금속 3D 프린팅 기술 성숙도 평가: TRL 관점 분석

[이미지 출처: CCDC 육군 연구소]

금속 3D 프린팅은 각각 고유한 장점, 적용 분야, 성숙도를 가진 다양한 공정을 아우릅니다. 생산용 기술 선정 시 현재 역량과 한계를 이해하는 건 필수적이나, 사실과 과장을 구분하긴 쉽지 않습니다.

기술 성숙도 수준(TRL)이란?

TRL 프레임워크는 NASA가 1970년대 초 개발한 것으로, 기술을 레벨 1(컨셉 검증)부터 레벨 9(완전 운용 배치)까지 평가합니다. 이후 여러 산업에서 신기술 평가 표준 도구로 자리잡았습니다.

TRL로 금속 3D 프린팅 평가하기

각 금속 3D 프린팅 공정에 TRL 모델을 적용해 진화, 산업 채택, 현재 활용 사례, 미래 트렌드를 분석했습니다. 경우에 따라 적용 분야별 TRL이 다릅니다. 예컨대 직접 에너지 증착(DED)은 양산용 TRL 8이지만 수리용으로는 TRL 9입니다.

연구 결과 대부분 금속 3D 프린팅 방식이 TRL 7을 넘어 운영 테스트와 기능적 프로토타이핑 단계에 도달했으며, 여러 기술이 TRL 8을 달성해 완전 통합(TRL 9)을 향해 나아가고 있습니다.

레이저 분말 베드 퓨전 (Laser Powder Bed Fusion)

기술 성숙도 수준: 8

레이저 분말 베드 퓨전(PBF)은 대표적 금속 적층 기술입니다. 정밀 레이저로 금속 분말 층을 선택적으로 용융해 층층이 부품을 적층합니다.

프라운호퍼 연구소가 1995년 레이저 금속 용융 특허를 낸 이래 EOS, 컨셉 레이저(현 GE), SLM 솔루션즈 등 주요 업체가 기술을 발전시켰습니다. 지난 10년간 모듈화된 고자동화 시스템으로 수작업 감소와 처리량 증대에 주력했습니다.

EOS는 최근 스테인리스강 CX, 알루미늄 AlF357, 티타늄 Ti64 5등급, 티타늄 Ti64 23등급 등 신규 금속 분말 4종을 포트폴리오에 추가해 항공우주, 자동차, 의료 분야 소재 선택폭을 넓혔습니다.

항공우주는 엔진 부품 등 복잡한 컴포넌트에 PBF를 채택했습니다. 최소 소재로 복잡 형상을 구현하는 능력이 중요하기 때문입니다. PBF가 기능성 부품을 일관되게 제공하지만 전면 양산엔 아직 미세 조정과 테스트가 필요해 TRL 8로 평가됩니다.

향후 소프트웨어 통합과 워크플로 간소화에서 성과가 기대됩니다. 예컨대 벨로3D(VELO3D)의 인텔리전트 퓨전 시스템은 서포트 감소, 표면 조도 개선, 성공률 향상으로 신뢰성을 높이고 후처리를 줄여줍니다. 레이저 PBF는 금속 적층 시스템 중 최대 설치 기반과 시장 점유율을 가진 업계 주력 기술로 남아 있습니다.

전자빔 용융 (Electron Beam Melting)

기술 성숙도 수준: 8

전자빔 용융(EBM)은 PBF와 분말 베드 퓨전 원리를 공유하나 레이저 대신 고출력 전자빔으로 금속 층을 용융합니다.

스웨덴 아크캄(Arcam)이 2000년 EBM을 개척해 2016년 GE에 인수됐습니다. 2018년 출시된 스펙트라 H(Spectra H)는 1,000°C에서 티타늄 알루미나이드(TiAl) 같은 열민감 합금 가공이 가능합니다.

주요 업그레이드로 6kW 고압 전원 장치가 예열·후열 단계를 50% 단축하고, 개선된 레이어링 공정으로 빌드당 최대 5시간 절약, 속도 50% 향상을 이뤘습니다. GE 항공의 아비오 에어로(Avio Aero)는 35대 아크캄 장비로 GE 9X 엔진용 TiAl 터빈 블레이드를 생산합니다. 의료 분야도 2007년부터 EBM으로 임플란트를 제작합니다. 항공우주와 의료 양산 실적으로 EBM은 TRL 8에 도달했습니다.

직접 에너지 증착 (Direct Energy Deposition)

기술 성숙도 수준: 8

용접에서 유래한 직접 에너지 증착(DED)은 레이저나 전자빔으로 금속을 용융하면서 노즐로 소재를 공급합니다. 기성 와이어나 분말을 사용해 폭넓은 소재 팔레트, 고품질, 저비용을 제공합니다.

수리가 DED의 대표 적용 분야입니다. 마모된 터빈 블레이드나 금형 인서트에 소재를 증착해 가동 중단 시간 단축과 수명 연장을 실현합니다. 수리용으로는 TRL 9입니다.

시아키(Sciaky) 같은 제조사는 실시간 이미징과 머신 비전을 결합한 폐루프 제어로 빔 파워, 공급 속도, 모션을 조정해 반복성을 높였습니다. 항공우주(위성용 티타늄 연료 탱크, 보잉 787 구조 부품)와 방산에 적용됩니다. 니어넷셰이프 양산엔 아직 가공이 필요하며 해상도 개선으로 2차 가공 시간을 줄일 전망입니다.

금속 바인더 제팅 (Metal Binder Jetting)

기술 성숙도 수준: 다양함

금속 바인더 제팅(MBJ)은 급속히 진화 중이나 시장 주체별 준비도 차이가 큽니다. 1993년 MIT에서 처음 소개된 MBJ는 얇은 분말 층을 펼치고 바인더 방울을 증착하며 분말 약 95%를 재활용합니다.

1996년부터 MIT 기술을 라이선스한 엑스원(ExOne)이 초기 양산급 MBJ를 주도하며 프로토타입과 툴링에 집중했습니다. 최근 디지털 메탈, HP, 데스크톱 메탈 등 신규 진입자가 분야를 확장 중입니다.

디지털 메탈의 DM P2500(2017년 출시)은 항공우주, 치과, 산업 시장에 30만 개 이상 부품을 생산했습니다. HP의 메탈 제트와 데스크톱 메탈의 프로덕션 시스템은 다중 노즐과 첨단 바인더로 대량 제조를 겨냥합니다.

기존 양산 검증 시스템은 TRL 7-8 사이, 신기술은 수년 내 TRL 8을 넘어설 전망입니다. MBJ는 고량산 자동차·산업 양산 침투가 예상되며 상당한 성장 잠재력을 지닙니다.

바운드 메탈 증착 (Bound Metal Deposition)

기술 성숙도 수준: 7

바운드 메탈 증착(BMD)은 금속 충전 필라멘트를 사용하는 FFF(용융 적층 모델링) 유사 신규 진입자입니다. 마크포지드 메탈 X와 데스크톱 메탈 스튜디오 시스템이 2017년 데뷔했습니다.

BMD는 신속하고 비용 효율적인 프로토타이핑과 툴링에 강점이 있습니다. 딕슨 밸브 앤 커플링(Dixon Valve & Coupling)은 메탈 X로 그리퍼 조를 프린팅해 비용을 355달러에서 7달러로, 리드타임을 14일에서 1.25일로 단축했습니다.

BMD의 콤팩트 폼팩터가 대량 양산을 제한하지만, 원격지나 특수 적용 분야에서 확장성이 커질 수 있습니다.

혁신 경로

대부분 금속 3D 프린팅 기술이 높은 TRL 점수를 달성해 양산 적합성을 입증했습니다. 그럼에도 경제성과 속도는 여전히 과제입니다. 분말 베드, DED, MBJ 공정은 여전히 기존 방식보다 비용이 높습니다.

저비용 BMD 시스템이 중소기업 진입 장벽을 낮출 수 있습니다. 하지만 획기적 혁신엔 통합 소프트웨어, 자동화된 후처리, 간소화된 워크플로 같은 성숙한 생태계가 필요해 금속 적층 제조의 완전한 잠재력을 개방할 수 있습니다.