[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] CAE 기술 분말사출성형·분말야금 전문기업 ‘쎄타텍’

충북도 R&D 지원 통해 ‘3D 프린팅기술을 이용한 대형 티타늄합금 부품 개발’제품화

오홍지 기자 | 기사입력 2021/06/01 [03:23]

[충북 소재·부품기술 국산화 R&D사업 기업탐방] CAE 기술 분말사출성형·분말야금 전문기업 ‘쎄타텍’

충북도 R&D 지원 통해 ‘3D 프린팅기술을 이용한 대형 티타늄합금 부품 개발’제품화

오홍지 기자 | 입력 : 2021/06/01 [03:23]

▲ (주)쎄타텍 전경.  © 오홍지 기자


[충북넷=오홍지 기자] 청주 오송생명과학단지에 소재한 (주)쎄타텍은 CAE(컴퓨터 이용 공학(computer-aided engineering) 기술을 기반으로 분말사출성형과 분말야금 기술을 적용한 금속이나 세라믹 부품을 개발 또는 생산하는 부품소재 전문기업이다.

 

요즘 각광받는 금속기반 3D프린팅 기업으로도 통한다.

 

쎄타텍은 이 분야 CAE 소프트웨어(PIMsolver와 PMsolver)를 개발해 상업화에 성공하며 분말사출성형과 분말야금 제조공정 외에도 초정밀 금형 설계와 가공기술, 신소재 개발, 제조공정 등 지속적인 연구개발에 전념하는 기업이다.

 

2018년 제조공정 등에 대한 지속적인 연구개발을 바탕으로 강소기업 반열에 오르기 위해 청주시 오송첨단의료복합단지내 신축사옥으로 이전했다. 더 큰 세상을 위한 힘찬 도약의 첫 계단을 오른 셈이다.

 

우선, 쎄타텍의 주력업은 CAE 기술 기반 분말사출성형과 분말야금 기술을 이용한 부품개발과 제조분야이다. 이 곳에 적용되는 소재로는 텅스텐합금과 티타늄합금, 내열찹금, 스텐렌스강, 구리, 세라믹, 초경합금, 공구강 등 다양하다.

 

분말사출성형(Powder Injection Molding; PIM)은 플라스틱 출성형(Injection molding)기법과 분말야금(Powder Metallurgy)기법이 혼합된 새로운 제조기법이다.

 

분말/바인더 믹싱, 사출, 바인더제거와 소결 공정으로 이루지는데 특히, 금속분말을 이용한 분말사출성형은 MIM(Metal powder Injection Molding)이라 불리기도 한다.

 

세라믹분말을 이용한 분말사출성형은 CIM(Ceramic powder Injection Molding)이라 불려지지만, 기본적으로는 금속이나 세라믹 분말을 이용한 사출성형공정이므로, 분말사출성형(PIM)공정은 MIM이나 CIM공정을 포괄하는 기술이다.

 

▲ (주)쎄타텍 권영삼 대표가 자체 기술개발 제품화를 설명하고 있다.     ©오홍지 기자

 

분말사출성형은 주조, 단조 또는 기계가공과 같은 기존 제조공정으로 제작이 어려운 작고 복잡한 형상의 부품 제조에 용이한 장점을 가지고 있다.

 

스텐레스강과 같은 철계금속, 구리, 티타늄합금과 같은 비철금속, 텅스텐, 몰리브덴, 레늄과 같은 내열금속 외에도 초경이나 알루미나, 지르코니아, 질화알루미늄과 같은 세라믹 소재를 형상에 제약 받지 않고 정밀 제조가 가능하다.

 

여기에 첨단 의료 전자제품의 소형화와 고기능성과 맞물리기 때문에 분말사출성형 기술의 가능성은 무한하다. 근래에 핫이슈가 되고 있는 마이크로 로봇이나 소형 드론 등의 초소형 제품용 부품 양산 공정으로 큰 강점을 가지고 있다.

 

이러한 점에서 쎄타텍은 다양한 금속소재와 세라믹 소재에 대해 분말 혼합에서 소결까지 전공정을 자체 개발할 수 있는 능력을 보유했다.

 

무엇보다 이 연구결과는 세계적으로 인정받아 2010년 ASM Handbook, Volume 22B(Metals Process Simulation)의 pp.343-357에 “Modeling and Simulation of Metal Powder Injection Molding”라는 제목으로 게재되기도 했다.

 

이어, 분말야금(Powder Metallurgy; P/M)은 금속이나 세라믹 분말을 이용한 부품을 제조하는 기법인데, 금형압축성형(Die Compaction & Sintering; DP) 공정이 가장 일반적인 분말야금 공정이므로, 금형압축성형 공정을 분말야금 공정이라고 부르고 있다.

 

그러나 실제로 분말야금 공정은 금형압축성형 외에도 분말사출성형 등 다른 다양한 제조공정(금형압축성형, 분말사출성형, 냉간정수압성형, 열간등가압성형, 열간등가압성형, 분말단조, 적층제조)을 포함하고 있다.

 

이들 각각의 P/M공정은 제작가능한 크기나 구현할 수 있는 복잡도가 서로 다르기 때문에 제작하려는 부품의 형상이나 크기, 수량에 따라 최적 제조공정을 선정해야 한다.

 

특히, 적층제조(AM)는 금속분말의 3D 프린팅 기술을 의미하는데, 기존 P/M공정의 단점을 상당부분 커버할 수 있는 차대세 제조공정이기도 하다. 산업전반에 큰 변화를 줄 수 있는 획기적인 제조공정으로 많은 관심을 모으고 있다.

 

▲ 권영삼 대표가 자체 기술개발 제품화를 설명하고 있다.  © 오홍지 기자


◆ 자체 기술개발 및 충북도 사업 선정

 

2019년 일본이 한국을 상대로 수출규제에 들어가면서, 수입에만 의존하던 대형 티타늄 합금 부품 제작에도 제동이 걸렸다.

 

이때 쎄타텍은 충북도의 ‘충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업`에 선정되면서 수입용 티타늄 합금 부품을 자체 기술 개발 할 수 있는 기회를 잡게 됐다. 

 

이 시기 모든 게 간절했던 쎄타텍은 망설임 없이 충북도 지원사업 과제 수행을 통해 자체 기술로 대형 금속 3D 프린터를 개발, 티타늄 합금을 소재로 한 우주항공용 시제품(지름 830mm X 높이 1060mm급) 제작에 몰두할 수 있었다.

 

티타늄 합금은 기본적으로 10㎝ 이상 수입규제로 국내에 들여올 수 없는 수출 규제 품목. 규제 이상의 티타늄 합금은 전략 무기 등으로 전향될 수 있기 때문에서다. 

 

심지어 기존 방식으로 티타늄 부품을 가공할 경우 비용·시간적 측면의 소비가 심각하다는 단점도 있다.

 

이런 측면에서 쎄타텍은 금속이나 세라믹 등 분말을 활용해 티타늄 합금 부품을 제작하고 있다.

 

상대적으로 분말(파우더)의 경우 수입 규제에서 보다 자유로운 편이고 티타늄 합금 가공시 비용, 시간 등 모든면에서 기존방식을 보완한 장점을 가졌다.

 

“우리가 개발한 3D 프린터와 분말만 있으면, 티타늄 합금 부품은 얼마든지 만들 수가 있죠.” 쎄타텍의 금속 3D 프린팅 기술은 분말적층용융결합(PBF) 방식이다.

 

▲ 금속 3D프린터를 활용해 분말야금 제조공정으로 완성된 티타늄 합금 부품.     ©오홍지 기자

 

분말야금의 제조공정 중 적층가공(금속 3D 프린터)은 지금까지 절삭가공으로는 만들 수 없었던 형상을 만들 수 있다. 전문업체 외에도 공작기계업체도 진출할 만큼 주목받는 기술이다.

 

가공현장에서 사용 사례는 아직 많지 않지만 연구기관 등에서는 사용되는 경우가 늘고 있다.

 

적층가공은 3차원 물체를 만들어 내기 위해 원료를 여러 층으로 쌓거나 결합시키는, 입체(3D) 프린팅이 작동하는 방식이다. 즉, 모든 입체(3D)프린터는 컴퓨터의 지시에 따라 원료를 층(layer)으로 겹쳐 쌓아서 3차원의 물체를 만들어 내는 것을 의미한다.

 

고체의 열가소성 플라스틱, 금속 분말, 모래 등의 재료를 이용하며, 제품화 단계에서 금형을 제작하는 등 중간 과정이 전혀 필요 없고, 즉각적인 수정 작업이 가능해 제품의 개발 주기와 비용의 효율성을 높여 준다.

 

적층가공(additive manufacturing)은 입체(3D) 프린팅을 일컫는데, 이는 기존의 제품은 재료를 자르거나 깎아서 생산하는 절삭 가공(subtractive manufacturing)인데 반해, 입체(3D) 프린팅은 재료를 층층이 쌓아 만들기 때문이다.

 

<티타늄 특성>

티타늄은 내식성과 강도 그리고 연성을 가지고 있어 인공 힙 조인트, 인공 심장, 심장박동 조절기와 같은 의학적 용도로 사용하기에 이상적이다. 티타늄 금속은 질량 대 강도의 비가 가장 큰 금속이다. 티타늄 금속은 강철만큼 강하지만 밀도는 강철의 반이다. 생산된 티타늄 금속의 반 정도는 비행기 동체나 터빈의 날개 그리고 파이프 같은 항공기 부품을 만드는 고성능 합금용으로 항공 산업에 이용된다. 예를 들면 보잉 787 항공기는 무게의 약 15%가 티타늄이다. 또한 티타늄은 인공위성과 국제 우주정거장의 주요 소재이다. 티타늄과 티타늄 합금은 골프 클럽, 보석, 테니스 라켓, 시곗줄, 자동차 휠과 같은 소비재의 재료로도 사용된다.  - 네이버 지식백과

 

◆ 과제 수행에 따른 성과 및 향후 계획, 차별화 전략

 

쎄타텍은 충북도 과제를 통해 1200mm(가로) X 1200mm(세로) X 1500mm(높이) 크기의 최대 제작 가능한 국내 최대 크기의 대형 금속 3D 프린터를 개발했다.

 

여기에 개발된 금속 3D 프린터를 이용한 대형 티타늄 합금 부품 적층제조 기술을 확보했고, 수입에 의존하던 대형 티타늄 합금 부품의 국산화 성공이란 성과를 거뒀다.

 

이는 고용창출 효과로 이어졌다. 쎄타텍은 3명에 대한 신규 고용을 끌어냈으며, 이 기술개발로 사업확대에 따른 추가 고용 창출과 투자 등을 계획하고 있다.

 

또, 쎄타택은 이 기술개발을 활용해 사용자 요구에 맞는 최고 품질의 부품을 생산하고, 가장 경제성 있는 공정을 제작해 고객 만족 실현에 집중할 계획이다.

 

또, 의료와 전자, 우주항공과 산업 전 분야에 걸친 부품 생산에도 심혈을 기울이고, 부가가치가 높은 특수 금속인 ▲티타늄 합금 ▲텅스텐합금·초내열합금과 세라믹인 ▲알루미나, 지르코니아·기타 바이오 세라믹 등 부품 제조에 박차를 가할 계획이다.

 

본 기사는 충북도 신성장사업국 산업육성과에서 지원한 충북 소재·부품기술 국산화 R&D 사업 수행과제 중 우수기업 탐방 기사입니다. <편집자 주>

 

▲ 티타늄 합금 부품과 함께 사진 촬영을 하고 있는 권영삼 대표.     ©오홍지 기자

 



 
 
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