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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.27 No.5 pp.420-428
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2020.27.5.420

Technology Trend of Additive Manufacturing Standardization

Hanshin Choi*, Jinsu Park
Advanced Materials and Processing R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-840, Republic of Korea
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최한신: 수석연구원, 박진수: 학생


*Corresponding Author: Hanshin Choi, TEL: +82-32-850-0135, FAX: +82-32-850-0410, E-mail: hschoi@kitech.re.kr
October 12, 2020 October 20, 2020 October 21, 2020

Abstract


Additive manufacturing technology is recognized as an optimal technology for mass-customized distributed production because it can yield products with high design freedom by applying an automated production system. However, the introduction of novel technologies to the additive manufacturing industry is generally delayed, and technology uncertainty has been pointed out as one of the main causes. This paper presents the results of the research and analysis of current standardization trends that are related to additive manufacturing by examining the hierarchical structure of the quality system along with the various industry and evaluation standards. Consequently, it was confirmed that the currently unfolding standardization does not sufficiently reflect the characteristics of additive manufacturing technology, and rather can become a barrier to entry for market participants or an element that suppresses the lateral shearing ability of additive manufacturing technology.



적층제조기술의 품질 표준화 동향

최 한신*, 박 진수
한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소 융합공정소재연구그룹

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport 20AUDP-B121595-05

    1. 서 론

    적층제조기술의 기술 분류는 ISO/ASTM DIS 52900에 표준화 되어 있으나, 표준 분류상에 규정하기 어려운 새로 운 유형의 기술이 제시되고 있다. 세포, 음식재료, 약물과 같은 소재와 이를 이용하는 적층제조 기술이 개발되거나 상용화되고 있으나, 일반적인 적층제조기술의 범위로 분 류되지 않고 폴리머, 금속, 세라믹 및 복합소재가 주요 소 재 군으로 분류된다. 파트의 크기와 관련해서 일반적인 엔 지니어링 소재와 부품이 주요 대상이지만, 최근 건축, 항 공, 조선/해양, 국방, 발전 분야의 대형 파트 혹은 건축물 자체[1]를 대상으로 한 대형 적층제조기술(large-area additive manufacturing)이 제시되고 있다. 적층제조기술의 산업도입의 유형은 기능파트(prototype) 제조를 이용한 제 품설계 개발에 적용하는 유형과 제조 현장에서 필요한 각 종 도구를 제조하거나 제품화 과정의 패턴, 몰드 등을 생 산하는 유형으로 적용된다. 반면에, 적층제조기술은 대상 파트를 직접 생산(rapid manufacturing) 하는 기술로 강점 을 가진다.

    1.1 적층제조기술의 산업도입

    적층제조기술은 시장과 제조 시스템 패러다임의 거시적 트렌드에 적합성이 높은 생산기술로 인식되고 있고 다양 한 기술이 다양한 산업에서 상용화되고 있다. 실제로, AMFG의 ‘19년[2]과 ’20년[3] 글로벌 공급망 분석자료를 비교하면 장비, 소재, 소프트웨어, 후공정, 품질검사, 보안 /IP 관련하여 많은 참여자가 글로벌 공급망에 참여하고 있 다는 것을 확인할 수 있다. 대상 산업 역시 항공우주/국방, 바이오 디바이스, 헬스케어, 자동차, 발전/에너지, 조선/해 양, 건축/건설, 인쇄전자, 소비재/쥬얼리 등 전 산업으로 확장되고 있다. 적층제조 기술의 산업 도입에 따른 공급망 재편에서 강조될 수 있는 핵심적 특징 중 하나로 횡적 전 단능(cross-cutting ability)를 들 수 있다. 횡적 전단능은 제 조 산업생태계 참여자가 산업 간의 경계를 넘어 시장에 참여할 수 있는 능력, 디지털 기술과 실물제조기술간 경계 를 넘어설 수 있는 능력, 상이한 기술을 보유한 참여자간 연계성을 형성하는 능력, 수요자와 공급자간 경계를 넘어 서는 능력을 포괄적으로 포함하는 경쟁력으로 정의하였고 제조기술이나 공급자의 소재부품 공급망 선택성의 척도로 활용할 수 있다. 기존에는 산업별로 구분된 수직 계열화된 공급망에 공급자가 참여하는 방식인 반면, 적층제조기술 은 [그림 1]에 제시한 바와 같이 생산의 제약성이 낮아 동 일한 소재를 제조하여 다양한 산업에 공급할 수 있는 선 택성이 높다. 생산에 소요되는 전문요소제공자와 3D 적층 제조 생산기업의 협업적 공급망은 기존 공급망 대비 단순 화된 공급구조를 특징으로 하고, 각종 툴 공급을 통한 연 속적 혁신의 유형이나 파트 혹은 최종제품을 직접 생산하 여 공급하는 파괴적 혁신의 유형으로 전개될 수 있다. 동 일한 소재와 동일한 장비를 이용하여 다른 형상의 제품을 공급할 수 있다. 예를 들어, Ti-6Al-4V 분말을 이용한 분 말베드 용융적층제조[4]를 통해 항공기 부품, 의료 디바이 스, 자동차 부품, 국방부품, 건축용 부품, 선박용 부품이나 캐릭터상품과 같은 소비재를 생산할 수 있어 공급자의 시 장 선택성이 크게 개선될 수 있다.

    1.2 적층제조기술의 산업화

    최근 연구에 따르면 적층제조장비의 생산성과 자동화 수준의 개선[5]이 이뤄지고 있고, 소재 역시 가격과 선택 폭이 넓어지고 있다. 각 적층제조기술과 관련한 공정 현상 에 대한 과학적 이론의 틀 역시 심화되고 있다. 공정연구 를 통해 발견된 지식은 사후 비파괴 분석기술이나 실시간 공정진단 기술로 구현되고 있으며 통계적 공정관리 기술 과 인공지능 기술을 접목한 예측기술이 도입[6]되고 있다. 이를 통해서, 기술과 관련한 불확실성이 지속적으로 완화 되고 있다. 아울러, 실제 생산조건 혹은 생산조건을 모사 한 환경에서 생산성과 경제성 분석은 생산계획 수립과 가 격예측이 가능하도록 하고 생산의 율속인자와 가격인자를 완화하는 기술개발을 촉진한다. 그럼에도 장비제조사의 시장분석 자료와 연구논문의 출판현황과 비교하는 경우 적층제조기술의 산업도입[7]이 전반적으로 지체되고 있다 고 판단할 수 있다. 이러한 산업도입 지연에 있어 품질, 품 질평가, 품질체계 및 규제에 대한 불확실성이 핵심 인자로 판단된다. 동일한 기술을 두고 기술 공급자와 기술 수요자 는 상이한 가치판단의 기준과 태도를 가지고 있다. 단적으 로, 작업 절차서에 규정된 작업조건을 따라 수행된 작업이 불량을 발생한 경우, 공급자는 적극적 작업수정을 통해서 불량률을 낮추는 활동에 긍정적인 평가를 하는 반면, 수요 자는 이러한 조직에 대해 품질 제어와 관리체계에 신뢰성 이 없다는 평가를 내리게 된다. 이러한 관점에서 기술개선 과 신뢰성간의 간극을 줄이고 분명한 의사소통을 위한 합 의의 틀로써 표준을 활용한다.

    1.3 적층제조기술 표준화 필요성

    품질은 ISO 9000[8]에 “The totality of features and characteristics of a product or service that bear on its ability to satisfy stated or implied needs”로 정의되어 있다. 제조 산업 공급망 전주기에 공급자는 물리적 요소를 공급 [9]하거나 무형의 서비스를 공급[10]하게 된다. 공급망을 구성하는 계층화된 수요-공급 환경에서 공급자는 수요자 에 의해서 규격화된 요구사항을 만족하는 능력을 품질로 이해할 수 있으나 품질은 계량하기 어려운 상대적인 개념 [11]이다. 현재의 품질체계는 기본적으로 산업의 누적된 경험을 바탕으로 통계적인 접근방법을 통해서 틀이 형성 되어 왔다. 따라서, 새로운 기술의 경우에는 이러한 맥락 을 가지는 품질체계를 충족하기 쉽지 않다. 실제로, 품질 체계를 구축하기 위해서는 상당한 비용과 시간이 소모 [12]되므로 산업생태계의 집단적인 협력과 지성이 요구된 다. 결론적으로, 품질 표준화는 산업별로 핵심이 되는 요 구사항을 규정하고 요구사항을 충족하는 방법을 합리적인 합의의 틀로써 체계화하는 과정이라는 점에서 혁신 제조 기술의 선제적 표준화는 시장도입 단계에서 제기되는 다 양한 불확실성을 완화할 수 있다. 따라서, 표준화 동향분 석은 연구계와 산업계가 대상기술을 이해하는 사고의 틀 을 이해하는 동시에 기술의 공급자와 수요자가 어떤 관점 에서 품질체계를 구축하여야 하는 지에 대한 가이드라인 을 제공할 수 있다. 궁극적으로는, 적층제조기술의 시장도 입 활성화 측면과 산업생태계 및 사회의 안전망을 확보하 는 측면에서 최적화된 규제체계의 틀을 구축하는 데 있어 기초가 될 수 있다. 표준화의 대상과 범위가 매우 넓어 본 표준화 동향 분석은 가장 활발하게 표준이 이루어지고 있 는 항공/국방 분야를 기준으로 글로벌 품질표준 체계, 표 준화 활동 및 표준의 개요를 제시한다. 그러나, 적층제조 기술이 가지는 횡적 전단능을 고려할 때 이러한 품질체계 는 일반 소비재 산업이나 건축 산업 등까지 포괄적으로 적용 가능한 틀로 이해할 수 있다.

    2. 품질체계

    품질체계는 제조 전 과정에서 요구되는 품질을 제어 (quality control)하고 관리(quality assurance) 하는 틀을 규 정하고 이를 시행하는 절차[8]라고 할 수 있다. 산업에서 의 품질체계는 기본적으로 고객과 공급자간의 합의된 틀 을 기반으로 한다. 그러나 기업마다 품질에 대한 이해도의 차이가 존재하고, 이로 인한 분쟁과 해결법이 모호하거나 개별적 품질체계 구축을 위한 비용과 시간이 소요되어 산 업전반의 품질개선을 억제하거나 산업생태계의 활성화를 저해하는 요인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 품질체계와 관련한 표준이 도입[13]되었고, 산업 일반의 공통적 요구사항, 특정 산업의 필수 요구사항, 품질 평가 를 위한 표준 가이드라인 등이 계층화된 구조로 품질체계 의 구축을 지원하고 있다. 특히, 안전성을 요구하는 제품 이나 산업을 중심으로 규제의 틀과 연동된 품질체계를 규 정하고 표준화된 요구사항과 심사의 과정을 통해서 평가 하는 체계가 구축되고 있다.

    2.1 품질체계 표준화 방법

    ISO 품질체계는 산업 전반에서 품질을 높일 수 있는 공 통적인 품질기준을 요구사항으로 제시하고 있어 가장 범 용적인 품질체계의 틀이 될 수 있다. 인증을 추진하는 기 업은 사업범위 내에서 발생하는 활동이 제어되고 관리되 고 있다는 것을 규격화된 절차에 따라서 문서화하고 증명 될 수 있는 체계를 증명해야 한다. 기본적으로 품질체계를 규정하는 7대 기본 원리(quality management principles) 중 프로세스 중심 접근방법과 증거기반 의사결정은 불확 실성이 높은 개발과정의 기술에 중요한 동시에 어려움을 부가하게 된다. 실제로, 도입기 기술의 연구는 동적특성을 가지는 공급망 전반의 맥락적 상황을 충분히 반영하지 못 하므로 많은 가정을 통해서 환경을 통제하거나 협소한 범 위 문제를 다루게 되므로 프로세스를 규정하는 것과 프로 세스 간 상호작용을 규정하기 어렵다. 마찬가지로, 복합적 정보를 토대로 의사결정을 수행하기 위해서 일반적인 지 식 보다는 실제 데이터를 통해서 검증하는 과정이 필요하 나 산업 전반적으로 품질체계를 규정할 만큼의 충분한 데 이터와 지식이 창출되지 못하고 공유되지 못하고 있다. ISO 9001 품질체계[14]는 소위 데밍 싸이클(Deming cycle) 로 알려진 PDCA 틀로 구성된다. 10개 절로 구성된 요구 사항은 각각 계획(Plan), 수행(Do), 검증(Check), 개선 (Action)과 관련한 세부사항을 요구한다. 기업의 여러 사 업관련 활동 중 생산 프로세스와 관련해서는 프로세스의 규정된 범위 내에서 절차, 자원, 공정, 모니터링, 평가, 개 선 등의 활동을 구체적으로 규정하도록 요구한다. 특히, 가장 최근에 개정된 품질 요구사항에는 리스크 관리에 대 한 요구사항이 강화되었다. 생산 프로세스에서 HAZOP, FTA, FMECA, 4M, 5-Whys 등의 방법을 활용하여 품질에 영향을 줄 수 있는 인자를 탐색, 분석, 평가하고 규정된 리 스크 인자를 모니터링하고 제어할 수 있는 방안을 요구한 다. 적층제조 기술과 관련해서는 변수가 많고 변수간의 상 관관계가 아직 명확하지 않아 리스크 관리가 어려운 문제 점이 있다. 특히 항공분야에서는 AS 9100D[15]품질 요구 사항이 기준이 되며, 이는 ISO 9001을 틀로 항공분야에서 요구되는 사항을 포함하는 변형된 틀이라 할 수 있다. 실 제로, 항공분야에서는 파트의 전 주기 정보를 사후에도 추 적 관리할 수 있도록 기록문서의 관리를 요구한다.

    2.2 품질체계 인증

    품질체계의 인증과 관련해서 기업은 품질 요구사항에 맞게 문서화된 품질매뉴얼을 준비하고 이에 따라서 실제 활동이 관리되고 있다는 것을 입증하는 자료와 함께 심사 받게 된다. 산업적으로 오랜 기간 동안 잘 정립된 기술의 경우에는 제조 공정과정에 대한 절차, 리스크, 주요변수와 작업관리 및 인력의 교육/관리, 장비의 보수/유지/정비 관 련한 가이드라인이 충분하고 산업 생태계 내 지원체계가 잘 구성되어 있다. 반면에, 적층제조기술의 경우에는 아직 많은 문제점이 있다. 실례로, 항공부문에서는 공급망에 참 여하기 위해서 ISO 9001, NADCAP 인증을 허용하는 경우 가 있으나 실질적으로 AS 9100D를 필수적으로 요구한다.

    2.3 품질체계 특성화

    ISO 9001이 산업전반의 공통적 품질체계의 상위 개념이 라면 각 산업은 산업별 특성에 따라서 특화된 품질체계를 구성하게 된다. 의료 디바이스 분야에서는 식약청을 중심 으로 품질의 표준이 구축되어 있고, 반도체 분야에서는 SEMI 표준이 반도체 분야 공급망의 특화된 품질체계의 표준 가이드라인을 제공하고 있다. 항공/국방 분야 산업생 태계에서는 AS 9100D과 함께 개별 공급망을 통해 공통적 으로 적용되는 특수공정을 규정하고 공급망별 별도의 품 질심사의 비용을 절감하기 위해서 공통의 품질관리체계를 적용한 NADCAP 심사 제도를 운용하고 있다. NADCAP 의 특수공정 인증범위는 AS 9100D 인증이나 AC 7004[16]를 기본으로 AC 7108, AC 7109, AC 7102, AC 7101, AC 7116, AC 7117, AC7 114, AC 7110, AC 7118, AC 7126, AC 7130 등을 대상으로 하고 있다. 적층제조기 술의 품질심사를 적용한 사례로, AC 7110/14로 레이저 및 전자빔을 이용한 분말베드 용융적층제조의 심사 요구사항 이 규격화 되었다. AC7110 용접 기본 심사의 승인을 함께 받은 상태를 전제로 AC7110/14[17]규격을 인증받기 위해 서는 크게 소재, 장비/장치, 공정관리, 작업, 검사와 적합 성 기준, 장비/장치의 검보정을 심사대상으로 한다. 컴퓨 터 기반 공정의 특성상 디지털 정보 처리와 관련한 S/W 관리, 파일관리, 보안 등에 대한 기록화 된 관리절차와 입 증을 요구하고 있어 일반 제조 기업이 이를 충족하는 체 계를 구축하는 것이 용이하지 않다. 이러한 품질심사의 요 구사항과 기업의 디지털 품질체계 기반의 간극을 극복하 는 테스팅 가능한 MES S/W가 개발[18]되어 상용화 되고 있다. 항공용 파트를 적층제조 하여 납품하는 사업범위에 서는 통상 전용소재를 구매하여 최종 파트를 공급하는 것 을 목표로 한다. 그러나, 실제로 최종 제품화는 적층제조 이외에도 열처리, 기계가공, 표면처리, 파괴검사와 비파괴 검사의 공정과정을 필요로 하고 이 경우 복수의 NADCAP 을 인증 받고 유지할 필요가 있어 품질체계 비용이 시장 진입의 장벽이 될 수 있다. 따라서, 제조공정 과정의 요소 기술을 보유한 전문 인증기업간의 협업구조가 용이하게 형성될 수 있는 산업 생태계가 적층제조 기술의 산업 활 성화에 필수적이다. 또는, 후속 공정을 생략할 수 있는 완 결성이 높은 적층제조 기술의 개발이 품질체계에 기인한 장벽을 완화할 수 있다.

    2.4 품질체계

    NADCAP 특수공정 승인은 고객의 요구사항과 품질 신 뢰성을 만족하면서 수행될 수 있는가에 대한 심사과정이 강조되며, AMS 표준이 심사항목의 선정에 있어 체크리스 트를 선정하는 기준이 된다. 적층제조기술의 품질 요구사 항의 구축 역시 항공우주국방 분야에서 상대적으로 빠르 게 표준화가 전개되고 있다. 실제로, AMS 7XXX 계열에 서 파트, 소재, 소재생산, 적층제조기술을 대상으로 품질 제어와 품질관리 측면에서 규정되고 있다. 현재는 레이저 를 이용한 분말베드 용융적층제조 기술을 중심으로 규격 이 발행되어 있으나 압출적층제조, 바인더 젯팅 적층제조, 직접 에너지 적층제조 등 다양한 기술영역에서 표준이 정 립되고 있거나 발행과정에 있다. 적층제조기술과 관련한 AMS 표준의 구조는 적층제조 기술의 특성을 고려한 품질 제어와 관리측면에서 분말소재, 분말소재 제조공정, 적층 제조 및 AM 파트에 대한 새로운 표준화와 기존의 정립된 열처리, 가공 및 파괴/비파괴 검사가 파트 제조의 전 주기 에서 규격화된 통제를 받게 된다. AMS 규격의 적용 여부 는 파트의 안전도(criticality)에 따라서 수요자와 공급자간 의 협의로 결정된다. [그림 2] 에는 레이저 분말베드 용융 적층제조기술을 이용하여 Ti-6Al-4V Gr.5 파트를 생산하 는 경우에 적용 가능한 AMS 규격을 표준화된 제조경로 에 따라서 탐색한 결과를 나타낸다. 소재의 불순물 함량과 화학조성을 포함한 규격을 AMS 2380G[19]에서 확인할 수 있다. 분말에 대한 규격은 AMS4998E[20]가 확인되나 적층제조기술에 특화하여 표준화된 AMS7001, 7006, 7008과 같은 Ni 합금에 대한 규격과 차이를 나타낸다. 따 라서, 별도로 분말에 대한 규격이 제시되지 않는 경우에는 Ni 합금분말과 같이 새롭게 발견된 표준에 준하여 자체 품질관리 체계를 구축하는 것이 바람직하다. 분말 제조기 술은 AMS7002[21]에 가스 아토마이제이션 공법을 적용 하여 제조하는 과정의 용어의 정의와 관리 요구사항이 규 격화되어 있고, 타 공법으로 제조하는 경우에도 이에 준한 분말 제조공법을 자체 규격화하는 것이 바람직하다. AMS7003[22]은 레이저 PBF AM기술을 구체적 범위로 규정하고 있지만 협의의 적층제조기술 범위에서 적층제조 기술에 대한 품질 요구사항이 어떠한 틀로 구성되어 있는 지를 이해할 수 있다. 소재, 장비, 공정, 작업자 및 품질체 계, 승인 및 재승인에 대한 요구사항이 표준으로 제시되고 있다. 품질체계는 품질관리서류(PCD)화 되고 전문기관 (Cognizant engineering organization)을 통해서 승인되도록 요구되고 있다. 주요한 품질관리 대상에서 분말의 경우에 특히 재활용 과정에 대한 전문기관 승인이 필요하다. [그 림 3]의 과정이 재활용과 재활용분말에 대한 승인의 절차 가 될 수 있다. 디지털 정보처리의 과정이 절차화 되고 S/ W의 배치와 S/W의 testability를 입증할 수 있어야 한다. 품질에 영향을 줄 수 있는 작업공정 변수를 규정(Keyprocess variables)하고 Appendix에 예시적으로 제시된 항 목과 방법으로 문서화한 후 통계적 공정관리 방안과 함께 승인되어야 한다. 다만, 핵심 공정변수의 경우에는 기업의 기술전략이므로 암호화된 상태로 소통될 수 있다. 또한, 의도된 혹은 의도되지 않은 작업의 중단에 대해서도 작업 의 재개가 품질에 영향을 주지 않는다는 것을 입증하고 재작업의 과정을 절차화 하는 과정을 요구한다. 장비는 검 보정에 대한 방법과 정비 방안을 포함한 품질관리 체계를 요구한다. 작업자의 관리 역시 교육과 시험을 통한 능숙함 을 평가하고 권한을 위임하는 일반적인 요구사항을 제시 하고 있다. AMS7003의 요구사항의 적용은 품질체계에 있 어 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대되나 상당한 시간 과 비용이 소모될 것이 예상된다. 더욱이, 공급기업 측면 에서 AMS7003 적용의 매우 어려운 문제점은 PCD를 통 해서 승인된 사항 에서 변경이 발생하는 경우에는 변경 내용에 따라 재승인의 과정을 거친다는 점이다. 장비의 위 치 이동, 분말 공급사의 변경, 장비 주요부품의 보수 등 기 업 활동에서 발생할 수 있는 조건이 품질체계의 재승인을 요구한다. 예시적으로, AM 파트 공급자가 분말 구매가격 을 낮추기 위해 공급자를 변경할 때 기대 이익을 계산할 때 단가 이외에 분말 변경에 따른 품질 재승인 비용을 고 려해야 한다. 또한, A 분말을 이용하던 장비를 B 분말을 이용한 파트 생산으로 변경하려는 경우 변경과정이 절차 화되고 변경과정을 수행한 결과가 교차 오염의 문제가 없 다는 것을 입증하고 승인 받아야 한다. 이는 PBF AM의 소재 선택성이 가용가능한 분말의 공급 외에도 실질적으 로 표준에 의해서 제약받게 된다는 것을 의미한다. 적층제 조 후 열처리와 관련해서는 AMS 81200[23]과 AMS2801 [24]의 규격이 확인된다. 최종적으로 요구되는 물성에 맞 게 열처리의 경로를 선택하고 열처리 공정의 품질관리 체 계에 대한 기준 그리고 열처리 장비의 성능검증, 검보정 절차를 문서화한 형태의 품질 매뉴얼로 구축하고 프로세 스 과정을 기록문서로 관리하는 것을 요구하고 있다. 문제 는 AM을 통해서 발생하는 결과물을 중간재로 간주할 것 인가? 파트로 규정할 것인가에 따라서 규격의 선택이 달 라질 수 있다는 점이다. 잔류응력제거 열처리, 용체화 열 처리 및 HIP 처리된 상태의 파트의 AMS 표준 규격은 Tii-6Al-4V에 대해서 확인되지 않으나 AMS7000에 Ni 합 금에 대한 표준이 발행되어 있다. 가공과 관련해서는 NADCAP의 심사 체크 리스트에 따라서 품질체계를 구성 하는 것이 효율적이다.

    2.5 품질평가 가이드라인

    지금까지 품질체계와 관련한 요구사항에 대한 표준을 살펴보았다. 그러나, 요구사항과 기업의 품질 매뉴얼 사이 의 간극이 존재한다. 다시 말해서, 기업이 품질 요구사항 을 어떻게 이해하고 규정하며, 어떤 기준에 의해서 어떻게 만족하는 실행 매뉴얼을 구축할 것인가를 요구사항에서는 상세히 제시하지 못한다. 이러한 간극을 완화하기 위해서 ISO/ASTM에서 품질평가와 관련한 가이드라인, 규격을 표준화하고 있다.

    적층제조기술과 관련한 평가표준은 품질체계의 표준 요 구사항을 고려하여 기존의 표준 중 적층제조기술과 정합 성이 높은 표준을 연동하는 활동과 적층제조기술의 특성 을 고려하여 새로운 표준을 규정하는 활동으로 구분할 수 있다. 예를 들어, 분말을 이용하는 적층제조기술의 경우 분말의 입도에 대한 규정이 품질체계에서 요구되고 있고, [표 1]에 제시된 표준이 각 적층제조기술에서 사용되는 분 말의 입도에 따라서 적용 가능한 표준평가 규격이다. 반면 에, ISO/ASTM DIS 52900[31]규격에서 정의된 분말의 spreadability의 경우 새로운 평가규격(ASTM WK71393)이 표준화 과정에 있다.

    2.6 AM기술 특화 평가표준

    본 평가표준에서는 AM 기술에 특화된 새로운 평가표준 중 공통적으로 주요한 표준을 대상으로 소개한다. 적층제 조 과정에서는 CAD 파일을 변환하고 작업 공정조건을 도 출한 후 g-code를 출력하는 과정을 거친다. 이 과정에서 ISO/ASTM 52915[32]는 변환 파일의 파일형식으로 AMF (additive manufacturing file format)를 표준으로 제시하고 있다. ISO/ASTM 52921[33]은 적층제조의 작업 공간 (build volume)에 대한 3차원 좌표계와 파트 위치와 방향 을 표기하는 방법에 대한 표준을 제시하고 있다. 이는 작 업별 파트의 배치와 관련하여 추적 가능성을 높이는 방법 을 제시한다. 적층제조 공정의 특성에 따라서 part 디자인 과 관련한 배치의 가이드라인이 달라질 수 있다. 레이저 PBF AM의 경우는 ISO/ASTM 52911[34]에 경험적인 디 자인과 파트 배치전략의 가이드라인이 제시되었다. 적층 제조 파트의 형상특성은 ISO 14638[35]을 기반으로 정밀 도를 평가한다. 요구사항에 명기된 평가항목에 따라 대응 되는 평가표준을 배치하고 절차화 하는 과정이 필요하다. 3차원 형상과 관련하여 CMM(coordinated measurement machine)을 이용한 접촉식 평가가 일반적으로 기준이 되 고 ISO/TS 15530-1[36], ISO 15530-3[37], ISO/TS15530-4 [38]에 각각 개요, 표준샘플과 측정표준, 그리고 측정 불확 도 평가의 표준이 제시되어 있다. 건축물 같은 대형의 파 트의 경우 장비적 제약성에서 CMM을 적용하기 어렵다. 이 경우에는 ISO 17123[39]시리즈로 대형 레이저 스캐닝 의 평가 표준이 규격으로 제시되고 있다. 표면의 질감 (texture)는 ASME Y14.36[40]의 기호체계를 이용한 평가 규정과 ASME B46.1[41]의 평가 표준규격에 따라서 분석 한다. 표면 텍스처의 경우 roughness, waviness, lay로 구분 하여 평가하나 연구논문[42]을 조사하면 구분이 없이 roughness로 표현하고 있다. 파트의 기계적 특성의 경우에 는 소재의 화학조성, 적층제조, 열처리, 적층방향에 따라 표준 특성평가 방법에 따른 기준 물성값이 ASTM F2924, F3001, F3055, F3056 등의 규격에 가이드라인으로 제공되 고 있다. 기타 후공정, 파괴검사, 비파괴 검사등은 기존의 ISO 혹은 ASTM 규격을 찾아서 확인하고 적용성 분석이 후 절차화 하는 것을 권유한다. 후 공정의 경우 공정절차 에 대한 표준 이외에도 투입되는 소재, 센서, 그리고 장비 등에 대한 규격과 검보정 등에 대한 평가 표준이 존재하 므로 이를 토대로 품질체계를 구축해야 한다.

    2.7 표준화

    이상에서 적층제조 기술과 관련한 글로벌 표준 동향을 계층화된 구조에서 살펴보았다. 표준화를 통해서 적층제 조기술의 산업도입과 관련한 이해당사자의 품질 불확실성 이슈가 상당히 완화될 수 있음을 확인할 수 있다. 반면에, 이러한 표준화 동향은 적층제조기술의 특수성에 대한 고 려가 부족해서 공급기업이 구축해야할 품질체계의 범위가 확대되는 문제를 야기한다. 실례로, [그림 4]는 적층제조 신규 시장 진입자가 경험하게 될 품질체계의 복잡성에 대 한 예시를 나타낸다. 전술한 적층제조 프로세스의 품질체 계 구축 이외에도 적층제조를 통해 제품을 생산 공급하는 경우 이산된 제조과정 중 중간제품이나 최종 불출 전 비 파괴 검사를 수행하게 된다. [그림 4]에는 표면의 결함을 검사하는 PT 프로세스를 품질체계에 맞춰 표준화된 절차 화 하고 관련한 표준규격을 예시적으로 나타냈다. 항공부 품 등 안전부품으로 적용되는 경우 AS 9100D, 비파괴 검 사 NADCAP 특수공정 승인, 검사에 사용되는 소재와 장 비 및 검사절차에 대한 ISO, ASTM 표준, 그리고 비파괴 검사 수행자에 대한 관리체계(예, NAS 410) 등을 기업은 충 족해야 한다. 또한, AMS 7003 표준의 인증과 재승인에 대 한 요구사항은 후발시장 진입자의 시장장벽요소가 되어 시 장의 활성화를 억제할 수 있는 표준의 역설이 될 수 있다.

    3. 맺음말

    기술의 공급자 관점에서 적층제조기술의 기회요인이 강 조되는 반면에 기술의 산업도입은 산업의 실용적 관점에 서 기술을 재평가하는 과정을 거친다. 품질, 경제성, 생산 성 측면에서의 불확실성을 확인하고 평가하는 과정을 통 해 기술을 선택하게 된다. 선택된 기술이 최종적으로 공급 망에 참여하기 위해서는 품질체계를 입증해야하는 과정을 거친다. 품질체계의 구축 과정에서 모호성, 비용과 시간을 최소화하기 위해서 표준화가 적용된다. 표준화는 품질체 계, 요구사항, 평가방법의 계층화된 틀에서 각 품질제어와 품질관리에 있어 핵심적인 인자를 규정하고 품질 신뢰성 을 확보하기 위한 요구사항을 규격화한 후 요구사항에 대 한 입증방법을 규격화하는 일종의 대화형 방식으로 전개 된다. 표준화의 과정을 통해서 수요자는 공급망의 품질에 대한 신뢰성을 평가할 수 있고, 사회적으로 품질과 관련한 불확실성을 완화하는 순기능이 구현된다. 반면에, 표준화 는 제조기업에 있어 품질체계 구축의 복잡성과 비용을 초 래할 수 있고 이는 산업의 활성화 측면에서는 역작용으로 볼 수 있다. 결론적으로, 적층제조기술의 산업도입을 촉진 하기 위해서는 산업생태계가 협업적인 상호작용이 필요하 다. 글로벌 표준의 표준화 동향을 통해서 시장 참여자는 고객의 품질체계를 고려한 시장전략을 수립하고 수행하는 것이 결론적으로 시장 참여자의 향후 시장 확대의 강점이 될 수 있다. 분말의 재이용과 관련하여 핵심적인 분말특성 인자를 규정하고 추적 가능한 표준평가방법을 제시하는 분말 공급자, testability를 제공하는 S/W 공급자, 후속공정 을 생략하고 장비의 건전성 평가 및 검보정 장치와 방법 을 제공하는 장비 공급자, AM 파트의 물성 불확실성을 제거하는 후열처리 서비스 공급자, 자격 요건을 갖춘 비파 괴 검사 서비스 공급자 등의 시장참여가 적층제조 산업생 태계를 활성화할 수 있을 것이다. 연구계와 학계에서는 새 로운 혁신기술의 연구개발시 품질체계를 고려한 개발전략 이 필요하다. 혼합 분말을 이용한 복합소재 적층제조 기술 은 소재와 디자인의 결합을 통해 새로운 성능을 창출할 수 있지만 적층과정에서의 분포 균질성이나 재활용 과정 에서의 신뢰성이라는 품질관리를 충족하지 못하는 경우 산업화를 통한 새로운 가치를 창출하기 어렵다. 마지막으 로, 현재까지 진행되고 있는 표준화는 기존의 대량생산 시 스템의 틀에서 산업별로 개별적 표준이 이루어지고 있다. 이러한 맥락은 여전히 공급망에 참여하고 있거나 참여하 고자 하는 기업이 각 산업에서 규정된 품질체계 요구사항 을 충족하도록 품질체계를 구축하고 승인받는 과정을 요 구한다. 그러나, 향후 대량 맞춤형 분산제조 공급시장에서 는 산업간 경계가 모호해지면서 공급망 참여자는 다수 산 업의 품질체계를 동시에 충족해야하는 상황에 놓일 수 있 다. 실제로, 적층제조기술은 전술한 바와 같이 횡적 전단 능 측면이 강조되고 있으나 각 산업별로 특화된 품질체계 를 만족하는 것은 어렵다. 따라서, 적층제조기술 자체를 대상으로 정확하면서도 단순화된 산업 공통의 표준체계를 구축하는 것이 필요하다는 점을 강조한다.

    감사의 글

    본 리뷰논문은 도시건축사업 ‘소형 건축물 및 비정형 부 재 대상 3D 프린팅 설계, 재료 및 장비 개발과제’ 국토교 통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음 (20AUDP-B121595-05)

    Figure

    KPMI-27-5-420_F1.gif
    Cross-cutting ability of additive manufacturing.
    KPMI-27-5-420_F2.gif
    AMS standards allocation in the course of Ti-6Al-4V AM part fabrication for laser powder bed fusion AM.
    KPMI-27-5-420_F3.gif
    A possible procedure for certification of powder recycling and recycled powder reuse.
    KPMI-27-5-420_F4.gif
    Penetrant test for AM parts as an example of non-destructive inspection standards.

    Table

    Feedstock material characterization standards (powder size measurement as an example)

    Reference

    1. J. Park, K. Kim and H. Choi: J. Korean Powder Metall. Inst., 26 (2019) 528.
    2. https://amfg.ai/2019/12/20/amfg-our-year-in-review-2019/
    3. https://amfg.ai/press/amfg-publishes-its-second-annualadditive-manufacturing-landscape-2020/
    4. J. W. Oh. H. Na and H Choi: J. Korean Powder Metall. Inst., 24 (2017) 494.
    5. https://amfg.ai/2018/08/15/3d-printing-and-robotics-create-smart-factories/
    6. J. Lee H. Davari, J. Singh and V. Pandhare: Manufacturign Lett., 18 (2018) 20.
    7. M. Attaran: Business Horizons, 60 (2017) 677.
    8. ISO 9000, Family - Quality Management.
    9. M. Ulieru and M. Cobzaru: IEEE Transactions on Industrial Informatics., 1 (2005) 18.
    10. H. Panetto, B. Lung, D. Ivanov, G. Weichhart and W. Xiaofan: Annu. Rev. Control, 47 (2019) 200.
    11. B. B. Flynn, R. G. Schroeder and S. Sakakibara: J. Operations Management, 11 (1994) 339.
    12. B. A. Spencer: The Academy of Manage. Rev., 19 (1994) 446.
    13. S. Yahya and W. K. Goh: Int. J. Qual. Reliab. Manager., (2001).
    14. ISO 9001: Quality Management Systems, (2015).
    15. AS 9100D, Quality Management Systems – Requirements for Aviation, Space and Defense Organizations, (2016).
    16. AC 7004, Aerospace Quality System.
    17. AC 7110/14, Nadcap Audit Criteria for Laser and Electron Beam Metallic Powder Bed Additive Manufacturing.
    18. F. A. Lobo: J. Innovation Manger., 3 (2015) 16.
    19. AMS2380G: Approval and Control of Premium-Quality Titanium Alloys, (2017).
    20. AMS4998E, Titanium Alloy Powder 6Al – 4V, (2017).
    21. AMS7002: Process Requirements for Production of Metal Powder Feedstock for Use in Additive Manufacturing of Aerospace Parts, (2018).
    22. AMS7003: Laser Powder Bed Fusion Process, (2018).
    23. AMS81200: Heat Treatment of Titanium and Titanium Alloys, (2001).
    24. AMS2801: Heat Treatment Of Titanium Alloy Parts, (1990).
    25. ASTM B214–16: Standard Test Method for Sieve Analysis of Metal Powders, (2016).
    26. ASTM E11-20: Standard Specification for Woven Wire Test Sieve Cloth and Test Sieves, (2020).
    27. ASTM B822-17: Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering, (2017).
    28. ASTM B761-17: Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by X-Ray Monitoring of Gravity Sedimentation, (2017).
    29. ASTM E1617-09: Standard Practice for Reporting Particle Size Characterization Data, (2009).
    30. ASTM B330-02: Standard Test Method for Fisher Number of Metal Powders and Related Compounds, (2002).
    31. ISO/ASTM DIS 53900: Additive Manufacturing – General principles - Fundamentals and Vocabulary, (2018).
    32. ISO/ASTM52915–20: Specification for Additive Manufacturing File Format, (2016).
    33. ISO/ASTM52921–13: Standard Terminology for Additive Manufacturing-Coordinate Systems and Test Methodologies, (2019).
    34. ISO/ASTM 52911-1: Additive Manufacturing - Design - Part 1: Laser-Based Powder Bed Fusion of Metals, (2019)
    35. ISO 14638: Geometrical Product Specifications (GPS) - Matrix Model, (2015)
    36. ISO/TS 15530-1: Geometrical Product specifications (GPS) - Coordinate Measuring Machines (CMM): Technique for Edtermining the Uncertainty of Measurement - Part 1: Overview and Metrological Characteristics, (2013).
    37. ISO 15530-3: Geometrical Product Specifications (GPS) - Coordinate Measuring Machines (CMM): Technique for Determining the Uncertainty of Measurement - Part 3: Use of Calibrated Workpieces or Measurement Standards, (2011).
    38. ISO/TS 15530-4: Geometrical Product Specifications (GPS) - Coordinate Measuring Machines (CMM): Technique for Determining the Uncertainty of Measurement - Part 4: Evaluating Task-Specific Measurement Uncertainty Using Simulation, (2008).
    39. ISO 17123-5: Optics and Optical Instruments - Field Procedures for Testing Geodetic and Surveying Instruments - Part 5: Total Stations, (2018)
    40. ASME Y14.36: Surface Texture Symbols, (2018).
    41. ASME B46.1: Surface Texture (Surface Roughness, Waviness, and Lay), (2019)
    42. J. Raja, B. Muralikrishnan and S. Fu: Precis. Eng., 26 (2002) 222.