복잡한 소형 부품의 대량 생산을 위해 MIM을 통합하는 방법: 적층 제조(AM)와 병행하여

최근 제조 현장을 조금이라도 돌아본 적이 있다면, 프로토타이핑과 양산 사이의 경계가 날이 갈수록 흐려지고 있음을 분명히 느끼셨을 것입니다. 적층 제조(additive manufacturing)는 과거에는 단일 프로토타입 제작이나 CNC 공정으로는 도저히 구현할 수 없는 매우 복잡한 형상의 부품 제작을 위한 ‘힙한 아이’에 불과했습니다. 그러나 대화의 주제가 ‘10개의 부품 제작’에서 ‘1만 개의 부품 제작’으로 바뀌면, 경제성 계산은 순식간에 달라집니다. 바로 이 지점에서 많은 엔지니어들이 벽에 부딪히게 됩니다. 그들은 티타늄 또는 스테인리스강 같은 금속을 3D 프린팅함으로써 얻는 설계 자유도를 사랑하지만, 동시에 전통적인 금형 공정이 제공하는 부품당 원가 및 사이클 타임도 반드시 확보해야 합니다. 현재 고성능 산업 분야에서 비밀리에 활용하고 있는 해결책은 어느 한 쪽을 선택하라는 것이 아닙니다. 오히려 금속 사출 성형(MIM, Metal Injection Molding)을 적층 제조와 동일한 맥락에서 논의할 수 있도록 하는, 기발한 하이브리드 워크플로우입니다.

작고 정교한 부품, 예를 들어 시계 베젤, 수술 도구의 조임 턱, 또는 접이식 나이프의 미세한 락킹 레버와 같은 경우, 그 형상은 저가형 기계 가공으로는 너무 복잡하고, 레이저 분말층 융합(L-PBF) 공정으로는 양산 규모가 너무 커서 경제적이지 못합니다. 바로 이 지점이 MIM(금속 주입 성형)과 적층 제조(AM)를 통합하는 전략이 단순한 이론을 넘어 실질적인 경쟁 우위로 작용하기 시작하는 ‘황금 지점(Goldilocks zone)’입니다. 이를 통해 설계 반복 및 검증 작업의 ‘무거운 일’은 3D 프린팅으로 수행하고, 실제 양산의 ‘무거운 일’은 MIM으로 전환할 수 있습니다. 이론적으로는 간단해 보이지만, 이를 원활하게 실행하려면 각 공정에서 발생할 수 있는 함정과 위험 요소를 정확히 파악해야 합니다.

수축률 및 규모 측면에서의 근본적 차이

한 가지를 분명히 해두겠습니다: 금속 사출 성형(MIM)은 제어된 수축률을 다루는 기술입니다. 이 공정에서는 매우 미세한 금속 분말을 바인더 시스템과 혼합한 후, 최종 부품보다 과대 설계된 금형에 이를 주입합니다. 그런 다음, 금속을 완전 밀도로 소결하기 전에 바인더를 제거하기 위해 상당한 시간과 열을 투입합니다. 소결로터리에서 나오는 부품은 소결 전의 부품보다 상당히 작아집니다. 실제로 선형 치수 기준으로 약 15~20% 정도 수축합니다. 레이저 분말 베드 융합(LPBF) 장비의 ‘근정밀 형상(_near net shape)’ 정확도에 quenched된 엔지니어라면, 이러한 수준의 수축은 마치 마법처럼 느껴질 수 있습니다. 반면 적층 제조(additive manufacturing)는 빌드 플레이트에서 바로 CAD 파일과 거의 동일한 형상의 부품을 제공하며, 잔류 응력으로 인해 약간의 왜곡은 발생할 수 있지만, 저렇듯 극단적인 체적 변화는 일어나지 않습니다.

여기서 통합 작업이 까다로워집니다. 단순히 적층 제조(AM) 최적화 설계 파일을 받아 금형 주입 성형(MIM) 부서에 바로 전달해서는 안 됩니다. 유기적인 흐름을 지닌 곡선들로 구성된, 보기에도 가볍고 아름다운 위상 최적화 브래킷은 금형에서 탈형하기가 악몽처럼 어려울 수 있습니다. 적층 제조에서는 지지 구조물을 용해시켜 쉽게 제거할 수 있는 언더컷이 금형 공정에서는 비용이 많이 드는 사이드 액션 또는 슬라이드로 구현해야 합니다. 이러한 이중 전략으로 설계할 때는 레이저 제조의 자유도를 한쪽 눈으로 주시하면서도 동시에 금형의 분할면(parting line)을 다른 쪽 눈으로 주의 깊게 살펴야 합니다. 가장 성공적인 통합 사례에서는 적층 제조 부품을 개념 검증을 위한 기능성 프로토타입으로 활용하고, 이후 팀이 핵심 기능 면을 희생하지 않으면서 금형 가공성을 위해 해당 형상을 구체적으로 조정합니다. 즉, 설계 파일을 ‘적층 제조 언어’에서 ‘사출 성형 언어’로 번역하는 작업을 수행하는 것입니다.

최종 목표가 금형 주입 성형(MIM)이라면 왜 적층 제조(AM)부터 시작해야 할까요?

여분의 단계처럼 보일 수 있습니다. 왜 바로 MIM 금형을 제작하고 바로 작업에 착수하지 않습니까? 그 대답은 거의 항상 개발 속도와 오류 발생 시 비용 문제로 귀결됩니다. MIM 금형은 정밀 가공된 강철 부품으로, 제작 및 시제품 생산에 8~12주가 소요되며 비용은 수만 달러에 이를 수 있습니다. 이 금형을 프레스에 장착한 후, 클릭 고정 기능이 약간 너무 취약하거나 리브 반대쪽 벽 두께로 인해 싱크 마크가 발생한다는 사실을 깨닫게 된다면, 매우 고비용·저속의 수정 과정을 거쳐야 합니다. 이러한 일정은 의료기기 개발이나 소비자 전자제품 분야에서는 도저히 용인될 수 없습니다.

적층 제조(특히 MIM 피드스톡과 유사한 재료를 사용하여)를 개발 주기 초기 단계에 도입함으로써, 설계 반복을 극도로 빠르게 수행할 수 있습니다. 향후 MIM 공정에서 실제로 사용될 동일한 금속 분말 조성으로 일주일 안에 힌지 기하학 구조의 10가지 서로 다른 변형을 인쇄할 수 있습니다. 금형 베이스에 손을 대지 않고도 촉감, 탈착 토크(breakaway torque), 피로 수명 등을 시험할 수 있습니다. 설계가 확정되고 검증 테스트 승인이 완료된 후에야 비로소 금형 제작을 시작합니다. 이 접근법은 17-4PH 스테인리스강이나 저합금강처럼 적층 제조와 MIM 양쪽 분야에서 모두 널리 사용되는 재료에 특히 중요합니다. 금속 부품으로서의 작동 여부를 단순히 추측하는 것이 아니라, 양산 라인이 가동되기 훨씬 이전에 실제 금속 부품을 통해 그 성능을 입증하는 것입니다.

이것은 키헤 테크(Kyhe Tech)와 같이 복잡한 소형 부품에 중점을 두는 기업들이 정기적으로 다루는 유형의 워크플로우입니다. 이들은 두 공정 간에 표면 마감 요구사항과 허용 오차 범위가 다르다는 점을 잘 인지하고 있습니다. 3D 프린터에서 출력된 부품이 외관과 촉감 면에서 완벽해 보일지라도, 금형에서 효율적으로 탈형되도록 미세한 드래프트 각도 조정이 필요할 수 있습니다. 이러한 공정들을 통합한다는 것은 즉, 프로토타입용으로 한 번, 양산용(수백만 개 생산)으로 또 한 번, 부품을 설계해야 한다는 것을 의미합니다.

양산 환경에서 적층 제조(AM)와 금속 사출 성형(MIM)의 간단한 비교

부품을 적층 제조 방식으로 계속 생산할지, 아니면 금속 사출 성형(MIM)으로 전환할지 결정하려 할 때는 두 공정의 수치적 차이를 나란히 비교해 보는 것이 도움이 됩니다. 아래 표는 일반적인 소형 금속 부품 양산 시 두 공정 간 실무적 차이를 정리한 것입니다. 단, 이 수치들은 일반적인 가이드라인일 뿐이며, 실제 수치는 부품의 형상 복잡도 및 사용되는 특정 합금에 따라 달라질 수 있음을 유의하시기 바랍니다.

이를 살펴보면 전략적 중복이 명백해집니다. 적층 제조(AM)는 시장 출시 속도와 복잡한 내부 구조 구현 측면에서 우위를 점합니다. 반면, 금속 사출 성형(MIM)은 양산 규모가 확대되고 설계가 고정된 후에는 단위 경제성 측면에서 우위를 차지합니다. 가장 현명한 제조 전략은 이 두 방식을 서로 경쟁 관계로 보지 않고, 동일한 변속기 내에서 서로 다른 기어처럼 활용하는 것입니다. 제품 수명 주기에 따라 이 두 방식 사이를 유연하게 전환하는 것이죠.

고용량 MIM 생산을 위한 허용오차 조정

공차는 금속 사출 성형(MIM)에 처음 입문하는 설계자들을 극도로 위축시키는 용어이다. 적층 제조(AM)에서는 보정이 잘 된 기계를 사용하면 일반적으로 수천 분의 1인치(약 0.025mm) 수준의 공차를 유지할 수 있으나, 이 경우 부품을 한 층씩 고통스럽게 쌓아 올려야 하므로 시간과 비용이 많이 소요된다. 반면 MIM에서는 일단 금형이 최적화되고 소결로의 열처리 프로파일이 정확히 설정되면, 수십만 개의 생산 사이클 동안 부품 치수의 ±0.5% 수준으로 매우 엄격한 공차를 유지할 수 있으며, 부품당 단지 몇 센트의 비용만으로 이를 실현할 수 있다. 그러나 이러한 수준의 정밀도를 달성하려면 탈지 및 소결 과정에서 부품이 어떻게 왜곡되는지를 깊이 이해해야 한다.

AM 설계를 MIM 공정으로 가져오려는 경우, 반드시 소결 시뮬레이션을 수행해야 합니다. 이러한 소프트웨어 도구는 그린 부품의 형상을 기반으로 열처리 과정에서 부품이 처지거나 왜곡될 위치를 예측합니다. 복잡한 형상에서는 이 단계가 절대적으로 필수적입니다. 예를 들어 CAD 파일 상에서는 완벽해 보이는 소형 의료용 스테이플이 있을 수 있지만, 실제 소결 시 15% 수축이 발생하면 불균일한 질량 분포로 인해 다리 부분이 안쪽 또는 바깥쪽으로 비틀릴 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 일반적으로 ‘세터(setter)’라 불리는 맞춤형 세라믹 고정장치를 사용하여 소결 중 부품을 특정 위치에 고정시키는데, 그러나 이러한 고정장치는 비용이 들고 퍼니스 내 공간도 차지합니다. 더 나은 접근법은 AM 프로토타입 테스트 결과를 활용해, 부품이 수축 과정에서도 스스로 정확한 형상을 유지할 수 있도록 미세한 라운드 처리나 리브를 추가하거나 제거할 위치를 식별하는 것입니다. 이는 질량 균형을 정밀하게 조절하는 섬세한 작업으로, 강성 있는 빌드 플레이트 위에 고정된 AM 부품에서는 거의 고려되지 않는 문제입니다.

아무도 언급하지 않는 후처리 요인

MIM 부품이 소결로에서 나오면 바로 출하가 가능하다는 오해가 매우 널리 퍼져 있습니다. 그러나 이는 특히 다른 정밀 기구와 결합되는 부품을 다룰 때는 사실과 거리가 매우 멉니다. MIM 부품은 게이트 흔적을 남기고, 분할선 플래시가 있으며, 주조 금속보다는 우수하지만 여전히 정밀 가공이 필요한 표면 마감 품질을 갖습니다. 실제로 이러한 점에서 적층 제조(AM)에 대한 사고방식이 긍정적인 방향으로 MIM 분야로 점차 확산되고 있습니다.

적층 제조 분야에서는 레이저가 꺼진 후에도 부품이 완성된 것이 아니라는 개념에 이미 익숙해졌습니다. 이는 열처리, 지지대 제거, 비드 블라스팅(bead blasting) 또는 텀블링(tumbling)과 같은 표면 마감 처리를 포함하는 후공정 작업 대기열을 수반합니다. 금속 주입 성형(MIM)에서도 동일한 수준의 세심한 관리가 요구되며, 다만 그 처리량은 훨씬 더 큽니다. 즉, 10개 부품이 담긴 트레이를 텀블링하는 것이 아니라, 1만 개의 부품이 담긴 드럼을 텀블링해야 합니다. 이러한 기술들을 효과적으로 통합해 성과를 내는 업체들, 예를 들어 KYHE TECH 자동화된 후처리 라인에 막대한 투자를 해 왔으며, 이 라인은 미세하고 복잡한 부품의 정교한 특징을 훼손하지 않으면서도 그러한 대량 생산 능력을 충족시킬 수 있습니다. 고에너지 원심통 마무리 공정을 견딜 수 없을 정도로 취약한 특징을 설계한다면, 그 부품은 실질적으로 경제적인 대량 생산이 불가능하도록 설계된 것입니다. 적층 제조(AM)와 금속 주입 성형(MIM)을 통합한다는 것은, 단일 프로토타입에 대한 CMM 검사에서부터 연속적인 양산 부품 흐름을 위한 광학 분류 시스템에 이르기까지, 부품의 최종 검사 트레이에 이르는 전 과정을 이해하는 것을 의미합니다.

두 세계를 모두 고려한 설계 — 그러나 정신은 잃지 않기

그렇다면 실제로 어떻게 해야 빠르게 적층 제조로 프로토타이핑할 수 있고, 이후에 금속 주입 성형(MIM)으로 원활하게 양산 확장이 가능한 부품을 설계할 수 있을까요? 핵심은 CAD 설계 초기 단계부터 규칙 세트를 체계적으로 도입하는 데 있습니다. MIM 금형에서 세척이 어려운 깊고 좁은 구멍은 피해야 합니다. 소결 시 수축으로 인한 변형을 방지하기 위해 비교적 균일한 벽 두께를 유지해야 합니다. 이러한 사항들은 바로 적층 제조가 MIM보다 훨씬 잘 허용하는 것들입니다.

하지만 크로스오버 효과도 있습니다. 날카로운 모서리와 대규모 질량 집중을 피하는 것을 강조하는 적층 제조(AM) 설계 원칙은 실제로 우수한 금속 주입 성형(MIM) 설계 관행과 완벽하게 조화를 이룹니다. 질량을 제거하기 위해 토폴로지 최적화된 부품은 이미 열 지연을 유발하는 두꺼운 무거운 부분을 제거했기 때문에 소결 과정에서도 더 균일하게 진행될 가능성이 높습니다. 유기적 래티스 구조나 창의적인 중공 구조를 활용해 무게를 줄이는 부품을 설계할 수 있다면, 동일한 설계를 MIM 금형으로 전환했을 때 재료 소비량이 줄어들고, 분말 비용이 절감되며, 수축도 보다 예측 가능해집니다. 이는 아름다운 피드백 루프입니다. 적층 제조를 활용해 최적의 형상을 찾아내고, 그 형상을 바탕으로 기존 절삭 가공 방식으로 경쟁사가 제작하는 어떤 부품보다도 가볍고 비용 효율적인 MIM 부품을 제작하세요. 이는 적층 제조가 MIM을 대체하거나 그 반대를 의미하는 것이 아닙니다. 오히려 제품 수명 주기의 각 단계에 가장 적합한 도구를 선택하고, 설계가 두 가지 제조 방식 모두에 능숙하게 적용될 수 있도록 하는 것입니다.

이 하이브리드 접근 방식이 가장 빛을 발하는 분야

이 이중 접근 방식의 혜택을 가장 크게 보는 제품들을 살펴보면, 거의 항상 소형이면서도 복잡하고 고가인 제품들입니다. 수술용 스테이플러 내부의 마이크로 기어를 생각해 보세요. 처음 몇 천 개의 부품은 레이저 파우더 베드 방식의 적층 제조 장비로 생산되며, 동시에 수술 팀은 인체공학적 설계와 작동 순서를 검증합니다. 이 기간 동안 금속 주입 성형(MIM) 금형은 가공 중입니다. 설계가 최종 확정되면, 양산 라인은 전환되어 월 수만 개에 달하는 기어를 적층 제조(AM) 비용의 일부분으로 대량 생산하기 시작합니다. 환자나 외과의사는 이 차이를 전혀 알지 못하지만, 해당 기업의 실적에는 분명한 영향을 미칩니다.

이 전략은 지속 가능성에도 매우 큰 역할을 하며, 이는 현대 제조업에서 더 이상 타협할 수 없는 요소가 되고 있습니다. MIM 피드스톡 활용률은 절삭 가공에 비해 훨씬 높아, 일반적으로 95%를 넘습니다. 여기에 적층 제조(AM)가 특정 형상에 필요한 분말만 사용한다는 점을 고려하면, 폐기물 발생량이 극히 적은 제조 생태계가 구축됩니다. 이는 책임 있는 방식의 제조이며, 산업 전체가 나아가고 있는 방향이기도 합니다. 3D 프린팅의 디지털 유연성과 금속 사출 성형(MIM)의 경제적 효율성을 동시에 활용할 수 있는 능력이 바로 혁신가와 다른 기업들을 구분 짓는 핵심 요소입니다. 즉, 언제나 막혀 있는 상황에 처하지 않으며, 항상 적정 생산량에 맞는 최적의 제조 방법을 찾을 수 있다는 의미입니다.