[인터뷰] 삼영기계, 주조에 '3D프린팅'…다품종 소량 생산 시대 해법

샌드 3D프린팅 기반 주조 공정 혁신…다품종 소량 생산 구조 대응

3~6개월 걸리던 금형 몰드 제작, 3D프린팅은 ‘하루’ 수준 대폭 단축

일체형 몰드 제작으로 조립 공정 단축…현장 수작업 최대 70% 감소

방산 분야 특수목적 엔진 부품 국산화 참여…핵심 부품 개발 확대

“뿌리 산업의 경쟁력은 디지털 전환”…주조 산업 미래 해법 제시

삼영기계 전경.

주조 기반 엔진 부품 전문 기업 삼영기계가 샌드(Sand) 3D프린팅 기술을 활용한 공정 혁신을 통해 제조 경쟁력 강화에 나선다. 인력난과 생산성 등 국내 주조 산업이 직면한 구조적 한계를 현장의 디지털 전환으로 극복하겠다는 전략이다.

본지는 최근 한국현 삼영기계 사장과 인터뷰를 통해 주조 산업의 현실과 미래를 살피고, 회사의 중장기 비전을 들을 수 있었다. 한 사장은 2013년 삼성전자에서 삼영기계로 자리를 옮긴 뒤 공정 혁신과 기술 고도화를 이끌고 있다.

1975년 설립된 삼영기계는 선박·철도·발전용 엔진의 핵심 부품인 피스톤, 실린더 블록, 실린더 헤드, 엔진 블록 등을 생산하는 주조 전문 기업이다. 충남 공주 본사와 논산 주조공장을 중심으로 연구개발 인력과 생산 인력을 포함해 약 200명의 임직원이 근무하고 있다.

삼영기계의 가장 큰 특징은 설계부터 소재 개발, 주조, 가공까지 전 공정을 자체 수행하는 수직 통합형 제조 구조다. CAD·CAM·CAE 기반 설계 기술과 구조 해석, 피로 해석, 연소 해석, 비틀림 진동 해석 등 다양한 엔진 설계 기술을 자체적으로 보유하고 있으며, 주조 공정에서도 합금 설계와 소재 개발을 병행하고 있다.

삼영기계에서 생산한 중속엔진 부품(피스톤, 실린더헤드, 실린더라이너, 엔진블록 등)

대표적인 자체 개발 소재로는 GT Metal과 SDI(Samyoung Ductile Cast Iron)가 있다. 해당 소재들은 높은 강도와 내구성을 확보해 고부하 환경에서 사용되는 엔진 부품의 경쟁력을 높이고 있다.

삼영기계는 이 같은 기술력을 바탕으로 현재 독일, 덴마크, 미국, 일본 등 주요 선진 시장을 중심으로 17개국 이상에 제품을 공급하고 있으며 전체 매출의 약 60%가 수출에서 발생하고 있다.

특히 삼영기계는 샌드 3D프린팅 디지털 주조 공정 적용을 확대하고 있어 주목된다.

일반적으로 알려진 3D프린팅은 금속 분말을 활용해 최종 제품을 직접 출력하는 방식이지만, 삼영기계가 적용하고 있는 기술은 주조 공정에 사용되는 모래 거푸집(몰드)을 샌드 3D프린팅으로 제작하는 ‘간접 3D프린팅’ 방식이다.

장비가 모래층 위에 바인더를 분사해 한 층씩 적층해 몰드를 형성한 뒤 여기에 쇳물을 부어 주조 제품을 생산하는 게 골자다. 이는 기존 주조 공정의 장점과 3D프린팅 기술의 설계 자유도를 동시에 활용할 수 있는 방식이다.

한국현 사장은 “주조 산업은 제품 종류가 많고 설계 변경이 잦은 다품종 소량 생산 구조인 경우가 많다”며 “3D프린팅 기술은 이러한 생산 구조에 매우 적합한 공정”이라고 설명했다.

삼영기계가 개발한 샌드3D프린터 라인업

특히 샌드 3D프린팅 기술은 제품 개발 기간을 크게 단축할 수 있다는 점에서 산업 현장의 관심을 받고 있다.

기존 주조 공정에서는 제품 생산에 앞서 목금형을 제작해야 하는데, 금형 제작에만 최소 3개월에서 길게는 6개월까지 시간이 필요했다. 그러나 3D프린팅 공정에서는 3D 설계 데이터만 있으면 하루 만에 몰드를 출력할 수 있어 개발 속도를 획기적으로 단축할 수 있다.

한 사장은 “기존에는 금형 제작과 수정 과정에서 상당한 시간과 비용이 소요됐다”며 “3D프린팅을 활용하면 설계 데이터를 기반으로 바로 몰드를 제작할 수 있기 때문에 제품 개발 속도와 시장 대응 속도를 크게 높일 수 있다”고 말했다.

금형 제작이 필요 없다는 점도 중요한 대목이다. 실제로 많은 주조 업체들이 수백~수천 종의 금형을 보관해야 해 비용과 보관 부담을 안고 있다. 반면, 3D프린팅 공정에서는 물리적인 금형이 필요없어 공간 활용도와 생산 유연성을 높일 수 있다.

생산 공정도 개선된다. 엔진 부품은 하나의 제품을 만들기 위해 수십 개의 중자(코어)를 조립해야 하는 경우가 많은데, 3D프린팅 기술을 활용하면 이를 일체형으로 제작할 수 있다.

한국현 사장은 “조립 공정과 그라인딩이 줄어들수록 작업 공정이 단순해지고 현장 수작업도 크게 줄어든다”며 “실제로 일부 제품에서는 수작업 시간이 70% 이상 감소하는 효과를 확인했다”고 설명했다.

이 같은 기술은 특히 다품종 소량 생산 구조를 가진 엔진 부품 산업에 적합하다.

엔진 부품 산업은 제품 종류가 많고 설계 변경이 잦기 때문에 금형 제작 비용과 시간이 생산성에 큰 영향을 미친다. 반면 3D프린팅 공정은 한 프린팅 공간에서 서로 다른 여러 종류의 몰드를 동시에 제작할 수 있어 생산 유연성을 크게 높일 수 있다.

또 최근 엔진 산업이 연비 향상과 탄소 배출 저감을 위해 경량화와 고효율 설계가 중요해지고 있다는 점도 해당 기술의 필요성을 더해준다. 3D프린팅으로 몰드를 제작하면 기존 방식으로는 구현하기 어려운 복잡한 형상을 구현할 수 있기 때문이다.

실제로 삼영기계가 설계 최적화를 통해 제작한 3D프린팅 몰드 기반 피스톤 제품이 동일한 연료 조건에서 기존 제품 대비 약 5% 수준의 엔진 출력 개선를 보였다.

샌드 3D프린터 출력물 사례.

최근에는 방산 분야에서도 기술 적용이 확대되고 있다.

삼영기계는 방산 분야 특수목적 엔진 부품 국산화 프로젝트에 참여해 3D프린팅 기반 주조 기술을 활용한 엔진 블록과 실린더 헤드 개발을 진행했다. 기존에는 해외 엔진을 사용했지만 해당 부품이 단종되면서 국산화 필요성이 제기된 것이다.

이와 함께 신규 엔진 부품 개발과 장비 국산화도 추진하고 있다. 특히 3D장비의 경우 초기에는 독일 장비를 도입했지만 높은 가격 부담과 외산 장비의 고질적인 A/S 문제, 양산 적용 한계 등으로 자체적인 장비 개발에 착수했다.

현재 소형과 중대형 샌드 3D프린터 개발 및 출시를 완료했으며 올해 상반기에는 가로 2.2m 규모(2200×1000×700㎜)의 초대형 모델 출시도 계획하고 있다. 국산 장비는 가격 측면에서 독일 장비 대비 40% 이상의 원가 절감 효과를 제공하며 유지비 역시 절반 정도로 낮출 수 있어 경제성 측면에서도 경쟁력이 높다는 평가다.

한국현 사장은 “주조 산업은 인력난과 환경 규제, 탄소중립 대응 등 여러 과제에 직면해 있다”며 “샌드 3D프린팅 같은 공정 기술을 활용한 제조업의 디지털 전환이 앞으로 산업 경쟁력을 좌우할 것”이라고 강조했다.

이어 “뿌리 산업은 제조업의 기반”이라며 “샌드 3D프린팅 기반 공정 기술을 활용해 주조 산업의 디지털 전환을 선도하는 한편, 궁극적으로는 100년 기업을 목표로 지속 가능한 제조 기술을 발전시킬 것”이라고 덧붙였다.

다음은 한국현 사장의 인터뷰 전문이다.

한국현 삼영기계 사장.

Q. 삼영기계에 대해 소개해주신다면.

삼영기계는 1975년에 설립된 주조 기반 엔진 부품 전문 기업으로 올해 창립 51년을 맞았습니다. 주요 생산 품목은 선박·철도·발전용 엔진 핵심 부품인 피스톤, 실린더 헤드, 엔진 블록 등입니다.

현재 본사는 충남 공주에, 주조공장은 논산에 위치해 있으며 연구개발 인력과 생산 인력을 포함해 약 200명의 임직원이 근무하고 있습니다. 설계부터 소재 개발, 주조, 가공까지 전 공정을 자체적으로 수행하는 수직 통합형 제조 구조를 갖춘 것이 특징입니다.

이러한 기술력을 바탕으로 국내외 엔진 제조사에 제품을 공급하고 있으며, 전체 매출의 약 60%가 수출에서 발생하고 있습니다. 독일, 덴마크, 미국, 일본 등 선진 시장을 중심으로 17개국 이상에 제품을 공급하고 있습니다.

Q. 삼영기계의 핵심 경쟁력은 무엇인가.

가장 큰 경쟁력은 주조 기술과 3D프린팅 공정을 결합한 제조 기술입니다.

삼영기계는 설계부터 소재 개발, 주조, 가공, 공정 설비 기술까지 한 회사에서 수행하는 통합 엔지니어링 체계를 갖추고 있습니다. 여기에 최근 샌드(Sand) 3D프린팅 기반 디지털 주조 공정을 접목하면서 기술 경쟁력이 한층 강화됐습니다.

통상 주조업체는 주조와 가공이 분리된 경우가 많지만, 당사는 설계부터 최종 가공까지 자체적으로 수행하고 있습니다. 이를 통해 고객 요구에 맞춘 고부가가치 부품 개발이 가능합니다.

또 CAD·CAM·CAE 기반 설계와 구조 해석, 피로 해석, 연소 해석, 비틀림 진동 해석 등 다양한 엔진 설계 기술을 자체적으로 보유하고 있습니다.

주조 공정에서도 주조 해석을 포함해 합금 설계와 소재 개발을 병행하고 있으며 GT Metal, SDI(Samyoung Ductile Cast Iron) 등 독자 소재를 개발해 높은 강도와 내구성을 확보했습니다.

Q. 3D프린팅 기술을 주조 공정에 도입하게 된 계기는 무엇인가.

시작은 인력난 문제였습니다. 주조 산업은 노동 강도가 높고 숙련 인력이 필요한 공정이 많다 보니 신규 인력 확보가 점점 어려워지고 있습니다.

이를 해결하기 위해 2014년부터 샌드 3D프린팅 기술을 도입해 수작업을 대폭 줄이는 공정 디지털 전환을 추진하기 시작했습니다.

처음에는 독일 장비를 도입했지만 당시 장비 가격이 당시 장비 가격이 대당 20억 원을 웃돌 정도로 높아 생산라인 확대에 부담이 컸습니다. 또한 높은 재료 가격과 외산 장비의 고질적인 A/S 문제로 양산 적용에 한계가 있었습니다. 이에 자체적으로 샌드 3D프린터 개발에 나섰고 현재 소형과 중대형 모델 개발을 완료한 상태입니다.

올해 상반기에는 2200×1000×700 규모의 초대형 모델도 출시할 계획이며 현재 사전 예약을 받고 있습니다. 국산 장비는 가격이 독일산 대비 약 40% 수준으로, 유지비 역시 절반 정도로 낮출 수 있습니다. 최근 고환율까지 고려하면 실제 경쟁력은 더 높다고 볼 수 있습니다.

Q. 삼영기계의 3D프린팅 기술을 소개한다면.

일반적으로 알려진 3D프린팅은 금속 분말을 사용해 최종 제품을 직접 출력하는 방식입니다. 반면 삼영기계의 기술은 ‘간접 3D프린팅’ 방식입니다.

장비가 모래층을 얇게 깔고 바인더를 분사해 한 층씩 적층해 굳히는 방식으로 몰드를 형성하고, 이 몰드에 쇳물을 부어 주조 제품을 생산하는 구조입니다.

즉 최종 제품을 출력하는 것이 아니라 주조에 사용되는 모래 거푸집(몰드)을 3D프린팅으로 제작하는 방식입니다.

기존에는 목금형을 제작해 거푸집을 만들어야 했지만, 이제는 3D 설계 데이터만 있으면 단시간 내 몰드를 출력할 수 있습니다. 이는 주조 공정의 장점과 3D프린팅 기술의 설계 자유도를 동시에 활용할 수 있는 혁신 기술입니다.

Q. 샌드 3D프린팅의 장점과 역할은?

가장 큰 장점은 개발 기간 단축입니다. 기존에는 금형 제작에 최소 3개월에서 길게는 6개월까지 걸렸습니다. 하지만 3D 모델만 있으면 하루 만에 몰드를 출력할 수 있어 개발과 시장 대응 속도가 크게 빨라집니다.

또 목금형 제작이 없기 때문에 금형 제작 비용과 창고 보관 비용도 줄어듭니다. 실제로 많은 주조 업체들이 수백~수천 개의 금형을 보관하는 문제로 큰 부담을 안고 있습니다.

생산 공정 측면에서도 변화가 큽니다. 예를 들어 엔진 부품 중에는 하나의 제품을 만들기 위해 수십 개의 중자(코어)를 조립해야 하는 경우가 많은데, 3D프린팅을 활용하면 이를 일체형으로 제작할 수 있습니다. 이 경우 조립 공정과 그라인딩 작업이 크게 줄어들면서 현장 수작업 시간이 최대 70% 이상 감소합니다.

Q. 이런 기술이 특히 어떤 제품 생산에 효과적인가.

주조 산업은 다품종 소량 생산 구조인 경우가 많습니다. 제품 종류가 많고 각각 설계가 달라 금형을 매번 새로 제작해야 하는 부담이 큽니다.

샌드 3D프린팅은 이런 다품종 소량 생산 환경에 매우 적합한 기술입니다. 하나의 프린팅 공간 안에서 서로 다른 여러 종류의 몰드를 동시에 제작할 수 있어 생산 유연성이 높습니다.

또 최근 엔진 산업은 경량화와 고효율 설계가 중요한데 이러한 복잡한 형상 역시 3D프린팅 기반 몰드 제작을 통해 구현할 수 있습니다.

실제로 당사가 설계 최적화를 통해 3D프린팅 기반 몰드로 제작한 피스톤의 경우 동일한 연료 조건에서 엔진 출력이 약 5% 향상되는 결과를 확인했습니다.

Q. 최근 방산 분야에서도 기술이 활용되고 있다.

최근에는 방산 엔진 부품 개발에도 기술이 적용되고 있습니다. 대표적인 사례가 방산 분야 특수목적 엔진 부품 국산화 프로젝트입니다.

기존에는 해외 엔진을 사용했는데 해당 부품이 단종되면서 국산화가 필요해졌습니다. 당사는 3D프린팅 기반 주조 기술을 활용해 엔진 블록과 실린더 헤드를 개발했습니다.

또 신규 엔진 부품 개발도 진행 중입니다.

Q. 국내 주조 산업이 직면한 가장 큰 과제는 무엇이라고 보나.

가장 큰 문제는 인력난과 산업 경쟁력 약화입니다. 신규 인력 유입이 거의 없는 상황이고 숙련 인력 확보도 점점 어려워지고 있습니다. 어렵게 채용해도 교육 후 이탈하는 경우도 많습니다.

또 환경 규제와 탄소중립 대응, 고부가가치 제품으로의 전환 등 해결해야 할 과제도 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 제조업의 디지털 전환이 반드시 필요합니다.

샌드 3D프린팅 같은 공정 기술이 도입되면 작업 환경 개선, 생산성 향상, 고부가가치 제품 생산 등이 동시에 가능해질 수 있다고 봅니다. 이에 따라 현장 작업이 디지털 첨단 장비 중심으로 옮겨지면서 젊은 인력의 유입도 가능해질 것이라고 생각합니다.

Q. 정부 차원에서 필요한 지원이 있다면.

지금은 뿌리 산업의 디지털 전환(DX)이 매우 중요한 시기입니다. 하지만 대부분의 주조 기업들이 중소기업이다 보니 장비 투자 여력이 부족한 것이 현실입니다.

따라서 향후 몇 년 동안이라도 공장의 디지털 전환에 대한 정부 지원이 확대될 필요가 있다고 생각합니다. 예를 들어 장비 투자 비용의 일부를 지원하는 방식이 필요합니다.

또 장비 도입뿐 아니라 공정 기술 교육과 인력 양성 프로그램도 함께 추진해야 합니다. 이를 통해 산업 전반의 경쟁력을 크게 높일 수 있을 것으로 기대됩니다.

뿌리 산업이 무너지면 그 위에 있는 제조업 전체가 해외로 이전할 수밖에 없습니다. 제조업 생태계를 유지하기 위해서라도 뿌리 산업에 대한 전략적인 지원이 필요합니다.

Q. 삼영기계의 중장기 비전은 무엇인가.

삼영기계는 ‘지속 가능한 친환경 에너지 솔루션 기업’을 비전으로 삼고 있습니다.

엔진도 결국 에너지 시스템의 핵심 요소입니다. 앞으로는 경량화, 에너지 효율 개선, 탄소중립 대응 기술이 점점 중요해질 것입니다.

당사는 샌드 3D프린팅 기반 공정 기술을 활용해 고효율 엔진 부품을 개발하고, 친환경 에너지 시스템과 연계된 핵심 부품 제조 기업으로 성장하는 것을 목표로 하고 있습니다.

또 샌드 3D프린팅 기반 공정 기술을 활용해 주조 산업의 디지털 전환을 선도하는 기업으로 성장하고자 합니다. 궁극적으로는 100년 기업을 목표로 지속 가능한 디지털 제조 기술을 발전시키는 것이 삼영기계의 장기적인 비전입니다.

Q. 마지막으로 전하고 싶은 메시지가 있다면.

뿌리 산업은 제조업의 기반입니다. 하지만 지금은 인력난과 기술 전환 문제로 중요한 기로에 서 있습니다.

디지털 기술과 새로운 공정 기술을 적극 도입한다면 뿌리 산업도 충분히 고부가가치 산업으로 발전할 수 있습니다. 디지털 전환이 선행돼야 인공지능까지 접목해 자율 제조까지 달성할 수 있습니다. 삼영기계 역시 이러한 변화의 흐름을 선도하면서 주조 산업의 미래를 만들어가는 기업이 되도록 노력하겠습니다.

김도형