(구 미국자동차공학회)은 레이저 PBF (AMS7003)에 대한 항공재료사양을 2018년에 발표했다. 미국식품의약국(FDA)은 적층제조로 만든 의료 기기에 대한 지침 문서(guidance documents)를 2016년 발표했다. 미국연방항공청(FAA)은 항공우주 응용 분야를 위한 적층제조 프로세스 인증 및 부품 인증을 위한 전략적 로드맵을 개발 중이며 우주 비행 하드웨어의 경우 NASA는 레이저 PBF로 만든 금속 부품에 대한 표준과 금속에 대한 레이저 PBF 공정의 인증 및 제어에 대한 규격을 발표했다.

ASTM International은 산업 공통으로 사용할 수 있는 금속 부품 생산을 위한 PBF 공정의 성능을 규정하는 ASTM F3303-2018 표준을 발표했다. 또한 항공, 우주, 의료/바이오, 수송/중기계, 해양, 전자, 건설, 오일/가스, 소비자 등의 9개 분야에 대한 실무위원회를 구성해 활동 중이다. 미국에서 전력산업 분야에 대한 표준 혹은 지침은 아직 발표되지 않았지만 ASME를 중심으로 표준 제정 작업이 진행 중에 있다.

국내 · 외 3D프린팅 표준화 활동 현황

ISO 및 ASTM 3D프린팅 표준 개발 현황

ASTM은 2009년에 적층제조 표준 개발을 위한 F42 위원회를 설립했으며 현재 8개 소위원회를 운영 중이다. 지난 5월 기준 참여 국가는 28개국이며 회원 수는 725명 이상이다. 한국 국가기술표준원은 2018년 5월에 가입했다.

ISO는 2011년에 적층제조 표준 개발을 위해 TC261 위원회를 설립했다. 2019년 12월 기준 P-Member 25개국, O-member 8개국이며 한국 국가기술표준원은 2014년에 가입했다.

2011년에 적층제조 표준개발에서 ISO와 ASTM 양 기관의 중복성을 줄이고 전문가와 자원을 최대로 활용하기 위한 목적으로 ISO TC261위원회와 ASTM F42위원회 간의 공동위원회가 구성됐으며 2013년 6월에 미국 필라델피아에서 ISO & ASTM 첫 통합회의가 개최됐다.

ASTM 단독으로 개발해 발행된 표준은 시험방법 2건, 설계 1건, 재료 및 공정 12건 등이며 용어(terminology) 1건은 2015년 철회됐다. 적층제조에서 적용할 수 있는 ‘재료 및 공정’을 세부적으로 살펴보면 표 1과 같다. 가용 재료 종류는 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, 718-Alloy(UNS N07718), 625-Alloy(UNS N06625), 플라스틱, 316L(UNS S31603), Co-28Cr-6Mo, AlSi10Mg 등의 8종이다. 재료형상은 금속분말과 DED 금속의 2종이며 PBF와 DED의 공정 2종, 후처리공정 1건, 기계적 성질 2건 등으로 구성된다.

표 1의 재료 표준에서 중요한 필수요건들은 화학성분과 기계적물성 값이다. 화학성분은 각 성분들의 함량에 따라 기계적물성치와 부식과 같은 물리적 성질을 결정하고 기계적물성은 적용되는 품목의 기계적 요구조건을 만족해야하기 때문이다. 제조공정 및 공정 변수에 따른 냉각속도가 기계적물성을 결정하기 때문에 이에 대한 요건들도 재료표준에서 중요하다. 적층제조 표준에서 화학성분과 기계적물성 값은 기본적으로 기존 ASTM 재료 요건들에서 인용했다. ISO 단독으로 개발해 발행한 표준은 4건이 있다. 이 중 KS 부합화 완료한 것은 2건이며 KS 부문에서 상술한다.

ISO/ASTM 공동 발행한 표준은 총 11건이며 공동 개발 중인 표준은 43건이다. 구체적으로 살펴보면 시험방법은 3건 발행에 개발 중 14건이며, 설계는 4건 발행에 개발 중 5건이고 재료 및 공정은 발행 3건에 개발 중 10건이다. 환경보건안전(EHS) 분야는 3건 개발 중이며 산업적용(application)은 수송/중기계와 의료분야에서 자격인증 원칙과 같은 공동 표준 11건을 개발 중이다. 용어는 1건을 공동 발행했다. 또한 ISO TC261 위원회 책임 하에 ASTM F42위원회와 공동 개발 중인 표준은 재료, 공정, 시험검사, 자격검증 등의 전 분야에 총 30건이다.

미국용접협회(AWS) 3D프린팅 표준 개발 현황

AWS는 산업 적용을 위해 반드시 필요한 기기, 절차 및 작업자에 대한 인증 및 제조 요건인 AWS D20.1 ‘Specification for Fabrication of Metal Components using Additive Manufacturing’을 2019년에 발행했다. 이 사양은 미국표준협회(ANSI)의 승인을 획득해 공신력을 인정받은 기술기준이다.

본 사양은 적층제조 제품 제작을 위해 설계자가 제공해야 할 재료 요건, 설계 마진 등의 요건에 대한 기술기준의 수립에 아직 상당한 시간이 필요한 상황에서 이와 무관하게 적용할 수 있는 기기, 절차 및 작업자에 대한 인정요건 및 제조요건에 대한 기술기준이다. 따라서 전력산업에 대한 3D프린팅 표준개발 시 중요한 기술기준으로 참조할 수 있다.

AWS D20.1은 기존 다른 기술기준의 용접인정요건에 비해서도 매우 보수적이고 엄격한 인정요건을 요구하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 3D프린팅 공정이 여러 공정 변수들에 따라 결과가 달라질 수 있는 매우 복잡한 공정이기 때문에 제품의 건전성 확보를 위해 보다 엄격한 규정을 제시한 것으로 추정할 수 있다. 결론적으로 AWS D20.1은 설계자가 재료요건 및 설계요건을 고유 기술로서 제공한다면 3D프린팅 기기 제작을 위한 제조요건 기술기준으로 활용할 수 있다.

ASME 3D프린팅 표준 개발 현황

ASME는 3D프린팅 표준 개발을 위한 적층제조 특별위원회(AM Special Committee)를 2011년 6월에 설립했다. 이 특별위원회는 일반 압력용기 위원회인 BPTCS(Board on Pressure Technology Codes and Standards)와 원자력 압력용기 위원회인 BNCS(Board on Nuclear Codes and standards) 공동 산하에 있으며 위원장, 부위원장, 간사를 포함하여 총 40명의 정위원과 기여위원(Contributing Member)으로 구성되어 있다. 또한 미국 내 타 조직(기관)과의 유기적인 협력을 도모하기 위해 AWS와 ASTM에는 연락담당자(Liaison)를 두고 있으며 America Makes의 기술자료와 ANSI 표준을 참조한다.

표준 제정 단계에서는 ASME BPV 산하의 Materials (BPV II), Welding Brazing and Fusing(BPV IX), NDE(BPV V) 위원회의 지원을 받으며 연간 4회 개최하는 정기미팅(ASME Code Week)에는 NRC staff도 참석해 특별위원회에서 제정하는 표준이 원자력 및 비원자력 압력용기 적층제조에 활용될 수 있도록 사전 협력 작업을 진행하고 있다.

AM 특별위원회의 적층제조 기술 표준 제정 활동은 ‘ASME Requirements for Pressure Retaining Equipment Using Powder Bed Fusion Additive Manufacturing’ 명칭으로 진행되며 현재 진행 중인 범위는 재료규격은 ASTM F3184-16(316L 분말, PBF), 최대 설계 압력 5000 psi 이하, 최대 설계온도는 ASME Section II의 등가 단조 제품 사양에 대해 크리프 재료 특성이 적용되는 온도보다 최소 50℉ 낮고 최저 설계온도는 –20℉ 이상으로 한정한다.

표준에는 금속 분말 재료, 화학성분, 기계적성질, 미세조직, AM 절차 자격, AM 절차 인장시험, 생산 빌드 사이클 감시 시험편, AM 부품을 위한 설계 요구사항, AM Reduction Factors, AM 부품의 검증 시험설계, AM 부품을 위한 시험 요구사항 등이 포함된다.

AM 특별위원회에서 준비 중인 기술표준(안)은 ‘Specification for Pressure Retaining Metallic Components Using Additive Manufacturing’이며 2020년 상반기에 각 위원들이 on-line 으로 검토 진행 중이다.

미국전력연구소(EPRI) 진행 프로젝트

EPRI는 PBF 기법으로 스테인리스강 316L 소재를 3D프린팅으로 제작하기 위한 Code Case를 개발했다. 지난 2월 정기 ASME 특별위원회 미팅에서 ‘Data Package for 316L Stainless Steel Manufactured Via Laser Powder Bed Additive Manufacturing’을 발표했다. EPRI 주관으로 Westinghouse, Rolls Royce, Auburn University, Oak Ridge National Lab., Oerikon 등 5개 기관이 참여했다.

KIWG(Korea International Working Group) 활동 결과

ASME-KIWG Chair는 구경회 한국원자력연구원 박사이며 KIWG산하에 총 5개의 Task Group이 운영 중이다. BEES㈜ 안희성 박사가 리딩하는 Task Group에서는 Wire-Arc DED 및 Powder-Laser DED 기법으로 UNS S31603 소재를 적층제조하기 위한 2개의 Code Case 개발 중에 있다.

KS 표준 개발 현황

한국 산업표준심의회 산하의 적층가공전문위원회에서 ISO TC261 단독 및 ISO/ASTM 공동 발행 국제 표준에 대해 KS 부합화 개발을 진행 중이며 6건 완료했다(표 2). 적층제조 관련 품질평가를 위한 신규 KS 개발은 2019년부터 한국건설생활환경시험연구원(KCL)을 중심으로 진행하고 있으며 현재 품질평가 관련 3종에 대한 초안을 개발 진행 중이다.

전력산업분야 금속 3D프린팅 표준화 필요성

3D프린팅 기술과 가용재료의 확장으로 3D프린팅 적용분야는 점점 확대되고 있지만 전력산업의 재료, 공정, 시험검사, 제도 등을 규정하는 표준은 3D프린팅 산업의 성장속도를 따라가지 못하고 있다.

표준화 수요측면에서 수요자는 3D프린팅으로 생산된 부품이 표준에 따라 자격을 갖추고 인증된 제품을 사용하기를 희망하며 공급자(제조자)는 3D프린팅으로 제조하는 자사 부품의 재료, 공정, 장비, 시험검사 등이 표준에서 규정하는 자격을 갖추고 부품의 성능과 내구성이 인증되기를 원하고 있다. 따라서 수요자와 공급자의 표준화 요구조건을 만족할 수 있는 전력산업 분야의 표준, 절차 및 인증기관 등을 정의하고 구비하는 것이 시급하다.

기술적인 측면에서 3D프린팅은 전통적인 제조방법보다 고려해야 할 요소가 더 많기 때문에 품질 표준이 특히 중요하다. 재료에 대한 산업 표준(화학조성, 유동성, 밀도, 입자 크기 및 분포 등), 제조 방법(공정제어, 기계교정 및 자격인증, 재료취급, 후처리, 사이버보안 등), 품질 및 인증, 비파괴 평가(데이터 요구사항, 방법, 계측), 제품의 유지보수 및 수리에 대한 표준은 3D프린팅 기술이 제품의 요구사항을 충족하고 공공의 건강과 안전을 총체적으로 보장하기 위해 필요하다.

ISO/ASTM에서 발행한 표준 문서를 KS로 부합화하는 표준화 활동이 진행 중이지만 전력산업에 대한 표준 개발은 단기간 내에 기대하기 어려운 상황이다. 한국의 전력산업기술기준 등은 지금까지 ASME의 빠른 추종자 위치에 있었지만 새롭게 부상하는 3D프린팅 기술을 조기에 채택하기 위해 전력산업분야의 독자적인 표준화 활동 필요성이 제기되고 있다.

금속 3DP KEPIC표준화소위위원회 구성 및 활동결과

소위원회의 역할 및 구성

해외 선도국의 금속 3D프린팅 표준화 물결과 국내 R&D 확대에 대응하고 전력산업 경쟁력 향상과 3D프린팅 산업발전에 기여하기 위해 지난해 6월 소위원회가 출범했다.

소위원회의 역할은 3D프린팅 적용 분야를 고려해 전력산업기술기준(KEPIC) 개발체계를 수립하고 개발이 필요한 표준 내용을 가능한 수준에서 제목까지 도출하며, 도출된 표준 개발 내용을 효과적으로 추진할 수 있는 방안을 제시하는 것이다. 소위원회의 미션을 수행하기 위한 위원은 KEPIC 분과위원회 위원과 외부전문가를 포함해 총 13명으로 구성됐다.

지난해 6월부터 올해 7월까지 총 8차례의 소위원회와 한차례 워크숍 개최를 통해 3D프린팅의 공급자, 수요자, 산학연 전문가, 규제기관, 협회 등의 의견을 수렴하고 국내 실정에 적합한 표준화 방안 도출을 위한 사례를 조사하고 분석했다. 주요 검토 대상은 3D프린팅 표준화 대상 전력사업 분야, 국내 · 외 Code & Standards 개발동향, 3D프린팅 대상 부품 및 품목, 신규표준 개발 우선순위, KEPIC화 방법 및 개발위원회 운영 방법 등이다.

3D프린팅 기술의 KEPIC화 방향성 제안

3D프린팅 표준 체계는 KEPIC의 기존 분류체계를 따름

현재의 KEPIC 제도 내에서 3D프린팅을 적용할 수 있는 방안을 모색하는 것을 제안한다. 3D프린팅은 기존의 표준 및 전통적인 방법론에 더해 새로운 표준이 추가되기 때문에 기존 표준을 최대한 활용하면서 추가로 필요한 요건들을 만드는 전략을 채택하는 것이 쉬운 접근법이다. 예시로, 재료는 MD, 공정은 MQ, 비파괴검사는 ME의 분류 체계를 따르며 3D프린팅 특별위원회(가칭)에서 개발한 표준은 해당 분과위원회의 전문적인 검토를 거쳐 KEPIC 체계에 편입될 수 있다.

3D프린팅 기술과 제도를 분리하여 표준 개발 진행

원자력 안전등급 품목까지 3D프린팅 적용을 확대하기 때문에 KEPIC MN과 연계하는 작업과 표준 개발 과정에서 원자력과 비원자력, 원자력 안전등급, 비안전등급 등을 구분하는 전략이 필요하다. 표준 필요시점, 투입 자원 등을 고려해 기술과 제도의 병행 개발 혹은 순차적인 개발 전략을 선택할 수 있다.

3D프린팅 표준 개발을 위한 시범사례 발굴 및 표준화 추진

3D프린팅 표준화 작업 초기에 시범사례를 발굴하는 것이 필요하다. 시범 사례 선정 조건으로 비안전등급, ISO/ASTM에서 발행한 재료 및 공정 등의 표준을 활용할 수 있는 품목, 국내 제조기반과 함께 발전사의 수요가 있는 품목, 국내에서 3D프린팅 부품개발이 진행 중이며 표준 개발 수요가 있는 품목 등이 포함된다. 이 중에서 2가지 이상의 조건을 충족하는 것을 시범 사례로 선정할 수 있다.

시범사례에 해당되는 예시로 PBF 혹은 DED 공정으로 제조 가능한 스테인리스강 316L 소재로 제조되는 비안전등급 밸브 몸체 등이 있다. 시범사례의 표준 개발을 통해 3D프린팅 표준 프레임을 먼저 만들고 데이터를 축적하면서 표준을 수정 · 보완하고 필요시 범위를 확대하는 전략을 제안한다. 전통적인 주조품 및 단조품도 각각 규격이 있고 규격에 맞게 시험 · 검사를 하듯이 시범사례로 선정된 3D프린팅 제품도 새로운 제조공정으로 간주해 특성에 맞는 표준화 개발 방향을 잡아야 한다. 설계 관점에서는 3D프린팅 기법으로 제작된 부품이 기존 KEPIC 제품의 화학성분 및 기계적물성 요건을 만족하면 원전 · 비원전 압력용기 부품설비로써 설치 · 운영할 수 있는지 검토한다.

현장 적용이 시급한 품목은 Code Case 형태로 개발해 KEPIC에 반영

원자력발전소 적용을 위해 개발 중인 R&D 과제의 경우 시급성, 전략성, 파급효과 등을 고려해 Code Case 접근을 고려할 수 있으며 시급성 등은 국내 산업계 니즈를 고려해 3D프린팅 특별위원회에서 결정한다.

3D프린팅 표준화 우선순위

원자력발전에 적용하기 위한 ‘3D프린팅 표준 개발 방법’은 크게 3가지 방법으로 구성된다. 3가지 방안은 각각 독자적으로 추진하거나 보완적인 개념으로 함께 진행할 수 있다. 제1안은 ISO와 ASTM 발행 표준을 선별해 KEPIC에 도입하며 필요시 KS, AWS, ASME 등을 참조한다.
제2안은 Code Case 형태로 개발하고 현장 적용에 맞는 표준을 구축한다. 제3안은 국내 R&D 결과를 반영하여 국내 독자적인 표준을 개발한다.

제1안을 좀 더 구체적으로 살펴보면 국내 원자력발전소에 3D프린팅을 적용하기 위한 기술적인 측면에서 ASTM 표준 중에 7종의 번안이 필요하다. 재료는 ASTM F3184(스테인리스강 316L), ASTM F3055(인코넬 718), ASTM F3049(금속분말) 등이다. 공정은 ASTM F3187(DED 관련), 후처리는 ASTM F3301, 시험평가는 ASTM F3122, 데이터/보고는 ASTM F2971이 포함된다. ASTM 발행 표준 사용 시의 저작권 이슈는 함께 검토한다. 용어, 시험/검사, 설계, 데이터 처리에 대한 일반 개념은 KS 표준을 활용한다.

제2안은 적용사례 위주의 Code Case를 개발해 KEPIC 표준에 도입하는 방법이며 제1안에 비해 좀 더 현실적인 방안이다. Code Case 개발은 ASME Code Case N-834 사례를 참조하여 진행할 수 있다. Code Case는 해당 사례에 필요한 재료, 공정, 시험검사, 설계 등 모든 요건이 포함돼야 하며 기술 분야별로 권한을 가진 위원회에서 제출 데이터패키지에 대한 검토 및 승인이 필요하다.

국내 R&D 현황을 고려하면 Code Case로 추진 가능한 후보는 스테인리스강 316L 소재의 분말-레이저 DED, 와이어-아크 DED 기법으로 KEPIC MNB 1등급 부품 건조에 대한 내용이 있다.

3D프린팅 표준화를 위한 단계별 추진 전략
3D프린팅 특별위원회 구성 및 운영

3D프린팅의 각 기술 분야는 기존의 KEPIC 체계에서 경험하지 못한 생소한 분야일 뿐만 아니라 기술발전 초기 단계에 있는 계속 진화 · 발전하는 미성숙 기술의 특성이 있기 때문에 기술과 제도 측면의 전문성이 필요하다.

금속 3D프린팅 기술의 KEPIC 표준개발을 위해 가칭 ‘3D프린팅 특별위원회’가 필요하며 산하에 재료/공정, 시험/검사, 설계, 제도 등 분야별 실무위원회 구성이 필요하다. 특별위원회의 소속 위치는 3D프린팅 표준화 추진 권한과 기존 전문위원회/분과위원회와의 소통을 고려해 결정한다.

단계별 추진전략

전력산업분야의 금속 3D프린팅에 대한 국내 수요, 국내 전문역량 등을 고려해 KEPIC 표준화는 단계적으로 추진한다. 1단계(2년)는 준비기이며, 3D프린팅 특별위원회 및 소위원회(혹은 실무그룹)를 신설하고 운영해 3D프린팅 KEPIC화 시범사업을 선정하고 각 기술 분야별로 1건 이상의 표준 초안을 작성해 관련 위원회의 승인을 완료한다.

2단계(3년)는 활용기이며 전력산업분야 3D프린팅 부품 적용을 위한 KEPIC 표준을 발행하고 산업계에 확산한다. 또한 3D프린팅 기술과 KEPIC 인증제도 분야 요건을 충족할 수 있도록 준비한다.

3단계(5년)는 발전기이며 원자력 및 비원자력분야 3D프린팅 KEPIC 표준 체계를 완성하고 금속 3D프린팅 KEPIC 표준의 글로벌 진출을 추진한다.

맺음말

3D프린팅 기술은 전력산업 분야에서 다양한 적용분야가 도출되고 있지만 높은 장비가격, 가용 재료의 부족, 대형 제품 적용의 한계와 같은 난제들이 여전히 존재한다. 그러나 최근 글로벌 발전 OEM들의 3D프린팅 기술 적용 성공사례가 속속 발표되고 있으며 산업의 기준이 되는 국제적인 표준화 작업도 큰 진전을 이루고 있다. 한국에서도 3D프린팅 산업이 성장의 단계를 맞이하고 있다.

전력산업 분야에도 신규 건설을 포함해 유지보수용 부품을 포함한 다양한 적용분야가 도출되고 있다. 또한 공공과 민간의 R&D 투자가 증가하며 R&D 결과물의 전력산업 적용을 위해 관련 표준과 제도 등의 제정 · 정비가 요구되고 있다.

3D프린팅 기술이 전력산업 분야에 기여하기 위해서는 3D프린팅 제품이 기존의 전력산업 품질, 자격인증 제도 및 규제를 충족하는지 광범위한 테스트와 검증이 필요하다. 3D프린팅 제품의 개발, 현장 실증시험, 소재-공정-인증 등의 기준이 되는 표준개발에 전력산업 이해관계자들의 적극적인 참여가 필요하다.


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