초록 ▼

□ 사업목적
○ 중대형 수송기기 고부가가치 금형 제작을 위한 고속, 저가, 고회수율의 와이어 아크 적층 3D프린팅 소재·공정 최적화 기술개발을 통한 원천 및 실용화 기술 확보로 제조공정혁신 및 글로벌 기술 경쟁력 확보

□ 연구 필요성
○ 3D 프린팅 또는 Additive Manufacturing (이하 “3D 프린팅”) 제조 방식은 4차 산업혁명 핵심요소 중 하나로써 수십 년 내 글로벌 제조업 경쟁력 재편의 주요 성장동력이 될 것이라고 여겨지고 있으며, 미국, 유럽 등 제조 선진국을 중심으로 활발한 연구 및

□ 사업목적
○ 중대형 수송기기 고부가가치 금형 제작을 위한 고속, 저가, 고회수율의 와이어 아크 적층 3D프린팅 소재·공정 최적화 기술개발을 통한 원천 및 실용화 기술 확보로 제조공정혁신 및 글로벌 기술 경쟁력 확보

□ 연구 필요성
○ 3D 프린팅 또는 Additive Manufacturing (이하 “3D 프린팅”) 제조 방식은 4차 산업혁명 핵심요소 중 하나로써 수십 년 내 글로벌 제조업 경쟁력 재편의 주요 성장동력이 될 것이라고 여겨지고 있으며, 미국, 유럽 등 제조 선진국을 중심으로 활발한 연구 및 개발을 수행하고 있음
○ 글로벌 금융그룹 ING는 보고서를 통해 2060년까지 제조품의 50%가 3D프린터로 인쇄돼 세계 무역 규모의 1/4 이상을 차지할 것이라고 예상함.
○ 3D 프린팅 기술은 기존 생산기술이 이루지 못했던 영역에서 새로운 가능성을 시사하며 제조업의 패러다임을 변화시켜 나갈 수 있는 기술임. 기존 금속 3D 프린팅 공정의 경우 열원으로 레이저를 사용하고, 고가의 분말 (powder) 재료를 사용하여 생산단가가 높고 생산성이 낮은 실정이며, 아직까지 중소/중견 기업에서 이러한 고가의 3D 프린팅 장비를 구입 및 유지하기에는 현실적으로 큰 어려움이 있음. 특히 미래 제조 산업은 고객 주문에 따라 디자인이 개별화되고, 제조업의 양산 체제는 대량 맞춤 생산 (Mass Customization)으로 전환이 예상되므로 기존 레이저/분말을 이용한 저속·고가의 3D 프린팅 방법은 적용이 적합하지 않음
○ 이에 반해, 용접 기법을 이용하여 적층하는 와이어 아크 적층 제조 (Wire+Arc Additive Manufacturing) 방식은 생산속도가 매우 빠르고, 장비를 설치/유지하는데 경제적인 장점이 있기 때문에, 중소/중견 기업형 금속 기반의 고속·저가 3D 프린팅 제조에 적합하다고 할 수 있음
○ 와이어 아크 적층제조 방식에 관한 연구는 그 산업적 영향을 보았을 때, 아직 국내/외적으로 그 연구 개발이 시작 단계에 있으며, 그 이유는 기존 금속기반의3D 프린팅 개발 및 연구는 분말 및 레이저 또는 전자 빔에 국한되어 많은 연구가 이루어 졌기 때문임
○ 전 세계 자동차 산업의 환경 규제 및 경량화 추세에 따라 비철금속 소재의 차체 및 중소형 부품의 프레스 가공·다이캐스팅 시장이 빠른 속도로 성장하고 있으며, 그에 따라 적절한 금형의 제작 및 보수에 대한 수요가 증가하고 있음.
○ 기존의 벌크 소재를 이용한 CNC 기반 금형의 경우 소재 회수율이 매우 낮으며 그로 인해 시간·비용적 측면에서 지출이 크다는 단점이 있는 반면, 와이어 아크 적층 제조 기반의 금형 제작의 경우 소재 회수율 증가에 따른 비용 절감의 이점이 있음. 와이어 아크 적층 제조를 이용할 경우 보다 복잡한 형상의 금형 제작이 가능하며, 클래딩을 통한 이종 소재의 부분적 적용으로 금형 설계상의 요구에 맞추어 냉각 속도, 내마모성 등을 향상 시켜 금형 수명 및 제품의 치수 안정성을 높일 수 있음. 국내에는 장비를 연구할 수 있는 중소/중견 업체가 많기 때문에, 고속·저가의 3D 프린팅 시스템/공정 개발 및 제조된 차세대 중대형 수송기기 고부가가치 부품 제작을 위한 3D 프린팅 기술 개발/연구 및 사업화가 되었을 경우, 경제적, 사회적, 산업적 파급 효과가 클 것으로 사료함.
○ 이와 관련된 기술 및 지적재산권 선점으로 관련 기술에 관해 세계적으로 선도할 수 있을 것으로 사료되며, 국가/산업적 중요성을 고려할 때 우리나라에서도 “중대형 수송기기 고부가가치 부품 제작을 위한 금속 3D프린팅 소재·공정 최적화 기술 개발”에 적극적인 투자확대와 연구/기술 개발 및 산업육성을 위한 대책 마련이 시급하며, 3D 프린팅 장치 분야의 선도국인 미국 등과의 국제협력연구가 필요하다고 사료됨.

□ 개발기술의 정의
○ 현재 수송기기 금속 부품 제작 산업에서 널리 사용되고 있는 와이어 기반 3D프린팅 적층 기술을 이용하여, 고속·저가·고회수율의 이점을 취할 수 있는 와이어 아크 적층 제조 기반 중대형 금형 제작 소재 및 공정 기술 최적화

□ 연구내용
○ 한국생산기술연구원
- H-13, DAC, SKD, Stellite No. 6, 스테인리스 강, 인코넬 625, 저탄소강을 기반으로 적층성, 부식성, 열기계적 물성을 고려하여 최적 금형소재 (원소, 함량 등) 선정.
- 후보군 선정 후 이를 이용한 공정 파라미터 (속도, 전류/전압, 간격 등) 및 용접 적층간 변수 (온도, 시간)를 실험계획법 (Design of Experiment)에 의거 계획 수립 및 SEM 및 EBSD 를 이용한 미세조직 및 적층 특성 파악
- 용접 적층 기초 실험 후 얻어진 적층물에 대한 기계적 특성 (경도, 인장강도 등) 분석
○ 테네시 공대
- 3D 적층한 이중재료 3D 프린팅 미세조직 및 후처리 고온/고응력 하에서의 열·기계적 물성 분석
- 공정 파라미터 (적층 속도, 전류/전압, 간격 등) 및 열처리 조건 (온도, 시간)을 실험계획법 (Design of Experiment)수립 및 고온에서 인장 및 피로 물성 분석
- 내마모성, 내열성 등 금형소재의 기능성 향상을 위한 이종 소재를 적층 및 계면에서 잔류응력 및 금속간 화합물/ 결함 분석
- 계면에서 잔류응력 및 금속간 화합물 또는 결함 (e.g., 마이크로 void 및 crack)과 고온·고응력 물성 상관관계 규명을 통한 3D 프린팅 공정 및 2차 후가공과 연계한 최적화 공정 개발
- 실험 계획법에 의한 얻어진 결과 값을 바탕으로 기계적 특성 예측가능 모델 생성

□ 예상성과
○ 정성적 성과
- 와이어 아크 적층 공정을 통해 프로토 금형 시제품 제작 및 데이터 베이스 구축
○ 질적 성과(예상성과)
- 우수논문 1건, 학회 논문 발표 3건, 국내 특허 1건, 국내 논문 1건

□ 활용방안(기대효과)
○ 연구성과의 활용 추진 시 예상되는 장애요인 및 극복방안
- 차세대 중대형 크기의 선박용 부품 금형 제작 기술 개발 및 3D 프린팅 기법에 관한 사전기획 및 그에 관한 연구가 특성상 개발/활용연구가 아닌 기초연구가 될 우려가 있음.
- 국내·외 산업체 방문 및 시장조사를 통해 기초연구 위주의 연구가 아닌, 실질적으로 국가 산업경쟁력과 지역경제 활성화에 기여할 수 있도록 노력할 예정임.
○ 후속사업 추가 연구 계획
- 사업화 전략을 포함한 고속·저가 3D 프린팅을 이용한 중대형 크기의 차세대 선박용 부품 금형 제작 기술 개발 대형 과제 도출
- 고속·저가 3D 프린팅을 이용한 중대형 크기의 차세대 선박용 부품 금형 제작 기술 기반 친환경, 고부가 제품 신규 개발 및 시장 창출을 위한 과제 도출
- 미국 NSF (National Science Foundation) 의 Division of Civil, Mechanical and Manufacturing Innovation 프로그램 하에 있는 Advanced Manufacturing (contact:; Dr. Steven Schmid) 프로그램에 국제공동연구 제안서를 제출할 계획임.
- 해외 연구자가 근무했던 NIST MSE (Measurement Science Engineering) 프로그램 및 ORNL MDF(Manufacturing Demonstration Facility)에 사전기획의 초기단계의 결과물을 이용하여 국제공동 연구 대형과제 제안서 제출 예정.
○ 연구성과 원내 확산 또는 공유 계획
- 차세대 3D 적층가공생산 공정에 있어서, 중대형 수송기기 부품 제작을 위한 금속 3D 프린팅 소재/공정 최적화 기술 개발을 통해 고부가, 친환경 적용 가능성 검토 후 후속 대형 R&D 사업 발굴 및 제품의 고부가가치화 전략 수립
- 금속 3D 프린팅 융합연구단, 뿌리산업연구소 및 3D 프린팅 전문 연구본부인 강원지역 본부와 3D 적층가공생산 기술을 이용한 고부가, 친환경 제품 생산 기술 개발 위한 핵심 이슈 도출 및 공동연구 기획
- 도출된 이슈를 고려한 사업화 전략 수립과 창의적인 기술 개발을 위한 산·학·연 조직 구성 및 단계별 연구 개발 기획
○ 해외협력기관과의 지속적인 협력 계획
- 연구책임자 및 해외 연구자 상호 기관 방문 (년 1회) 및 세미나 개최 (년 1회)를 통해 상호 교류 협력 및 테네시 공대 대학원생 (Ahsan Rumman, 박사 2년차) KITECH 단기 연구 연수 (3 개월 에서 1년) 및 화상회의를 통해 주기적인 미팅 (2회 이상/월)을 갖고, 상호 간 실험데이터 공유 및 이를 통한 계획/실적 점검
- 국내 및 미국에 있는 해당 업체 방문을 통해 실제 공정 시 문제되는 현상 등에 대한 지속적인 논의 및 해결 방안 모색
- 본 과제 연구책임자 및 참여 연구원이 사업 기간 내에 오크리지 연구소를 방문하여 와이어 아크적층제조 연구팀 (Dr. Mark Noakes and Dr. Adrej Nycz) 을 만나, 상호 기술 교류 및 협력 방안에 대해 모색할 예정임
- 본 과제 연구책임자 및 참여 연구원이 사업 기간 내에 미국 메릴랜드 주에 있는 미국국립표준연구원에 방문하여, 금속 3D 프린팅 연구팀인 Dr. Paul Witherell 및 Dr. Yan Lu 를 만나 “Bimetallic Additively Manufactured Structures for Tool & Die Applications” 라는 주제로 세미나 발표를 하고, 상호 공동연구 및 표준화 방안을 모색할 예정임

(출처 : 국제공동연구사업 요약서(기술개발형) 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 산업화형 사업계획서 ... 2
• 국제공동연구사업 요약서(기술개발형) ... 3
• 목차 ... 6
• 1. 연구개발의 개요 ... 7
• 1-1. 사업 목적 ... 7
• 1-2. 개발기술의 정의 ... 7
• 1-3. 개발기술의 필요성 ... 7
• 1-4. 해외기관과의 협력 필요성 ... 8
• 2. 연구개발의 수행 타당성 ... 10
• 2-1. 연구개발의 대표성 또는 연계성 ... 10
• 2-2. 해외협력기관의 선정 적절성 ... 13
• 3. 연구개발 내용 ... 16
• 3-1. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 16
• 3-2. 연구개발 WBS(Work Breakdown Structure) ... 20
• 3-3. 연차별 성능목표 및 검증 ... 20
• 3-4. 위탁연구개발의 목표 및 내용 (해외협력기관) ... 21
• 4. 연구개발 추진전략 및 체계 ... 24
• 4-1. 연구개발 추진전략 ... 24
• 4-2. 연구개발 추진체계(편성도) ... 24
• 5. 연구성과 활용 시나리오 ... 25
• 5-1. 연구성과 활용 계획 ... 25
• 5-2. 연구성과 원내 확산 또는 공유 계획 ... 25
• 5-3. 해외협력기관과의 지속적인 협력 계획 ... 25
• 6. 예산총괄표 ... 26
• 끝페이지 ... 29