최근 노후 선박의 안전 문제와 해양 환경오염 문제가 대두되면서 정기적인 부품 교체의 필요성이 중요해졌어요. 거기다 우주항공분야에서 LDM(DED)방식으로 제작한 대형 부품을 사용한 사례와 PBF 방식으로 정밀부품을 제작해 교체하는 사례가 늘어나면서 조선산업 분야에서도 AM기술을 효과적으로 사용할 수 있을 것이라는 신뢰가 올라갔어요. 그래서 최근에 해양산업 업계에서는 AM기술 도입을 위한 교육과 연구가 활발히 이루어지고 있어요. 특히 전문가들은 4차 산업시대에 디지털 조선소는 2030년까지 매년 20% 성장할 것이라고 전망하고요.

😎트렌드

선박이 전 세계에 분산되어 있고 다국적의 선원을 직원으로 둔 대형 해운회사의 경우 현지화된 생산 솔루션이 구축된다면 산업구조를 조금 더 효율적으로 바꿀 수 있을 거예요. 노르웨이의 연구소 SINTEF Digital의 연구원 Gunnar Lamvik은 AM기술 도입을 통해 해양산업의 새로운 생태계를 조성함으로써 해운 부분의 환경을 개선할 필요성이 있다고 주장했어요. 우리는 이런 부품의 현지 생산 시스템을 예비 부품 공급망(SPSC:Spare Part Supply Chain)이라고 불러요.

해양산업 이해관계자 그룹을 대상으로 AM 기술 도입으로 기대되는 혜택이 무엇인지 인터뷰한 결과 다음 4가지를 언급했어요. 

• 비용절감
• 서비스 개선
• 창고공간 축소
• 친환경적인 제조방법

AM기술은 대량생산 시스템이 아니기 때문에 소규모 최종파트 제작에 적합해요. 예를 들면 쉽게 구할 수 없는 오래된 부품 제작이나 개별 제품 생산 및 단기 생산에 사용하기 좋죠. 그리고 각 현장에 생산 솔루션이 구축된다면 분산 생산이 가능해지고 부품 운송을 줄일 수 있다는 장점이 있어요. 해운산업은 리드타임이 짧아야 하는 특성 때문에 사용량이 많지 않은 부품도 재고로 쌓아두는 경우가 많은데요, AM기술을 사용할 경우 필요할 때마다 제작해서 사용하면 되기 때문에 부품 재고를 줄일 수 있어요. 그러면 창고 유지 비용도 감소하겠죠. 이미 항공, 자동차 산업에서는 예비부품을 제조하는데 AM기술을 사용하고 있답니다. 마지막으로 생산과정이 친환경적이에요. 생산규모에 따라 에너지 자원 사용량이 달라졌던 전통적 생산방법과 달리 3D프린터를 사용하면 가공 과정에서 버려지는 재료 양이 적고 단조 공정에서 사용되는 윤활제나 냉각수 등 유해화학물질을 훨씬 더 줄일 수 있어요.

단점도 있어요. 우선, AM기술을 사용하기 위해서는 공급망을 재설계해야 하고요.

일반적인 대형 회사에서는 부품 생산을 중앙 집중식으로 해야 생산 프로세스를 더 쉽게 제어할 수 있어요. 그리고 생산망을 만들기 위해선 각 현장별로 AM장비를 구축해놓아야 하기 때문에 초기 설치 비용을 포함한 유지비 및 운용비용이 엄청 많이들어요. 그러면 결과적으로 최종 소비자의 입장에선 대량생산과 비교했을 때 리드타임은 줄어들지만 부품 단가는 올라가게 되죠. OEM(Original Equipment Manufactuer 주문자 상표 부착 생산)기업 입장에서는 ROI(return on investment 투자 수익률)를 고려하지 않을 수 없기 때문이에요. 

• 대량생산 방법이 아니기 때문에 수요가 많은 부품의 경우 적용이 어려움
• 3D프린터 제조업체별로 다른 장비 사용법과 현장 최적화의 한계점
• 고가인 AM장비 구축의 재정적인 부담
• 3D프린팅에 대한 전문 지식을 갖춘 전문가 풀 부족
• 해양산업 관련 3D프린팅 산업표준의 부재

그래서 예비부품망은 단순히 판매자와 구매자만 고려해서 구축할 수 없어요. 여러 이해관계자와 얽혀있기 때문에 비즈니스 생태계 구축과 규제 프레임 구조 안에서 다각적으로 고민해 봐야 하는 문제에요.

아니요. 모든 부품을 제작할 수는 없어요. 일단 AM기술로 예비부품을 제작하는 것은 빠르고 경제적인 방법이지만, 비용이 아주 많이 들어요. 그래서 AM기술은 재고 비용이 높은 고부가가치 품목들을 주로 제작해요. 수요가 거의 없지만 필요한 경우에 즉시 사용할 수 있어야 하는 부품과 공급 위험이 높은 부품 등이죠.

해운사업은 온실가스인 이산화탄소를 가장 많이 배출하는 산업 중 하나에요. 국제해사기구(IMO)는 선박의 온실가스 배출 감소를 위해 대책을 수립하고 2030년까지 최소 20% 이상 줄이고, 2050년까지 70%를 감소하겠다고 했어요.

이를 실천하기 위해 배기가스 정화용 스크러버 등 대기오염을 최소화할 수 있는 기술에 투자를 하고 예비부품을 AM 기술로 생산할 계획이에요.

DTU(Technical University of Denmark)의 기계 공학 부서의 연구원 Thomas Dahmen은 해양 산업 엔진 제조 기업 MAN Energy Solutions와 공동으로 3D프린터로 선박엔진을 제조하는 연구를 진행했어요. AM기술을 활용해 노즐을 구부린 엔진을 제작함으로써 연료는 더 잘 흐르지만 산화질소 배출은 감소시키는 엔진을 개발하고 있어요.

🔍사례

미국의 에너지 회사 Equinor는 AM장비를 도입해 예비부품을 사용한 성공 사례에요. Equinor는 AM기술을 사용하기 전엔 약 33억 달러에 달하는 gaskets을 예비로 보관했고, 이 중 80%는 사용가능기간 경과로 폐기했다고해요.

보수적인 해양산업 분야에 신기술을 도입하기란 어려운 일이에요. Equnior가 Prototech의 자회사인 Additech와 함께 연구한 결과 대부분의 이해관계자들이 해양산업에 AM기술을 도입하기 어렵다고 생각하는 가장 큰 이유는 'AM에 대한 이해와 기술적 능력 부족' 이었다고 해요. 이에 Additech는 2년에 걸쳐 12명의 AM 기술자를 양성하는 파일럿 클래스를 운영하고 있어요.

RAMLAB은 WAAM기술을 기반으로 주문형 금속부품을 만드는 네덜란드 회사에요. 최근 조선산업에 AM기술을 도입하기 위해 노력하고 있어요. RAMLAB은 업계에서 성공적으로 사용하고 있는 부품 2가지를 제작했는데요, 하나는 298개의 레이어로 적층 된 WAAMpeller이고, 하나는 크레인 후크에요. 

🐰층층이: WAAM(Wire-Arc Additive Manufacturing/와이어 아크 적층제조)이 무엇인지 기억하나요? 아크를 열원으로 와이어를 용융시켜 용접/적층하는 방식으로 LMD방식과 유사하지만 와이어의 굵기가 굵은 편이고, 용접위치가 정확하지 않다는 점 등 WAAM방식의 특성 때문에 열응력이 높고 기계적 특성이 낮아 Near Net 형상 최적화를 위해서는 더 많은 가공 시간이 필요한 기술이에요. 삼차원 1호에서 다루었답니다!

Green Ship of the Future는 51개의 회원사로 이루어진 선박 및 해양산업을 중심으로 환경 및 에너지 효율성 관련 연구를 하는 덴마크 단체에요. Green Ship of the Future에서는 6척의 선박 내부에 AM기술로 부품을 제작할 수 있는 3D프린터 3대를 설치하고, 선박의 작동과 안전에는 영향이 없지만 종종 손상되거나 주문하기 어려운 부품(분말 소화기 엔드 노즐, 선반 레버 손잡이, DIN레일 퓨즈 마운트, 엔진 제어실용 난간 브래킷 등)을 인쇄하는 프로젝트를 진행했어요. 다만, 안타깝게도 선원들 대다수가 제작솔루션에 대해 회의적이었다고 해요. 이유는 3D프린터에 대한 지식 부족, 장치 작동 기술 부족, 3D 모델링 기술 부족 등이 가장 큰 이유였다고 해요.

이탈리아와 핀란드 R&D센터에서 AM기술을 연구하는 해양 및 에너지 연구개발 기업 Wärtsilä는 전 세계에 있는 지점에 3D프린터를 설치해서 수요에 따라 필요한 부품을 생산하는 분산 생산 솔루션을 개발하고 있어요. 2019년에는 현재 사용 중인 도구를 대체할 수 있는 실린더 라이너용 마운팅을 개발하는데 성공했어요. Wärtsilä는 기존에 부품을 생산하는 하청업체의 수가 제한적이고, 제작을 했다고 해도 전 세계 지점과 수리 중인 선박으로 보내야 해요. 그럼 운송비용이 많이 발생하고, 전통적인 방식으로 부품을 제작했을 때 손실되는 재료의 양도 많아요. Wärtsilä의 AM 전문가인 Juno Raukola는 최소화된 제작비용으로 부품을 제작하고 현장에서 사용할 수 있도록 탄소섬유 강화 FDM \기술을 미국의 Markforged사와 협력하여 솔루션을 개발하고 있어요.

노르웨이의 해양산업분야 선급협회 DNV는 제품검사, 시험 장비 및 공정 시스템에 대한 승인을 내립니다. 노르웨이에서는 국가공인 선급협회인 DNV의 승인을 받지 못한 재료나 자재, 가공방법 등으로는 선박을 제조할 수도 없고, 납품과 설치 또한 할 수 없습니다. 이런 DNV에서 2017년 AM기술 인증 서비스를 시작했습니다. AM 기술이 선박 운영의 효율성에 기여할 수 있다고 판단했기 때문이죠. 이 인증 서비스에는 AM공정과 3D 프린팅 제품에 대한 승인과 인증이 포함됩니다. 우리가 익히 알고 있는 글로벌 브랜드 EOS의 경우 316L과 Super duplex 소재에 대한 인증을 싱가포 DNV와 ABS에서 받았습니다. DNV 함부르크의 재료 및 용접 AM수석 엔지니어인 Eva Junghans 박사는 AM기술이 안전에 중요한 등급 및 비등급 선박 부품 및 구성 요소를 위한 핵심 기술이 됨에 따라 더 많은 AM 재료, 프로세스, 제조업체 및 개별 부품 설계가 등급 승인을 받고, 조선소가 의도한 응용 분야에 맞게 최적화되어야 한다고 말했습니다.

DNV에서 2017년 AM기술 인증 서비스를 개발하고 2018년 첫 승인까지 발표했지만, 업계에서는 큰 관심을 받지 못했습니다. 여기엔 각 기업별로 여러 가지 이유가 존재했습니다.

또 다른 사례로 싱가포르의 주문형 생산 업체인 JIP AM은 싱가포르의 해양항만청과 함께 JIP 공동산업 프로젝트를 기획했습니다. 이 프로젝트엔 여러 국가의 해양산업 기업들이 참여했는데, 대표적으로 Wilhelmsen Ship Service(WSS), OEM(Original Equipment Manufacturer) Wärtsilä, Kawasaki Heavy Industries, Hamworthy, DNV, ThyssenKrupp, Ivaldi Group, Tytus3D 등 다양한 기업이 참여했습니다. 이 프로젝트를 통해 JIP은 AM기술에는 적합하지만 크게 중요하지 않은 부품 100가지를 선정해 제작했고, 이를 통해 2020년 2월, 해양업계 최초로 3D프린팅 부품을 배송하기도 했습니다. 노르웨이의 해양산업 기업 Wilhelmsen Ship Service(WSS)가 본 프로젝트를 주도했고, DNV역시 노르웨이 기업이기 때문에 전문가들은 전 세계 해양산업을 위한 AM 예비부품 생산의 주요 역량이 노르웨이에 집중될 것이라고 전망하고 있습니다. 

• 일시 : 2023년 09월 20일 9:30~17:30 (영국시간 기준) 

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