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1 ISSUE PAPER 제조혁신과소재산업 - 첨단소재와 3D 프린팅을중심으로 - 김상훈 심우중

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3 차례 제1장서론 연구배경및목적 연구방법및범위 제2장제조혁신과 3D 프린팅 제조혁신의대두 국내외제조혁신추진동향 제조혁신과 3D 프린팅 제3장 3D 프린팅과소재산업 D 프린팅유래및현황 D 프린팅기술및관련소재 주요기업및연구개발동향 기타이슈 제4장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 주요생태계구조 생태계활성화촉진및저해요인 소재산업의중요성 제5장시사점 D 프린팅제조혁신을위한정책과제 D 프린팅소재기술발전방안 참고문헌 부록

4 표차례 < 표 2-1> 미국제조업혁신센터 (MII) 현황 < 표 2-2> 인더스트리 4.0과플랫폼인더스트리 4.0 정책비교 < 표 2-3> 제조업혁신 3.0 실행대책개요 < 표 2-4> 적층가공을의미하는여러가지용어 < 표 2-5> 소재관련주요학술지의최근적층가공관련특집호출판동향 < 표 2-6> 적층가공비용구조변화전망 < 표 2-7> 적층가공비용구조변화요인 < 표 2-8> 전통제조공정과적층가공의선호조건비교 < 표 2-9> 3D 프린팅서비스공급자유형 < 표 2-10> 3D 프린팅산업에대한우려 < 표 3-1> 적층가공기술의개발연혁 < 표 3-2> 3D 프린팅의발전과정 < 표 3-3> 3D 프린팅공정기술의유형과관련소재, 특징및기업 < 표 3-4> 3D 프린팅공정기술과적합소재 < 표 3-5> 3D 프린팅기술유형별생산단계 < 표 3-6> 금속재료용 3D 프린팅장비판매대수및성장률추이 < 표 3-7> 금속재료용 3D 프린터생산주요기업별판매대수 (2014) < 표 3-8> PBF 적층가공의에너지원비교 < 표 3-9> 금속 3D 프린팅주요기술유형의장단점 < 표 3-10> 3D 프린팅적용이가능한대표적인금속재료예시 < 표 3-11> 다양한공정을활용해제조된 IN718 초합금의기계적성질 < 표 3-12> 금속 3D 프린팅장비주요기업 < 표 3-13> 주요산업분야별적층가공동향 < 표 3-14> 적층가공관련주요프로젝트 (EU) < 표 3-15> 적층가공표준관련위원회등현황 < 표 4-1> 적층가공산업에서의가치사슬특징 < 표 4-2> 이해관계자의주요투입및보상요소 < 표 4-3> 3D 프린팅이해관계자의주요비용및편익... 86

5 < 표 4-4> 3D 프린팅생산방식의주요특징과그내용 < 표 4-5> 적층가공의기회및한계요인 < 표 4-6> 적층가공의핵심특징및기대효과 < 표 4-7> 적층가공에서의분야별도전과제 < 표 5-1> 스마트제조를위한조건 < 표 5-2> 주요산업분야별적층가공개선방향 < 표 5-3> 미래소재산업의특징과포지셔닝 < 표 5-4> 적층가공성공을위한소재및관련분야장애요인 < 표 5-5> 적층가공기반의제조혁신을위한소재분야발전목표 < 표 5-6> 적층가공기반의제조혁신을위한소재및관련분야대응방안

6 그림차례 < 그림 1-1> 연구범위및초점 < 그림 2-1> 주요권역별제조업부가가치비중변화 < 그림 2-2> 글로벌메가트렌드와제조혁신 < 그림 2-3> 미래스마트공장의주요구성요소 < 그림 2-4> 연도별적층가공활용분야추이 < 그림 2-5> 연도별적층가공활용산업추이 < 그림 2-6> 3D 스캐닝, 디자인및프린팅통합제조환경 < 그림 2-7> 전통제조공정과적층가공의비용구조 < 그림 2-8> 전통제조공정과적층가공의비용구조 < 그림 2-9> 적층가공도입으로인한분야별향후파급효과 < 그림 2-10> 산업별적층가공적용시나리오 < 그림 3-1> 적층가공기술수용연혁 < 그림 3-2> 적층가공의최근응용분야및잠재적적용분야 < 그림 3-3> 전세계 3D 프린팅시장규모및연도별성장률추이 < 그림 3-4> 연도별적층가공활용산업추이 (2장에서재인용 ) < 그림 3-5> 연도별적층가공활용분야추이 (2장에서재인용 ) < 그림 3-6> 전세계금속재료 3D 프린팅장비판매추이 < 그림 3-7> 적층가공용소재시장규모및성장률 < 그림 3-8> 3D 프린팅시장전망 < 그림 3-9> 적층가공의장점및주요해결과제 < 그림 3-10> 적용소재의상 ( 相 ) 형태에따른 3D 프린팅공정기술의종류 < 그림 3-11> 금속재료용적층가공제조관련선도기업현황 < 그림 3-12> 금속재료용 3D 프린팅 (PBF 분야 ) 주요기업의시장점유율 < 그림 3-13> 금속재료용적층가공서비스관련선도기업현황 < 그림 3-14> 금속재료 3D 프린팅주요기술 ( 기업 ) 별에너지및생산속도비교 < 그림 3-15> AlSi10Mg 합금의제조공정별미세조직 < 그림 3-16> 금속분말제조의기술난이도와시장규모 < 그림 3-17> 적층가공이가능한다양한크기및형상예시... 65

7 < 그림 3-18> 금속재료용적층가공의기술수용현황 < 그림 3-19> Airbus 사의적층가공추진마일스톤 < 그림 3-20> Airbus 사의적층가공상용화를위한주요단계 < 그림 3-21> 항공기등에서발생하는손상유형과원인 < 그림 3-22> 민항기용제트엔진에서의적층가공적용사례 < 그림 3-23> 항공기용부품의적층가공적용사례 < 그림 3-24> 민항기동체및가스터빈엔진의소재별중량비변동추이 < 그림 3-25> EBM으로생산된임플란트재료의월별성공률추이및생산비용 < 그림 3-26> 3D 프린팅을활용한제품개발주기와콘텐츠설계및저작권이슈 < 그림 4-1> 금속재료용적층공정에영향을미치는주요요인 (PBF 사례 ) < 그림 4-2> 금속재료용적층공정관련인증체계 < 그림 4-3> 3D 프린팅산업가치사슬과이해관계자 < 그림 4-4> 제품및공급사슬에미치는적층가공의파급효과 < 그림 4-5> 적층가공기술의잠재력 ( 생산규모 -복잡성 -최적화점 ) < 그림 4-6> 소재분야핵심연구내용간관계및주요특징 < 그림 4-7> 적층가공추진과정의복잡성 < 그림 4-8> 금속재료적층가공의효율적운용을위한핵심요인 < 그림 5-1> 기존뿌리산업중 3D 프린팅적용분야 < 그림 5-2> 적층가공주요금속소재타이타늄의가치사슬단계별특징

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9 제 1 장 서론 1. 연구배경및목적 연구배경 최근금융위기및저성장기조는경제성장및양질의일자리창출에대한제조업의중요성을재부각시키고있으며미국, 독일, 일본등제조업주요국은첨단제조혁신정책을활발히추진 - 이와같은제조혁신은크게제조공정의 ICT융합, 기존제조패러다임인절삭가공개념과새로운패러다임인적층가공개념융합의두방향으로전개되고있음. - 아울러, 상기두가지트렌드의융합은궁극적인스마트공장및스마트제조를통한제조혁신을가능하게할것으로기대 3D 프린팅 (3DP, 3Dimensional Printing) 은제조공정혁신을유발하는핵심요인중하나로최근지속적으로부각되는추세임.

10 10 제조혁신과소재산업 - 3D 프린팅또는적층가공 (Additive Manufacturing) 은제조공정의근간을이루고있는절삭가공 (Subtractive Manufacturing) 과핵심개념부터큰차이를두고있어향후제조혁신에큰역할을할것으로예상 - 적층가공은자원절감, 개발기간단축, 소량생산최적화등이가능한획기적방법으로주목받고있음. - 이와같은적층가공은최근이슈가되고있는스마트공장의성공적추진을위한핵심요인중하나로서도부각되고있음. * 스마트공장을통한제조혁신의중심에는사물인터넷 (IoT), 클라우드컴퓨팅 (Cloud Computing), 인공지능 (AI), 빅데이터 (Big Data) 와같은 IT 인프라와 3D 프린팅등신제조공정및신소재의융합이중요 선진국뿐아니라, 우리정부에서도적층가공의전망을좋게보고다양한정책및지원제도등을추진중이나, 그실태는걸음마수준 - 적층가공에대한높은기대수준에도불구, 다양한장애요인이상존하고있으나이에대한검토는별무한실정으로, 우선적으로관련현황에대한체계적이고심층적인정리가요구되는상황 연구목적 본고에서는첫째, 그동안개인용, 산업용에대한구분없이정리되어온 3D 프린팅의현황을산업용 3D 프린팅관점에서서술하고, 산업용 3D 프린팅의제조혁신에대한영향을구체적으로살펴보고자하였음.

11 제 1 장서론 11 둘째, 최근금속소재의 3D 프린팅적용이확대되면서산업용 3D 프린팅에대한기대수준상승과동시에다양한장애요인이예견되고있는바, 기술수준및시장수요관점에서도전과제를검토하였음. 마지막으로, 적층가공의효율적활용을위해서는그간주로언급된장비기술외에도적용소재에대한기술과관련서비스를위한콘텐츠등이중요하나, 이에대한체계적조사가미흡한바, 이에대한현황및향후발전방안등을제시하고자하였음. 2. 연구방법및범위 본연구는최근제조혁신에서이슈가되고있는스마트공장동향을 살펴보고, 스마트공장을위한핵심요인중하나인 3D 프린팅 ( 이하 3DP) 의역할을구체적으로조명하였음. < 그림 1-1> 연구범위및초점 제조혁신 스마트공장 3D 프린팅 ( 산업용 ) 소재

12 12 제조혁신과소재산업 - 3DP의최근현황을체계적으로정리및소개하여, 제조혁신에있어적층가공의도입및활용에따른다양한효과와한계를살펴보고자하였음. - 특히향후제조업생산활동전반에산업적파급효과가가장클것으로예상되는금속재료 3DP에대한실태점검은미흡한실정인바, 금속 3DP를집중적으로조명하여현황을제시하고자하였음. * 실제로, 업계최대기업인 Stratasys 및 3D Systems 모두최근매출감소뿐아니라수익성악화를경험하고있는데 1), 이는기존고분자계 3DP의개발지연및금속기반 3DP 등산업용 3DP의개발부진등에기인 한편, 3DP의성공적활용은적용소재의개발과연계에밀접하게관련되어있는바, 3DP의투입요인으로서관련소재기술및산업에대하여정리 - 3DP의대상소재는크게고분자용, 금속소재, 세라믹용등으로나뉘며, 구매고객에따라일반소비자용, 산업용및의료용등다양하게구분되고있음에도불구, 지금까지의관련국내문헌은이를구분하지않거나고분자소재중심의소비자용 3DP에집중된경향을보임. - 비록현재까지고분자소재가 3DP 시장의가장큰부분을차지하고있으나, 본고는 3DP에활용되는다양한종류의소재를전반적 1) Stratasys 의매출과영업이익은각각 2014 년 7 억 5,012 만 9,000 달러, -1 억 4,818 만 9,000 달러에서 2015 년 6 억 9,599 만 5,000 달러, -13 억 7,354 만 4,000 달러로매출이감소하고영업적자가큰폭으로상승하였음. 3D Systems 의경우에도매출액과영업이익이각각 2014 년 6 억 5,365 만 2,000 달러, 2,635 만 1,000 달러에서 2015 년 6 억 6,616 만 3,000 달러, -6 억 4,192 만 4,000 달러로적자전환.

13 제 1 장서론 13 으로소개하고, 산업적파급효과가높은금속소재를설명하는데초점을맞춤. 아울러, 3DP의활성화는관련소재및작동 S/W와콘텐츠등관련기술과시장이중요한바, 이의현황등을조사하여통합적시각에서 3DP 의발전전략을제시 - 3DP의기술및수요확산에는 3DP 공정및설비자체뿐아니라, 소재, 운용 S/W, 콘텐츠등이복합적으로연계되어있는바, 이들에대한현황검토가필수적임. - 또한, 제조혁신관점에서 3DP의활용도를높이기위해서는관련산업의현황및특징에대한검토가필요할것으로사료되나, 개별산업수준의분석은본연구의범위를벗어나는것으로, 추후이에관한추가적인연구가이루어져야할것임.

14 제 2 장 제조혁신과 3D 프린팅 1. 제조혁신의대두 선진국의제조업비중은지속적감소추세이나, 글로벌금융위기이후제조업의중요성에대한인식제고 선진국의제조업비중은지속적감소추세인반면개발도상국의제조업비중은빠르게상승하는추세임. - 개도국의제조업부가가치가전세계에서차지하는비중은 1991 년 21% 에서 2011 년 40% 로크게증가한반면서유럽과일본의비중은크게감소 2008 년금융위기이후제조업기반경제가위기극복에중요한역할을수행하면서, 제조업의중요성이재부각됨. - 금융위기이후실업및소득양극화문제의주요원인으로제조업경쟁력약화가지적되는등미국, 유럽등선진국에서의지속적인

15 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 15 < 그림 2-1> 주요권역별제조업부가가치비중변화 아시아 ( 일본제외 ) 8% 러시아및동유럽 4% 북미 8% 아프리카 2% 개도국비중 21% 기타선진국 2% 아시아 ( 일본제외 ) 31% 서유럽 36% 북미 6% 아프리카 1% 개도국비중 40% 기타선진국 1% 서유럽 25% 북미 24% 일본 18% 러시아및동유럽 2% 북미 22% 일본 11% 1991 년 2011 년 자료 : Roland Berger(2014). 제조업기여도감소세는국가의안정적성장을저해하는것으로 인지됨. 이에미국, 독일, 일본등제조업강국은경제성장및양질의일자리창출을위해첨단제조혁신정책을적극적으로추진 제조업은설비와기술발전이상호연계되어자발적인진화가지속적으로가능하기때문에, 이를기반으로선순환적재생산을통한경제성장을유도 * 제조업또는제조공장은제품설계와생산, 물류, 마케팅등의기반을제공하여전문성을갖춘일자리를창출하며, 양질의제조업은고부가가치의전문서비스 ( 엔지니어링, 컨설팅, 정보기술, 연구개발등 ) 일자리창출

16 16 제조혁신과소재산업 한편우리나라는최근제조업관련지표가지속적으로악화되면서정부차원의제조업경쟁력강화방안마련이시급한실정 신흥국경기침체와유가하락, 중국과경쟁심화등으로주요제조업종은생산및수출감소에직면 년 3분기제조업수출액은전년대비 9.6% 감소하였고, 2016 년 1월에는 13대주력품목수출이모두감소 ( 산업연구원, 2015; 산업연구원, 2016) 한국은행에따르면, 제조업의매출증가세둔화는물론영업이익의경우 2014 년 20% 이상마이너스성장을기록하는등제조업부진장기화우려 아울러, 우리나라제조업의상대적기술수준하락과중국과의격차축소는제조업에대한위기감을더욱고조시키고있음. - 국내제조업기술수준은 2011 년세계최고수준의 81.9% 에서소폭하락한 80.8% 수준 ( 산업연구원, 2016) 2. 국내외제조혁신추진동향 주요선진국은제조업의새로운부흥을목표로국가차원에서다양 한정책을추진중이며, 특히첨단기술기반의제조혁신에초점 2) 3D 프린팅, 스마트공장, 사물인터넷, 빅데이터, 지능형로봇등차세 2) 국내외제조혁신추진동향은김상훈 심우중 (2015) 의관련내용에최근주요정책동향을추가하여수정 보완한것임.

17 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 17 < 그림 2-2> 글로벌메가트렌드와제조혁신 공정분석 실시간정보 센서 / 액츄에이터 첨단소재 첨단공정 적층가공 자료 : 산업연구원작성. 대기술선점을통한첨단제조기술기반의시장창출형제조혁신경쟁이치열하게진행중 - 첨단 ICT 기술과융합된차세대제조기술은제품다각화및소량맞춤생산, 원료-생산 -제품- 서비스의가치사슬전반에대한효율을극대화할것으로기대 * 기존제조업을토대로타산업의발전을유도하는시장연계및견인형정책과동시에, 신기술기반의시장창출형정책까지다양한정책을동시추진 ( 미국 ) 제조업경쟁력약화및무역수지적자에대응한첨단제조혁신및스마트제조시스템구축추진 년첨단제조파트너십 (AMP, Advanced Manufacturing Partnership) 프로그램을통해제조혁신을위한산학연협력연구, 제조설

18 18 제조혁신과소재산업 비및인프라공유체계구축 * 2013 년 9 월발표된 AMP 2.0 은첨단제조업혁신기능, 혁신인력, 비즈니스 환경의 3 개축의종합적개선을주요목표로함 (PCAST, 2014). 3) < 표 2-1> 미국제조업혁신센터 (MII) 현황 센터명설립연도연구분야 America Makes (The National Additive manufacturing Innovation Institute) DMDII (Digital Manufacturing and Design Innovation Institute) LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) PowerAmerica (The Next Generation Power Electronics manufacturing Innovation Institute) IACMI (Institute of Advanced Composites Manufacturing Innovation) AIM Photonics (American Institute for manufacturing Integrated Photonics NextFlex (America s Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Innovation Institute) RFT-MII (Revolutionary Fibers and Textiles - Manufacturing Innovation Institute) Manufacturing Innovation Institute on Smart Manufacturing 예산 3) ( 만달러 ) 2012 적층가공 (3D 프린팅 ) 5, 디지털제조및설계 7, 경량금속제조 7, 와이드밴드갭전력전자장치 ( 반도체 ) 제조 7, 폴리머섬유강화복합재 7, 통합포토닉스제조 11, ( 예정 ) 자료 : Advanced Manufacturing National Program Office(2016). 박막플렉시블전자장치및센서 디지털설계도구및지식관리시스템기반의고속유연생산 7,500 7,500 ( 예정 ) ( 요청중 ) 친환경제조 ( 미정 ) 3) 한국경제매거진, 순항하는미국의제조업혁신전략, 참고.

19 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 19 - NNMI(National Network for Manufacturing Innovation) 는산업계와학계의협력체인제조업혁신센터 (MII, Manufacturing Innovation Institute) 를구성하여당면과제에대한해결방안공동모색을추진 * 2015 년기준 7개 MII가운영중이고, 2016 년까지 15개, 향후 10년간 45개까지확대할계획 ( 독일 ) 신흥개도국의기술추격및저가경쟁에대응하고, 지속적제조경쟁력확보를위하여 인더스트리 4.0(Industry 4.0) 정책추진 년 하이테크전략 2020 에서 5개분야 10대프로젝트를발표하였고, 2012 년국가첨단기술전략 10개핵심실행계획에인더스트리 4.0을포함 - 인더스트리 4.0은제조업과 ICT를결합한 스마트공장 (Smart Factory) 을통해제조업의완전한자동생산체계및공정최적화비전제시 - 인더스트리 4.0은 1970 년대이후로봇등을통해이루어진공정자동화를뛰어넘어, 제조업전체가치사슬의통합을통한생산효율극대화를도모하고, 사물인터넷, 서비스, 데이터, 사람 이네트워크로연결되어공정환경이이에따라변화하며, 이를통해제조공장의경쟁력개선과함께현재저임금국가지향적제조공장을선진국으로유인 년에는기존정책의한계를보완하기위해 플랫폼인더스트리 4.0 전략을마련하여추진하고있으며, 제조공정의디지털화전략개선, 표준화, 데이터보안, 제도정비및인력육성을포함

20 20 제조혁신과소재산업 * 인더스트리 4.0은 2년이상표준에대한합의가지연되면서활용기술개발이이루어지지못했고보안정책부재, 중소기업의거부반응, 관련인력부족등한계지적 ( 포스코경영연구원, 2015) ( 일본 ) 만성적경제침체탈피및생산성제고를위해 2013 년 6월 일본재흥전략 을수립 ( 매년개정판을발표 ) 년개정판은 미래에대한투자와생산성혁명 을모토로공급부문의혁신에초점을맞추었으며, 독일의인더스트리 4.0에서제시한 4차산업혁명을처음으로언급하는등제조업부문의혁신을위하여사물인터넷, 빅데이터, 인공지능분야의민간투자및정책방안마련시급성을강조 년 4월에는 4차산업혁명에대한체계적대응방안을담은 신산업구조비전 을발표 < 표 2-2> 인더스트리 4.0 과플랫폼인더스트리 4.0 정책비교 주체 형태 핵심추진과제 목표결과물 인더스트리 4.0 플랫폼인더스트리 4.0 산업협회 (BITKOM, VDMA, ZVEI) 연구어젠다 중심. 독일국가차원의미래첨단기술전략 10 개핵심주제에포함 인더스트리 4.0 개발 / 발전및적용전략도출 인더스트리 4.0 실행기획안 2015 년 4 월적용전략제안문서발표 경제에너지부, 교육연구부 정부기관책임하에산업, 노조, 연구기관이함께참여하는현정부핵심추진과제 5 개핵심분야별실제적용가능한결과물도출목표 - 1 참조모델및표준, 2 연구및혁신, 3 사이버보안, 4 법 / 제도적조건, 5 인력양성및교육 각핵심분야에서구체적결과물도출 2015 년 11 월정부주최의 IT 최고정책회의 (IT Gipfel) 에서 1 차결과물발표예정 자료 : 독일경제통상부 (BMWi) 자료종합, 포스코경영연구원 (2015) 에서재인용.

21 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 21 * 신산업구조비전의 7개전략 : 1 데이터활용촉진을위한환경정비, 2 인재육성및고용시스템유연성향상, 3 혁신적기술개발가속화, 4 금융기능강화, 5 산업구조및취업구조전환, 6 지역경제활성화, 7 제4 차산업혁명을위한경제사회시스템고도화 ( 중국 ) 중국은 2012 년 전략신흥산업 을발표한데이어, 2015 년에는중국의글로벌제조강국도약을위한 중국제조 2025 를제시 - 제12차 5개년국가전략신흥사업발전계획 (2012.7) 은중국경제사회전반에파급효과가큰전략적신흥산업의발전방향및주요과제를명시하고, 신기술및신성장동력산업에대한세계주요국의정책에대한대응방안마련 * 전략적신흥산업역량강화를위한 7대영역, 21개산업, 20대프로젝트선정 ( 금융지원, 지적재산권시스템, 해외고급인재유치, 글로벌협력기반강화등 ) - 중국제조 2025(2015.5) 는중국의글로벌제조강국도약비전을수립하고, 10대산업의발전계획제시 * (1단계 : 2025 년 ) 노동생산성제고및 IT-제조업융합을통한제조업제2 강국 ( 독일, 일본 ), (2단계 : 2035 년 ) 우위산업에서글로벌시장견인, (3단계 : 2049 년 ) 주요산업에서세계시장을선도하는제조업제1강국 ( 미국 ) 우리나라는제조업패러다임변화및최근제조업침체등에대응하여제조혁신정책을적극추진중 산업통상자원부는 제조업혁신 3.0 전략 (2014 년 6월 ) 을수립하여최근대두된제조혁신관련대응방안을제시

22 22 제조업의메가트렌드와정책과제 - 제조업과 IT+SW 융합을통해제조업의새로운부가가치창출및경쟁우위확보를목표로하며, 기업의제조혁신을위한환경조성에주력 - 특히스마트공장, 3D 프린팅등제조업전반에파급효과가클것으로예상되는첨단기술이슈에대한적극적대응방안마련 * 스마트공장보급및확산을위해 2020 년까지 1만개공장스마트화목표수립 * 3D 프린팅생산기반확충을위해별도의추진계획마련및관련법제정 2015 년 3월제조업혁신 3.0 전략의실행대책을마련하여추진방향및세부추진과제구체화 - 제조업과 IT의고도화 융합을통한생산현장, 제품, 지역산업생태계를개선하고, 성공사례를조기창출하여제조업전반으로확산 < 표 2-3> 제조업혁신 3.0 실행대책개요 4 대추진방향세부추진과제 스마트생산방식확산 창조경제대표신산업창출 지역제조업의스마트혁신 사업재편촉진및혁신기반조성 자료 : 관계부처합동 (2015). - 스마트공장보급 확산 - 8 대스마트제조기술개발 - 제조업소프트파워강화 - 생산설비고도화투자촉진 - 스마트융합제품조기가시화 - 30 대지능형소재 / 부품개발및사업화 - 민간 R&D 및실증투자촉진 - 창조경제혁신센터를통한제조업창업활성화 - 지역거점산업단지의스마트화 - 지역별특화스마트신산업육성 - 기업의자발적사업재편촉진 - 융합신제품규제시스템개선 - 제조업혁신을뒷받침하는선제적인력양성

23 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 제조혁신과 3D 프린팅 3D 프린팅은기존의제조방식과는완전히다른제조공정패러다임으로제조혁신의주요핵심요인중하나 3D 프린팅의제조방식은재료를절삭 (subtracting) 하여제조하는기존방식과달리재료를쌓아서물체를제작한다는점에서적층가공 (AM, Additive Manufacturing) 이라고불림. 4) - 적층가공은완전히새로운공정이아니라시제품제작등에사용되는기존의쾌속성형법 (Rapid Prototyping) 이진화및발전한것 < 표 2-4> 적층가공을의미하는여러가지용어 Rapid Prototyping 자료 : Allison and Scudamore(2014). E-Manufacturing Freeform Fabrication Generative Manufacturing Additive Layer Manufacturing Additive Manufacturing 3D Printing Rapid Manufacturing Constructive Manufacturing Direct Digital Manufacturing Additive Fabrication 4) 제조업관점에서는 3D 프린팅 보다는 적층가공 이더정확한표현이며, 3D Printing(3DP TM ) 은당초미국의 MIT 에서 PBP(Powder Bed and inkjet head 3D Printing) 라는명칭으로처음개발된후, Z-Corporations 사로기술이전되어 1995 년에 3DP TM 이라는명칭으로특허출원된기술임 ( 이후 Z-Corps 사는 3D Systems 사에인수합병되고, 3D Systems 사가 CJP(Color Jet 3D Printing) 라는보다쉬운명칭으로변경 ). 비록 3D 프린팅 이라는용어가사회적으로널리확산되었으나본문헌에서는가급적 적층가공 ( 또는 AM) 이라는표현을사용하였고, 3D 프린팅 ( 또는 3DP) 용어는일부혼용함.

24 24 제조혁신과소재산업 미래형스마트공장구축을위해서는기존제조공정과 ICT의단순한결합이아닌, 제조부문자체에서도큰변화가요구 - ICT 기술과직접적으로관련이없는 3D 프린팅, 로봇및신소재등의경우도스마트공장의성공을통한제조혁신의주요원동력중하나임. * 이들기술의원천적특성은비ICT 라하더라도, 이들기술활용의효율성증대를위해서는 ICT 기술과의연계가중요한요소임. 적층가공공정은소재기술과밀접한관계를가지며, 최근관련소재기술에대한관심이급증함에따라사업화속도는증가추세 - 적층가공의구현방법은여러가지가존재하며 5), 주로분말또는 < 그림 2-3> 미래스마트공장의주요구성요소 자료 : IOT ANALYTICS( ), 산업연구원재구성. 5) 미국재료시험학회 (ASTM, American Society for Testing and Materials) 는 2012 년 3D 프린팅공정의범주를 7 개로정의한바있으며, 이에관해서는 3 장에서보다구체적으로다루었음.

25 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 25 액상의플라스틱, 금속및세라믹등다양한재료를이용 - 3D 프린팅시스템은 2000 년대중후반부터높은관심을보였음에도불구하고금속및세라믹등의소재기술의한계로그활용이부진하였으나, 최근관련소재연구가급격하게증가할뿐아니라사업화속도역시급속하게증가 적층가공은부품제조보다는프로토타이핑등에활용되었으나, 최근에는기존의시장에더불어부품제조영역시장도최근급속히성장 - 적층가공은 1 복잡한형상또는, 2 소량맞춤형부품의생산에만적용되는것으로인지하고있으나, 3 고가소재의회수율증가로인한원가절감, 4 시장진출소요기간 (Time to Market) 감소와, 5 공급망관리의간소화필요시에도중요한대안임. < 표 2-5> 소재관련주요학술지의최근적층가공관련특집호출판동향 학회지명 Journal of Materials Research(JMR) Journal of Manufacturing Science and Engineering(JMSE) NIST Journal of Research JOM Materials Science and Technology(MST) Materials Technology Surface Topography: Metrology and Properties JOM Annual Review of Materials Research International Journal of Fatigue 자료 : Seifi et al.(2016). 출판 ( 예정 ) 일 2014 년 9월 2014 년 10월 2014 년 10월 2015 년 3월 2015 년 6월 2015 년말 2016 년초 2016 년 3월 2016 년중순 2016 년 10월

26 26 제조혁신과소재산업 - 앞과같은관점에서항공기및의료부품등에의활용에대한수요가급격하게증가할것으로예상되며, 일부산업기기용부품, 공구및주조용패턴 ( 사형및금형등 ) 등연속공정수요가크지않은분야에서현재적층가공의활용이우선적으로추진중인분야를중심으로지속적으로증가할것으로예상됨. * 자동차용일부부품등대량생산또는연속공정이중요시되는활용분야는상대적으로그활용증가추세가둔화되고있음. * 적층가공의다양한활용분야중에서기존부터활용되어오던분야 ( 주조용패턴등 ) 의경우, 그상대적비율은감소추세임도불구, 시장규모는지속적증가추세 < 그림 2-4> 연도별적층가공활용분야추이 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성. < 그림 2-5> 연도별적층가공활용산업추이 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성.

27 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 27 적층가공은 3D 스캐닝및디자인과연계시, 궁극적인 DDM(Direct Digital Manufacturing) 을통한스마트공장화가가능 - 3D 스캐닝및디자인과정을거친제품의 3D 설계도를제작공정및적층가공공정과통합함으로써전세계어디에서나동일한제품을생산할수있을뿐아니라, 아웃소싱의간편화및제조단계의단순화가가능해질수있음. - 이와같은개념적가능성에도불구, 프린팅방식에따라요구되는소재의형상및물성이다양하기때문에관련분야선진기업들은이에대한노하우및기술장벽을구축하여차별화를추진중임. - 소재기술은공정 (Process) - 물성 (Property) - 미세조직 (Micrtostructure) 이상호연계된기술로, 적층가공분야에서도이에적합한기 < 그림 2-6> 3D 스캐닝, 디자인및프린팅통합제조환경 자료 : Creaform 홈페이지.

28 28 제조혁신과소재산업 술개발이필수적이나, 국내는물론전세계적으로도동분야는아 직개척초기단계에머무르고있으며향후적층가공산업의성공 을결정하는가장중요한요인으로부각될것으로전망됨. 적층가공은기존제조의완전대체가아닌상호보완적위치에있음. 기존제조방식은대량생산을통해생산단가를낮추는것에최적화되어있는반면, 적층가공은재료손실최소화와동시에복잡한형상의제품을즉각적으로소량제작할수있는장점이있음. - 적층가공과기존제조공법의비용교차점위치는각각의공정에수반되는경상비용과관계가있는바, 대규모생산에서도적층가공을활용하기위해서는경상비용절감이필수적임. - 이와같이일반적으로적층가공의경우에는규모의경제발생효 < 그림 2-7> 전통제조공정과적층가공의비용구조 자료 : Frazier(2014).

29 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 29 < 그림 2-8> 전통제조공정과적층가공의비용구조 제품의복잡성관점 생산규모관점 3D 프린팅 기존제조공정 단위제조원가 저렴한 3D 프린팅공정초기비용 : 툴링 (Tooling) 비용불필요 ( 소량생산 ) 3D 프린팅원가우위 원가우위분기점 3D 프린팅비용추가절감 : 소재 / 장비성능및비용개선 ( 대량생산 ) 기존제조공정원가우위 소 제조규모 대 자료 : Roland Berger(2013). 3D 프린팅기존제조공정 자료 : Deloitte(2014). 과가미미하여현수준에서는대량생산에적합하지않으나, 형상복잡성에대한적층가공의비용민감도가낮은점등을고려하면, 적층가공이적합한최대생산규모는실제생산제품의특성에따라크게달라질수있음. - 적층가공비용은소재의대량생산으로인한판매가격인하, 후처리공정비용감소등으로향후지속적으로하락할것으로전망됨. - 그러나형상의복잡화와 3D 스캐너등과의통합등으로장비가동 < 표 2-6> 적층가공비용구조변화전망 단위 추세 생산속도 10cm3 /h 40cm3 /h 80cm3 /h 장비가격 500, , ,000 가동률 86% 84% 81% 분말가격 (SUS) EUR89/kg EUR70/kg EUR30/kg 후처리시간 1.52h/kg 1.05h/kg 0.96h/kg 금속재료용적층가공단가 3.1EUR/ cm3 1.6EUR/ cm3 1.1EUR/ cm3 자료 : Roland Berger(2013) 에서재인용, 산업연구원재구성.

30 30 제조혁신과소재산업 률이감소하고, 생산속도증가역시중장기적으로는둔화될것으로예상되어적층가공이기존제조공정을직접적으로대체하는것은어려울것 - 궁극적으로적층가공이기존제조공정대비비교우위를가지려면, 공정운용상의생산비용절감측면보다는기존제조공정으로생산이불가한새로운형상의설계를바탕으로성능또는수명주기등의개선을통한비용절감측면이더욱중요 * 생산비용절감측면에서적층가공에유리한제품은치과용품, 주문형설계제품등이있으며, 수명주기상유리한제품은몰드, 다이등과항공기부품이있음. - 상기와같은내용을감안시, 적층가공과전통제조공정이선호되는조건은서로차별적인바, 두공정은상호보완관계로발전가능 - 아울러, 적층가공의도입은다양한제조분야및제품에서서로다른파급효과를보일것으로예상됨. < 표 2-7> 적층가공비용구조변화요인 상승요인규모절감요인비고 관련신재료사용에따른비용증가 신공정도입에따른비용증가 > - < 자료 : Roland Berger(2013), 산업연구원재구성. 공정적용재료의중량감소로인한비용감소 조립감소로인한비용절감 수명주기개선으로인한비용절감 가까운미래에적층가공도입으로인한통상적인비용절감효과는상승요인보다크지않을것으로예상 따라서기존제조공정으로생산이불가한새로운형상의설계를바탕으로성능또는수명주기등의연장이적층가공성공에결정적요인

31 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 31 < 표 2-8> 전통제조공정과적층가공의선호조건비교 소량생산높은재료원가높은가공비용 자본투자물류및이송비용시제품 적층가공 전통제조공정 대량생산낮은재료원가손쉬운가공성중앙집중식제조공정 적층가공을통한제품생산의비용효과적시나리오 - 적층가공비용편익은제품생산및판매특징에따라달라지며, 이를활용하여이익을얻기위해서는이를고려한의사결정이필요 - 아래와같은시나리오에서적층가공이효과적으로활용될수있음. 시나리오 고가의제조비용 긴리드타임 높은보관비용 공급자단독입찰 원거리생산 높은수입, 수출비용 기능개선 자료 : Wohlers Associates(2015). 내용 복잡한제품형상, 높은고정비용, 적은생산규모등으로인해고가의제조비용이필요한부품 ( 시제품, 구기종의소모품, 항공기경량부품, 복잡한내부구조를가진냉각챔버등 ) 의경우, 3D 프린팅비용이더낮을수있음 특정부품의생산시간이오래걸리거나, 가동휴지시간으로인한비용소모가높은경우, 3D 프린팅이생산속도를향상시킬수있음 재고가너무많거나적을때, 구형제품의부품때문에어려움을겪는경우, 3D 프린팅은수요에부응하는효율적재고관리를가능하게함 중요한부품의공급자가적어공급사슬이취약한경우 3D 프린팅부품을활용하여단일공급자에대한의존을낮출수있음 관리가어렵고운반비용이높은원거리에서공장을운영하는경우 3D 프린팅은특정부품을현장생산할수있도록함 단순히사업처나공급자위치때문에많은수입 / 수출비용이지불되고있는경우 3D 프린팅은현장생산을가능하게하여비용을절감 3D 프린팅을활용하는경우, 이전보다부품의성능을개선할수있는새로운디자인이가능함

32 32 제조혁신과소재산업 < 그림 2-9> 적층가공도입으로인한분야별향후파급효과 자료 : Roland Berger(2015). - 이와같은특성을고려하여예상되는적층가공응용분야의산업별 시나리오는 < 그림 2-10> 과같이나타낼수있음. < 그림 2-10> 산업별적층가공적용시나리오 자료 : Srinivasan and Bassan(2012).

33 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 33 적층가공은새로운부품또는제품의생산뿐아니라, 유지 보수등의분야에서도효과적으로활용될것으로예상 3D 설계도만있으면즉시제품생산이가능한적층가공의특징은저비용, 단기간에고객의수요와일치하는제품생산을가능하게하기때문에사후시장 (aftermarket) 에대한기여도가높아질것으로기대 - 신규제품대체에고비용이소요되는항공우주, 전력, 에너지, 건설등의분야의유지보수및성능개선을포함한 MRO(Maintenance Repair and Operation/Overhaul) 산업전반에효과적으로활용될것으로예상 * 적층가공은상기의생산적측면이외에도재고관리및보관이불필요하며, 단종된제품에대해서도필요한부품을즉시생산할수있다는장점이있음. - 이외에도대량생산을위한각종패턴또는몰드 ( 금형, 사형, 다이스등제작도구 ) 제작에도적층가공의기여도가높을것으로예상 3D 프린팅을활용한유지보수비용절감효과 - PwC(2014) 의분석에따르면, 전세계항공우주산업 MRO 시장에서부품의 50% 를적층가공으로제작할경우, 약 3 억 4,000 만달러의 MRO 비용이절감될것으로예측 - 3D 프린팅을이용하면부품의재료및운송비용등에서비용절감가능 자료 : PwC(2014).

34 34 제조혁신과소재산업 3D 프린팅서비스시장의확대가속은기존가치사슬의변화뿐아니라새로운가치사슬을생성 장소에구애받지않는 3D 프린팅제조방식은제조업의기존가치사슬에혁신적변화를유발 - 적층가공은이론적으로제품개발, 시제품제작, 생산이현장에서즉시이루어질수있으며, 재고가줄고물류관리비용이감소하기 < 표 2-9> 3D 프린팅서비스공급자유형 유형 개인 3D 프린팅서비스숍 온라인장터 ( 커뮤니티 + 시장 ) 3D 프린팅전문서비스업 제조업자 개요 3D 프린터를보유한개인이개인소비자를대상으로물건을제작 / 판매 : 대부분별도의소매점포를가지고있지않으며, 3D Hubs 와같은온라인네트워크를통해고객유치 유형의점포를가진 3D 프린트숍으로, 3D 프린팅출력과함께디자인또는엔지니어링서비스등을제공. Office Depot, Staples, UPS, La Poste 등의업체가있음. 최근유럽, 미국, 아시아일부지역에서이러한숍이출현. 산업고객보다는개인소비자를타깃으로하는경우가많고, 대개많은수의저가형 3D 프린터 (FDM 방식등 ) 를운영 부품의디지털라이브러리와 paid-parts 서비스를제공하는온라인마켓플레이스. 이러한온라인커뮤니티는 i.materialise, Ponoko, Sculpteo, Shapeways, Thingiverse 등의브랜드가있으며, 최근 Threeding, 3DLT, 3DShare, Rinkak, Layer by Layer 등이추가됨. 이들대부분은 B2C 를중심으로하지만, 몇몇대기업은비즈니스고객을대상으로하기도함 산업용 3D 프린팅시스템으로만들어진부품을포함한방대한영역에서 OEM, 디자인, 설계등전문서비스를제공. 이들은산업용 3D 프린팅프로세스전문가로디자인, 엔지니어링, 컨설팅, 3D 스캐닝등의서비스를종합적으로제공하며, 우레탄 (urethane) 포밍, 금속주조, 공구제조, 사출성형, CNC 가공등의서비스를제공하기도함. 시제품제작및사전제작물량이이들의주요시장이며, 다수가계약생산 (contract manufacturing) 으로이동하고있음 3D 프린팅시스템제조업체가 paid-parts 서비스를제공하기도함. Digital Metal, DM3D 와같은기업은자사의 3D 프린팅장비를이용하여제작한부품을판매하지만상업적으로 3D 프린팅시스템을제공하지는않는반면, Stratasys, 3D Systems 를포함한다수는장비와서비스모두제공함 자료 : Wohlers Associates(2015), 산업연구원수정.

35 제 2 장제조혁신과 3D 프린팅 35 때문에전통적제조공정대비상대적으로단순한가치사슬보유 - 따라서주문제작비중이높아지고 3D 프린터에대한소비자접근성이개선될것으로예상되며, 3D 프린팅용설계도면의거래가증가하고로컬 3D 프린터를이용한제품생산이증가할것으로기대 - 결국국가및지역간제품이동대신디지털파일의거래가증가하고, 이는기존공급망에혁신적변화를야기할수있음. 3D 프린팅환경이활성화됨에따라제품의 3D 설계도면의디지털파일을중심으로다양한서비스모델이등장하고있으며, 새로운가치사슬을생성할것으로기대 - 설계도디지털파일의공유와거래, 개선뿐만아니라이를받아서제품을출력해주는 Paid-parts 서비스 6) 등이확대되고있음. - 금속 3D 프린팅의보급이증가하면서, 개인소비자뿐만아니라산업용소비자를대상으로한서비스도증가추세 * 3D 프린팅서비스공급자가차지하는시장은전체 3D 프린팅시장의약 32% 에육박하고있으며, 3D 프린팅으로제작된금형, 다이스등제작도구와이를활용해생산된 2차시장을포함하면서비스공급자가차지하는시장은전체의 51% 에달함 (Wohlers Associates, 2015). 한편 3D 프린팅을이용해제품제조에대한진입장벽이낮아지면서 발생하는부작용도존재 개인의제품생산이가능해지면서무기류 ( 총기, 폭탄등 ), 마약, 안정 6) 고객이제공한 3D 설계도면에따라 3D 프린팅한물건을판매하는서비스.

36 36 제조혁신과소재산업 < 표 2-10> 3D 프린팅산업에대한우려 우려사항 프린팅범죄 지식재산권침해 기존산업에대한피해 제조물책임및윤리문제 환경오염문제 자료 : 김현창 (2015). 개요 3D 설계도면만있으면 3D 프린터를이용해개인이총기등무기류를제작하여범죄또는테러에이용할수있으며, 이를사전에방지하는것이어려움 지식재산권을받은디자인이나창착물을 3D 프린팅하는형태의침해사례가발생할수있음. 현재는기존제품의디자인이나방송콘텐츠등을제품화하는침해사례가다수이며, 향후의약품복제등의특허침해도발생가능 3D 프린팅은금형, 공작기계, 의료용보형물제작등직접적으로관련되는산업을대체할것으로전망되고있으며, 이에따라관련산업의일자리감소우려 3D 설계도면을받아제작한제품에서발생한안전사고, 제품의불법적 ( 또는비윤리적 ) 사용에대한책임소재문제발생가능 개인용 3D 프린터로널리보급된 FDM 방식의경우, 주로필라멘트형태의플라스틱소재를사용하는데, 플라스틱소재사용확대로인한환경오염문제가나타날수있음. 또한 3D 프린팅과정에서인체에유해한물질이배출될수있고, 전력소비증가에대한우려도있음 성이검증되지않은제품 ( 식기등 ) 등의불법적인제작및유통확산 우려 7) 실제제품이아닌 3D 설계도면의거래증가는디지털파일의불법유 통등으로지식재산권이슈를야기할수있으며, 그밖에도기존관련 산업에대한피해, 제조물책임및윤리문제, 환경오염문제등우려 7) TechRepublic, The dark side of 3D printing: 10 things to watch, 참고.

37 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 1. 3D 프린팅의유래및현황 3D 프린팅의발전 적층가공개념에기초한최초의 3D 프린터가 1980 년대에발명된이후그적용분야는크게변화 - Charles Hull( 美 ) 이광고분자 (photopolymer) 의적층기술을발명한이후, 여러소재에대하여다양한공정이개발되어현재에이름. 최초의적층가공기술이발명된이후, 1990 년대초반까지현재사용하고있는다양한형태의 3D 프린팅기술방식대부분이개발됨. - 현재금속재료의적층가공에가장활발하게활용되고있는 SLS 기술의경우에도 1987 년경개발이착수되어, 1992 년최초로상용기기가제작된오랜역사가있는기술임 년 EBM 및 1998 년 LENS 등 1990 년대후반에도새로운기술이

38 38 제조혁신과소재산업 < 표 3-1> 적층가공기술의개발연혁 등장하였으나, 이들모두기존방식을개선한기술에해당 2000 년대이후에는 3D 프린팅을이용해다양한제품의제작이시도 되고, RepRap 프로젝트등을통해 3D 프린팅의대중화가진행 - SLA, FDM 등의 3D 프린팅원천기술특허가만료되기시작하면서, 이를활용한 3D 프린팅오픈소스프로젝트 (RepRap) 가 3D 프린팅 대중화에기여 기술약어개발기간 Stereolithography SLA 1986~1988 Solid ground curing SGC 1986~1988* Laminated object manufacturing LOM 1985~1991 자료 : Beaman et al.(1996). 주 : * 1999 년생산중단. Fused deposition modeling FDM 1988~1991 Selective laser sintering SLS 1987~1992 3D printing 3DP 1985~1997 적층가공기술이기존의시제품차원에서최종제품에응용되기시작 하면서관련인증의필요성대두 < 그림 3-1> 적층가공기술수용연혁 자료 : Deloitte(2014).

39 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 39 < 표 3-2> 3D 프린팅의발전과정 연도주요사건내용 1984 Charles Hull 의 SLA 발명 ( 최초의 3D 프린팅기술 ) 1986 SLS 기술의발명및상용화 sterolithography(sla) 기술은레이저를이용해액상의폴리머를적층및경화시키는방식. 찰스헐은 3D Systems 사를공동설립하고, 1987 년이기술이적용된기기의판매를시작 1986 년 SLS(Selective laser sintering) 기술이발명되었고, 1992 년 DTM(3D Systems 에인수됨 ) 이최초로상용기기를제작. SLS는최초로상업화된 powder bed fusion 방식으로, 고체분말을레이저빔으로용해 / 소결하여제조 제1회 Solid Freeform Fabrication Symposium 개최에서개최최초의적층가공 (AM, Additive Manufacturung) 관련학회가미국 1990 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술은필라멘트형태의열가소 1991 FDM 상용화 성소재를압출하여형상을제조. 오늘날많은소비자용 3D 프린터의기초가됨 3D Systems 사최초의 SLA 3D Systems 가생산한 SLA 장비는복잡한플라스틱부품을빠르게 1992 장비생산제작할수있는 rapid prototyping 분야의급성장을유도 1994 Arcam 사 EBM 기술 Arcam 사의 EBM(e-beam melting) process 는현재고가의금속부품특허출원의 3D 프린팅에널리활용 1998 최초의 LENS 3D 프린터판매 2002 보청기제조 LENS(laser engineered net shaping) 방식의 3D 프린터가최초로상용화. 이기술은고출력레이저를이용해분말을용해시킨후, 그것을용융풀에주입하여형상을제조 Siemens 사와 Phonak 사가 AM 기술이대량의맞춤형제품을생산할수있는초기사례로보청기제조 2005 RepRap 프로젝트 3D 프린팅대중화를목표로한오픈소스프로젝트 RepRap 이시작 2009 ASTM F42 위원회설립 AM 관련하여 ASTM 에 F42 위원회가설립. 위원회는 AM 분야의개념을정립하였고, 파일포맷을포함한완성된표준을마련하는역할을수행 미국국립과학재단과해군연구소가 Roadmap for Additive Manufacturing 2009 미국정부의로드맵지원 Workshop: Identifying the Future of Freeform Processing 을후원 2010 미국해군워크숍개최 미해군은 Direct Digital Manufacturing of Metallic 에관한워크숍을개최 2011 최초의무인드론제작 영국의 Southampton 대학은 3D 프린팅을이용해최초의무인드론을제작. 3D 프린팅은기존제조방법으로불가능했던설계를가능하게하였고, 항력 (drag) 감소및효율개선에도효과를봄 2012 America Makes 설립 미국은 3D 프린팅을이용한제조기법을연구하기위하여국립적층가공연구소 (The National Additive Manufacturing Innovation Institute) 를설립 ( 현 AmericaMakes ) 2012 미국 NIST 가 Measurement Science Roadmap for Metal-Based Additive Manufacturing 워크숍을개최하여재료, 프로세스, 장비, 자격, NIST 가금속 3D 프린팅도전과제검증추진인증, 모델링, 시뮬레이션의도전과제검증을추진 자료 : Robinson and Scott(2014).

40 40 제조혁신과소재산업 년에는관련표준안마련을위해미국재료시험학회 (ASTM) 내에관련위원회 (F42) 를설립하였으며, 3D 프린팅관련위원회를구성하고기술정의및표준화착수 2010 년이후에는 3D 프린팅의대중화가본격적으로시작되었고, 산업적활용이더욱가속화 - 적층가공기술은초기에는주로제품설계와관련있는작업 ( 쾌속성형및개념모델링등 ) 에주로응용되었으나, 2010 년대이후부터 < 그림 3-2> 적층가공의최근응용분야및잠재적적용분야 자료 : Royal Academy of Engineering(2013).

41 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 41 8) 3D 프린팅의기술성숙도현황 - Gartner 의 hype-cycle 에의하면, 3D 프린팅에대한시장기대수준은연도별로큰차이를보임 년까지 3D 프린팅은세부분야없이전체적으로시장기대치의최고점에위치하였으며, 3D 바이오프린팅과 3D 스캐닝은기술도입단계에머무르는것으로나타남. - Gartner 는 2013 년부터개인용 (consumer) 과기업용 (enterprise) 3D 프린팅으로구분하여이를제시하기시작 8) 년그래프에의하면기업용 3D 프린팅은이미시장기대치의거품이제거되고안정적사업화에접어들어 5 년이내에시장성장 - 성숙단계에진입할것으로전망되었고, 개인용 3D 프린팅은과거의시장수요거품이제거되는단계에있음을보여줌 ( 이는플라스틱재료기반개인용프린터의선도기업의경영실적악화와금속재료기반의기업용프린터선도기업의경영성과호조와무관하지않음 ). - 한편, 3D 스캐닝의경우기업용 3D 프린팅의경로를 2014 년에이미지난것으로나타나고있어, 2015 년그래프에는나타나지않음 ( 삽입그래프참조 ). Hype cycle for emerging technologies (Gartner, 2012) 3D Printing 3D Scanners 3D Bioprinting Hype cycle for emerging technologies (Gartner, 2014) 3D Scanners Hype cycle for emerging technologies (Gartner, 2015) Enterprise 3D Printing Consumer 3D Printing 3D Bioprinting Systems for Organ Tansplant Enterprise 3D Printing 자료 : Gartner, Hype cycle for emerging technologies, 2012; 2014; ) 개인용 (consumer) 3D 프린팅 : 일반가정또는프로슈머 (prosumer) 의 3D 프린터관련시장을의미하며, 비용이저렴한 FDM 방식의 3D 프린터가주를이룸. 3D 프린터의가격은약 500~2,500 달러수준으로이전보다많이저렴해졌으나, 아직까지일반소비자에게는진입장벽이높은것으로평가됨. 기업용 (enterprise) 3D 프린팅 : 제품설계, 개발, 시제품제작, 완제품제작등 3D 프린터의산업적활용시장을의미하며, 목적에따라다양한소재및프린팅기술방식을활용. 항공산업, 자동차산업등다양한분야에서활용이확산되고있으나, 아직까지는여러한계로인해시장진입초기단계에머물고있는것으로평가됨.

42 42 제조혁신과소재산업 는실제제품또는부품제조에활용되기시작하면서현장에서의인지도가급속하게부각 - 또한, 적층가공에대한활용및인식확산에따라 3D 프린터제조업체뿐만아니라관련서비스를제공하는기업이나타나기시작 - 최근에는적층가공을통한항공기부품제조의상용화및성공사례가급속하게보고되고있어, 향후기타산업에파급효과가클것으로전망 - 아울러, 3D 프린팅의한계 ( 속도, 가격등 ) 개선을위한기술개발및생체재료의 3D 프린팅 ( 바이오프린팅 ) 등의연구개발도활발하게진행중 시장현황 [ 시장규모 ] 전세계 3D 프린팅시장규모는 2015 년약 51억달러로, 2010 년이후매년 20~40% 수준의빠른성장세를보이고있음. - ( 제품 ) 3D 프린팅제품시장은 2015 년 23억 6,500 만달러규모로 2014 년 19억 9,700 만달러대비 18.4% 성장하여, 전년성장률 31.5% 보다는낮은수준이지만여전히타산업대비높은성장률을보임. - ( 서비스 ) 3D 프린팅을이용한서비스부문의시장규모는 2015 년 28 억달러규모로 2014 년 21억 500만달러규모대비 33% 성장하여, 전년도성장률 38.0% 와유사한매우높은수준의성장세를유지 - 제품및서비스분야모두지속적으로성장하고있으며, 특히 2010

43 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 43 년이후그규모가급격하게증가추세인것으로나타나고있는데, 이는전술한바와같이 2010 년대이후부터실제제품또는부품제조에활용되기시작했기때문임. - 하지만연도별성장률및 3개년이동평균추이를살펴보면, 기존의급속한성장률은최근 1~2년사이둔화되는것으로나타나고있는바, 관련시장이성장주기상성숙단계에진입하고있음을간접적으로보여주고있으며, 이는 Gartner 의 Hype Cycle 과도일관된내용을시사하고있음. * 시장성장률증가의주요요인은항공및산업용기기산업에서의기능성부품제조증가이며, 감소요인은소비재활용의둔화에서기인 (2장참조 ) [ 시장수요 : 최종제품에의응용 ] 불과수년사이에적층가공의활용분야가부품의직접제조분야까지확장됨에따라, 일부산업에서의수요가급속하게증가 - 복잡한설계변수와소량맞춤형생산특징이강한항공, 산업기기및의료산업등에서적층가공을통한수요가강하게발생하고있으며, 특히항공및산업기기분야는시장규모뿐아니라시장점유 < 그림 3-3> 전세계 3D 프린팅시장규모및연도별성장률추이 자료 : Wohlers Associates(2016) 를기반으로산업연구원재구성.

44 44 제조혁신과소재산업 율모두에서급속하게성장하고있으나의료분야는제조기술문제보다는생체적합성등의문제로시장확장이상대적으로지연되는경향을보임. - 기존부터꾸준한수요가있던, 공구및주조용패턴 ( 사형및금형등 ) 등도안정적인증가세를보이고있는반면, 연속공정및대량생산등이중요한변수인자동차및소비재산업에서는시장규모증가세가주춤하고있으며, 상대적시장점유율은오히려감소하는경향 * 제품단위에서는기능성부품의제조가급격하게증가하고있는것으로나타나고있는데, 이를위해서는필연적으로금속재료기반적층가공수요의증가를유발 < 그림 3-4> 연도별적층가공활용산업추이 (2장에서재인용 ) 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성. < 그림 3-5> 연도별적층가공활용분야추이 (2 장에서재인용 ) 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성.

45 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 45 [ 기술수요 : 금속재료기술수요증가 ] 항공및산업기기분야에서최종제품제조수요의증가는기존의시제품제작과는다른기술적수요를유발 - 기존의시제품및견본제작때와는달리, 최종제품의제조를위해서는상대적으로금속재료기반공정이더크게요구되는바, 이와같은흐름을반영하여최근금속재료적층가공장비의판매성장률은전체적층가공시장의성장률을크게상회하고있음. * 최근시판되는제품이기존대비우수한효율성 ( 높은생산속도, 대형화등 ) 을보유하고있음을감안시, 이들금속재료용장비를통하여생산되는제품의시장규모성장률은장비판매성장률보다훨씬클것으로예상됨. - 적층가공용소재별시장규모추이를살펴보면, 항공산업등에서의수요증가등에기인하여최근금속재료기반적층가공시장의성장이두드러지고있음. < 그림 3-6> 전세계금속재료 3D 프린팅장비판매추이 자료 : Wohlers Associates(2016) 를참고하여산업연구원재구성.

46 46 제조혁신과소재산업 < 그림 3-7> 적층가공용소재시장규모및성장률 왼쪽그래프는연도별성장률, 오른쪽은소재별성장률을전체성장률로표준화하여나타낸것임. 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성. [ 향후전망 ] 전세계 3D 프린팅시장규모는향후 5년동안연평균 30% 내외의고속성장을지속할전망 - 시장조사기관별적층가공시장의구체적규모에서는다소차이가있으나, 매년약 25~35% 의성장을통하여 2020 년에서는약 200억 ~ 300억달러의시장을형성할것으로예측 * Wohlers Associates(2015) 는전세계 3D 프린팅시장이 2020 년약 210억달러규모로성장할것으로전망하였으며, IDC(2015) 는 2019 년약 267억달러규모가될것으로전망

47 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 47 - 최근전세계제조업시장규모는약 12조 8,000 억달러규모로예상되고있는데, 장기적으로 3D 프린팅은전체제조업의 5%( 약 6,400 억달러 ) 비중을초과할것으로예상되고있음 (Wohlers Associates, 2015). - 3D 프린팅시장은프린팅시스템및소재가격이저렴해지고, 사업적활용이더욱확대되면서최근시장규모가더욱빠르게성장하는추세 - 최근수년동안전망된적층가공시장규모예측치는다른분야와는달리, 실제시장형성규모가당초예측치를추월하는현상발생 * 2013 년의시장예측규모대비후년도시장예측규모가월등히크게나타나고있는점은당초예측보다적층가공시장이급속히활성화되고있는점을시사하는것이며, 2014~2016 년의시장예측치가거의유사하게나타나는점은관련시장의불확실성감소되고있음을의미 ( 백만달러 ) < 그림 3-8> 3D 프린팅시장전망 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성.

48 48 제조혁신과소재산업 2. 3D 프린팅기술및관련소재 기술개요및현황 적층가공은전통적제조공정과개념상큰차이가있어, 새로운제조패러다임으로부각 - 적층가공의파괴적혁신성에도불구하고기존제조공정을대체하기에는무리이며, 해결되어야할과제역시산적한상황 - 이와같은적층가공의현실과기존제조공정과의차별점을감안하여, 최근에는이들을상호보완적으로융합하여활용하는하이브리드제조 (Hybrid Manufacturing) 가주요이슈로부각 < 그림 3-9> 적층가공의장점및주요해결과제 자료 : 산업연구원작성.

49 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 49 적층가공공정기술의전반적유형 미국 ASTM 에서는적층가공공정전체의범주를크게 7개로구분하고 (2012 년 ) 이에대한표준용어를정의한바있으며 9), 미국외에독일, 일본등에서도전반적으로이분류를따르는추세 - ASTM F42(Additive manufacturing technologies) 위원회는 ISO TC261(Additive manufacturing) 과협력하여 3D 프린팅국제표준화를주도 * 2009 년설립된 ASTM F42 위원회는격년주기로기술미팅을개최하며, 2015 년기준약 320개회원사를보유하고있고테스트방법 (F42.01), 디자인 (F42.04), 재료및프로세스 (F42.05) 등 7개서브위원회로구성됨. * ISO( 국제표준화기구 ) 는 2011 년적층가공 (3D 프린팅 ) 분야의표준화를위한기술위원회 (TC) 를구성하였고, 현재 21개국가가참여하고있음. 10) - 우리나라는국내산업여건및 Sheet Lamination 기술의진부화등을고려하여 7개분류중 Sheet Lamination 을제외한 6가지방식에집중할것을발표 ( 미래부 산업부, 2014) 적층가공공정은사용소재와그특성에대한의존도가매우높음. - 소재의형태또는상 ( 相, Phase) 을기준으로구분하면액상, 고상, 분말기반으로나눌수있음. 9) Standard Terminology for Additive manufacturing Technologies(ASTM, 2012) 에서는 7 가지공정기술로 binder jetting, directed energy deposition, material extrusion, material jetting, powder bed fusion, sheet lamination, vat photopolymerization 를규정하고있음. 10) (Participating countries) 벨기에, 캐나다, 중국, 덴마크, 핀란드, 프랑스, 독일, 아일랜드, 이탈리아, 일본, 대한민국, 네덜란드, 노르웨이, 폴란드, 러시아, 싱가포르, 스페인, 스웨덴, 스위스, 영국, 미국 (Observing countries), 체코, 이란, 이스라엘, 뉴질랜드, 루마니아, 남아프리카.

50 50 제조혁신과소재산업 < 표 3-3> 3D 프린팅공정기술의유형과관련소재, 특징및기업 기술분류기술명개요소재 VAT Photopoly merization Binder Jetting Material Jetting Material Extrusion Direct Energy Deposition (DED) Powder Bed Fusion (PBF) Sheet Lamination Stereolithography Digital Light Processing 3D Printing Ink-jetting S-Print M-Print PolyJet Ink-jetting Thermojet Fused Deposition Modeling (FDM) Direct Metal Deposition Laser Deposition Laser Consolidation Electron Beam Direct Melting Direct Metal Laser Sintering Selective Laser Melting Electron Beam Melting Selection Laser Sintering Ultrasonic Consolidation Laminated Object Manufacture 수조 (vat) 의액상포토폴리머에빛을선택적으로조사하여광활성중합을유도 분말형태모재위에접착제를선택적으로분사하여모재를결합 방울형태의액상재료를토출하고, 자외선등으로경화시킴 고온가열한재료를노즐을통해선택적으로압출하여물체형성 집속된열에너지로재료를용융후증착 레이저나전자빔등고에너지열원을모재인분말베드 (bed) 의특정영역에주사하여선택적으로용융 박판형태의재료를서로접착하여제작 포토폴리머세라믹 장점및해결과제 빠른공정 고정밀도 저렴한비용 적용가능소재부족 광범위한재료 금속적용가능폴리머 비용저렴세라믹 후처리필요 포토폴리머왁스 폴리머 빠른공정 고정밀도 다중재료의사용가능 적절한가격 공정에적합한 재료가한정적 빠른공정 큰생산부피 표면마감열악 별도지지필요 실시간합금화금속 높은표면강도 ( 파우더, 유지보수용이와이어 ) 공정복잡 금속폴리머세라믹 높은정밀도 높은밀도 (99.5% 이상 ) 낮은공정속도 비용높음 주요용도 프로토타입 장난감 지그등 비구조용금속부품 색상이있는홍보용견본 가전일부 자동차대시보드등 공구일부 기계적성능이 요구되지않는 3차원형상 조명기구등 기계적특성이중요하지않은최종제품 기존제품의유지보수 공구 치과재료 기계및 구조용부품일부 2~3차 작은생산부피구조물 대형생산부피 Hydrid 복합재생산 비구조형금속가능대형제품세라믹 재료이방성 성숙기술 주요기업 EnisionTEC( 독일 ) DWS Srl( 이탈리아 ) Lithoz( 오스트리아 ) 3D Systems( 미국 ) 캐리마 ( 한국 ) ExOne( 미국 ) VoxelJet( 독일 ) 3D Systems( 미국 ) Stratasys( 미국 ) LUXeXcel( 네덜란드 ) 3D Systems( 미국 ) Optomec( 미국 ) Stratasys( 미국 ) Delta micro Factory( 중국 ) 3D Systems( 미국 ) DM3D( 미국 ) NRC-IMI( 캐나다 ) lrepa Laser( 프랑스 ) Optomec( 미국 ) Trumpf( 독일 ) Sciaky( 미국 ) Lincoln Electric( 미국 ) 인스텍 ( 한국 ) EOS( 독일 ) Renishaw( 영국 ) Phenix Systems( 프랑스 ) Matsuura Machinery( 일본 ) ARCAM( 스웨덴 ) 3D Systems( 미국 ) Fabrisonic( 미국 ) CAM-LEM( 미국 ) 자료 : ASTM(2012), Manfredi(2014), Bandyopadhyay(2015), 미래부 산업부 (2014), Allison and Scudamore(2014), University of Twente 홈페이지를참고하여산업연구원재작성.

51 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 51 < 그림 3-10> 적용소재의상 ( 相 ) 형태에따른 3D 프린팅공정기술의종류 자료 : Kruth(1991) 를참고하여산업연구원수정. - 아울러, 플라스틱등고분자, 세라믹및금속등소재종류에따라 적층가공공정의활용도및적합성역시다름. < 표 3-4> 3D 프린팅공정기술과적합소재 VAT photopoly Material merization Jetting extrusion Material Sheet lamination Binder jetting bed Powder Direct fusion energy deposition 고분자및 고분자혼합체복합재료 금속 경사기능성재료및 하이브리드재료 * 세라믹 정밀주조몰드 사형주조몰드와중자 종이 자료 : Wohlers Associates(2015), 강민철 (2016). 주 : 활용정도 ( : 높음, : 보통, : 낮음 ). * 하이브리드재료 (Hybrid materials) 는대개 ultrasonic additive manufacturing 을사용하여제조되고, 경사기능성재료 (Graded materials) 는 directed energy deposition systems 사용.

52 52 제조혁신과소재산업 < 표 3-5> 3D 프린팅기술유형별생산단계 연속생산 / 대량생산 Material Jetting Material extrusion Binder jetting Powder bed fusion Binder jetting 시제품 개인용 자료 : Roland Berger(2015). 고분자 주물사, 세라믹등 Direct Powder energy bed fusion deposition ( 레이저 ) ( 전자빔 ) 금속 Binder jetting - 산업용제품및관련분야에주로활용되는기술로는금속재료에 PBF 와 DED, 세라믹및사형제조용으로는 BJ 등이속하며, 이들기 술은최근시제품뿐아니라연속공정등이가능한수준에도달 금속재료용 3D 프린팅시장동향 최근까지, 특히국내에서 3D 프린팅관련정보는대부분적용소재에관심을두지않거나, 폴리머 ( 플라스틱 ) 소재기반의개인용 3D 프린팅에집중되어온것이사실 - 하지만최근몇년사이에산업용 ( 기업용 ) 3D 프린팅기술이급속하게발전하고있고, 현장에서의사업화사례도항공, 산업기기와일부생체용임플란트제품을중심으로보고되고있음. - 이들산업용 3D 프린팅은금속재료를위한 3D 프린팅이대부분으로규모및성장성면에서중요할뿐아니라, 기술적난이도가높아

53 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 53 선진국에서는관련분야의연구개발이급속하게증가하는추세임. * 플라스틱소재의경우에도산업용제품으로다수활용되고있으나, 관련기술이비교적보편화되어있는반면, 금속재료는우수한기계 물리적성질및높은기술수준을요구하며높은부가가치를보유하고있어, 미래먹거리분야로관심이집중되고있음. - 현재금속 3D 프린팅은기존의금속가공 ( 소성가공, 절삭가공등 ) 대비정밀도, 강도등이낮고대량생산의어려움등경제성확보에어려움이있지만, 3D 프린팅특유의장점 ( 자유로운디자인, 즉시생산등 ) 을기반으로활용영역이최근수년전부터급속하게확대되는상황임 년대이후다양한금속 3D 프린터의출시와소재생산업체의경쟁으로가격또한하락하면서금속 3D 프린팅시장의성장세가가속화되고있음. - 금속 3D 프린팅장비는 2015 년약 800여대가판매되었는데, 2012~13 년, 2013~14 년및 2014~15 년의성장률이각각약 75%, 56% 및 47% 를기록하는등급속한성장세를보이고있음. 금속재료용프린터의경우, 플라스틱용및개인용프린터와달리독일을중심으로한유럽국가가강세임. < 표 3-6> 금속재료용 3D 프린팅장비판매대수및성장률추이 단위 : % 판매대수 성장률 자료 : Wohlers Associates(2014; 2015; 2016) 를참고하여산업연구원재구성.

54 54 제조혁신과소재산업 - EOS, Concept Laser, SLM Solution 사등독일기업이전체시장의 50% 이상을차지하고있으며, 특히 EOS의시스템은현장에서의만족도가높아향후시장점유율이더욱확대될것으로전망 - 그밖에스웨덴 Arcam, 영국 Renishaw, 미국 ExOne 등이비교적높은판매량을보이고있고, 미국의 3D Systems 는금속 3D 프린팅시장을확보하기위해 2013 년 Phenix Systems 사를인수합병 - 또한독일의 DMG Mori, Trumpf 사와같은공작기계분야글로벌기업이금속 3D 프린팅에참여하기시작하면서, 시장경쟁이더욱치열해지는추세임. * DMG Mori 사는자사의기존전문분야인절삭가공과적층가공을결합한하이브리드모델을출시하였고, Trumpf 는자사의레이저기술을활용한 DED 방식의 3D 프린터출시 < 표 3-7> 금속재료용 3D 프린터생산주요기업별판매대수 (2014) 단위 : 대수 국가 기업명 기술분류 판매량 Concept Laser PBF(LS) 111 EOS PBF(LS) 100 독일 SLM Solutions PBF(LS) 62 Realizer PBF(LS) 15 Voxeljet BJ 14 Trumpf DED 9 스웨덴 Arcam PBF(EBM) 42 미국 Exone BJ 28 영국 Renishaw PBF(LS) 26 프랑스 Pheniex Systems* PBF(LS) 15 자료 : Roland Berger(2015). 주 : 1) PBF(Powder bed fusion), DED(Directed energy deposition), BJ(Binder jetting), LS(Laser sintering), EBM(Electron beam melting). 2) * Phenix Systems 사는 2013 년 3D Systems( 미국 ) 사가인수합병.

55 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 55 < 그림 3-11> 금속재료용적층가공제조관련선도기업현황 자료 : Roland Berger(2015). 금속재료용적층가공시스템제조분야업체현황 <2012 년 > 약 190 여개의금속용적층가공시스템판매 선도업체의대부분은독일에위치하고있으며, 금속적층가공시스템시장의 69% 를차지 DM3D 의 POM 합병 연간 2 대이하의시스템판매자에게는 Beijing Longyuan(CHN), DM3D(USA), Fabrisonic(USA), IrepaLaser/ BeAM(FRA), Insstek(KOR), Matsuura(JPN), Sciaky(USA), Optomec(USA), Wuhan Binhu Mech. & Elect.(CHN) 등이있음. <2014 년 > 약 540 여개의금속용적층가공시스템판매 선도업체의대부분은독일에위치하고있으며, 금속적층가공시스템시장의 60% 를차지 3D Systems 의 Phenix Systems 합병 (2013) 기타소형연간 2 대이하의시스템판매자에게는 Beijing Longyuan(CHN), DM3D(USA), Fabrisonic(USA), Irepa Laser/ BeAM(FRA), Insstek(KOR), Matsuura(JPN), OPM Lab(JPN), Sciaky(USA), Optomec(USA), Wuhan Binhu Mech. & Elect. (CHN), Sisma(ITA) 등이있음.

56 56 제조혁신과소재산업 < 그림 3-12> 금속재료용 3D 프린팅 (PBF 분야 ) 주요기업의시장점유율 자료 : Wohlers Associates(2015). < 그림 3-13> 금속재료용적층가공서비스관련선도기업현황 금속재료용적층가공서비스분야기업현황 약 90 여개의업체가활동중 대부분의기업은 100 인미만의독립적인중소기업 이들중약 10% 정도의업체가항공기부품등기술수준이높은분야의서비스능력을보유 대부분의기업은서로차별화된경험을바탕으로한상이한사업모델을보유 자료 : Roland Berger(2015). 한편, 금속 3D 프린터의판매량및활용도가높아지면서미국과독일 을중심으로금속프린팅서비스제공업체도최근동반증가하고있음. 금속재료용 3D 프린팅핵심기술동향 현시점에서금속재료용 3D 프린팅기술중사업화를가장성공한유형은 Powder Bed Fusion(PBF) 방식이며, 그다음으로는 Direct Energy Deposition(DED) 방식의활용도가높은편

57 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 57 - PBF 방식은에너지소모가적으면서고정밀도와높은성형밀도 (Green Density) 가가능하기때문에, 최종구조용부품등을대상으로가장활발하게적용되고있는기술유형임. - PBF 방식은에너지원으로레이저를사용하는독일 EOS사의 Direct Metal Laser Sintering(DMLS) 과전자빔을사용하는스웨덴 ARCAM 사의 Electron Beam Melting(EBM) 기술이가장성공적인것으로알려져있음. - DED 방식은완제품의직접제조보다는기존제품의유지보수에적합한기술로평가받고있으며, 미국 Optomec 사의 Laser Engineered Net Shaping(LENS) 기술등이주목받고있음. - 금속재료용프린터의활성화요건중에서에너지효율과생산속도는가장중요한부분에해당 * 3D 프린팅의주요대상금속중다수가고융점금속에해당하기때문 < 표 3-8> PBF 적층가공의에너지원비교 Characteristic Laser Electron Beam Arc 분위기불활성 Vacuum Inert 에너지밀도 (W/ mm2 ) Very high 분말회수율 (%) 나쁨 (2~5) 보통 (15~20) 양호 ( 80) 재료활용도 (%) 10~15( 분말 ) ~100( 와이어 ) ~100 ~100 증착속도중간중간빠름 장비크기및가격크고고가크고고가작고경제적 증착품질양호우수양호 기하학적품질 자료 : Karunakaran(2012). 최종형상근접 (Near net shape) 후처리가공필요 후처리가공필요

58 58 제조혁신과소재산업 < 표 3-9> 금속 3D 프린팅주요기술유형의장단점 기술유형장점단점 Powder bed fusion Direct energy deposition - 비교적단순한장비구조및사용법 - 고가의구형분말재료를사용하며, 출 - 매우정교한금속제품성형가능 ( 시제력후남은재료처리가필요품제작및직접부품제작에용이 ) - 일부재소결또는열처리필요 - 오버행 (overhang) 구조의조형물제작용이 - 빠른속도, 대면적출력가능 - 정확하고미세한조직출력가능 - 3D 적층외에금형수정및보수등에활용가능 ( 부품수리및개조에용이 ) - 일반산업용분말재료사용 - 절삭가공등추가공정결합용이 자료 : 3D 아토블로그, 산업연구원수정. - 복잡한중공형태나오버행구조적층에한계 - 금속층의높이를정밀하게제어하기위해공정변수의실시간제어필요 - 출력결과물의표면이거칠어절삭가공등후공정이필요 에 (IN718 Superalloy 융점 =1260~1336 C, Ti-6Al-4V 융점 =1604~1660 C, SUS304 융점 =1400~1455 C 등 ) 금속재료용 3D 프린팅에너지다소비공 정이며, 생산속도또한에너지효율성과직결 < 그림 3-14> 금속재료 3D 프린팅주요기술 ( 기업 ) 별에너지및생산속도비교 자료 : Seifi et al.(2016).

59 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 59 금속재료용 3D 프린팅적용소재현황 현재 3D 프린팅용으로활용되는금속재료의수는전통적제조공정 에서사용하는금속재료대비극히제한적 < 표 3-10> 3D 프린팅적용이가능한대표적인금속재료예시 타이타늄알루미늄공구강초합금스테인리스강내화재 Ti-6Al-4V ELI Ti CP Ti γ-tial 자료 : Frazier(2014). Al-Si-Mg 6061 H13 Cermets IN625 IN718 Stellite 316, 316L PH 17-4 MoRe Ta-W CoCr Alumina 표준규격상정의된금속재료현황 - ASTM 에서는적층가공에활용되는재료와공정을다음과같이규정하고있는데, 해당재료는타이타늄계합금인 Ti-6Al-4V 및 Ti-6Al-4V(ELI) 와 Ni 계합금인 IN718 와 IN625 만기술되고있음 ( 이들은대표적인항공기재료 ). - 상기의합금은항공기동체및생체재료등에사용되는비교적고부가가치의재료이면서, 상용화이후오랜기간이경과되어재료의특성이잘알려진재료 Designation F F F F a F e1 F3091 / F3091M - 14 자료 : ASTM 홈페이지. Title Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) with Powder Bed Fusion Standard Guide for Characterizing Properties of Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N06625) with Powder Bed Fusion Standard Specification for Powder Bed Fusion of Plastic Materials

60 60 제조혁신과소재산업 - 활용가능한금속재료의종류가한정적일뿐아니라, 표준및인증체계등을통하여 3D 프린팅에범용적으로적용가능한실제금속재료와그공정은금속분말을활용한극소수의재료에한정된실 정 11) - 대부분의금속재료의경우제조공정에따라서로다른기계적성 질및미세조직을나타내고있는등, 3D 프린팅공정및관련금속 재료의표준화및인증에는많은기술적난제가산적해있는실정 < 표 3-11> 다양한공정을활용해제조된 IN718 초합금의기계적성질 공정항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율 (%) 금속증착 (Shaped metal deposition) 주조재 적층가공 (Laser) 적층가공 (Electron beam) 자료 : Baufeld(2012). < 그림 3-15> AISi10Mg 합금의제조공정별미세조직 (A) 적층가공 (B) 주조 자료 : (A) Vrancken(2013), (B) Bassani(2005); Srivatsan(2016) 에서재인용. 11) 이들재료역시사용장비등에따라미세조직은물론인장강도, 연신율등기계적특성이다르게나타나고있어, 아직 3D 프린팅분야의품질표준화수준은전반적으로미흡한상황.

61 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 61 - 이와같은공정및관련소재의표준화수준이미흡한실정이지만, 최근수년사이에항공산업및의료산업등에서수요가급격하게증가하고있는점을감안시 3D 프린팅용으로적용가능한금속분말의종류는지속적으로확장될것으로전망됨. - 아울러, 일부분말야금분야에서는국내기술수준이선진국과유사한수준을보유하고있는바, 전략적으로타깃금속재료를정하여향후시장확대를위한선제적노력이요구됨. * 내수시장은플랜트및일반제조공정에활용되는금형강, 타이타늄위주이나해외시장은항공및의료분야의 Co-Cr, Ti 합금, Inconel 합금이주된시장 * 분말제조는국내장비제조업체와의협력뿐아니라해외업체 (Concept Laser, EOS, SLM, 3D System 등 ) 와의공동개발을통한개척필요 < 그림 3-16> 금속분말제조의기술난이도와시장규모 기술적난이도 자료 : 강민철 (2016) 에서재인용. 시장규모

62 62 제조혁신과소재산업 * 분말제조는낮은회수율개선등을통한저가화노력과동시에신규합금 개발이필요하나, 표준및인증화노력역시병행되어야함. 3. 주요기업및연구개발동향 금속재료 3D 프린팅관련주요기업동향은아래와같음. 독일의 EOS, Concept Laser 사등은현재금속 3D 프린팅장비시장에서가장활발한활동을보이고있으며, 대부분 PBF 방식의프린터생산 년설립된 EOS사는현재금속 3D 프린팅분야의대표적기업으로금속분말, 레이저등핵심기술을보유하고있으며, 공정모니터링소프트웨어 EOSTATE 제공 년에는자동화분말처리가가능한모듈식시스템개발 Trumpf, DMG Mori 사는공작기계분야의전통적대기업으로, 기존레이저시스템을 3D 프린팅으로업그레이드하거나 CNC 머신이결합된하이브리드시스템출시 스웨덴의 Arcam 사는 SLM 등기존 PBF 방식대비출력속도, 표면특성등이뛰어난독자적기술 (EBM) 을개발하였으며, 2014 년미국임플란트전문생산기업 DisSnato Technology 사를인수하면서응용분야에도진출 미국의금속 3D 프린팅기업은독일대비상대적으로소규모이나, DED 방식의기술혁신을통한시장점유율확대추진 - 3D Systems 사는금속 3D 프린팅시장에서는상대적으로작은비

63 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 63 중을차지하나, 2014 년프랑스금속 3D 프린팅업체 Phenix Systems 사를인수하였으며, 관련서비스업체와소프트웨어업체등의인수를통해산업생태계전반의경쟁우위확보를추진 - Optomec, Sciaky 사는비교적소규모업체이나, 독자적기술 ( 각각 LENS, EBDM) 개발을통해시장에성공적으로진입 < 표 3-12> 금속 3D 프린팅장비주요기업 국가 기업명 공정유형 주요모델명 Concept Laser PBF - SLM M3, X Line 2000R EOS PBF - DMLS M290, M400 SLM Solutions PBF - SLM SLM500 HL, PSA500 독일 Realizer PBF - SLM SLM300 Voxeljet BJ VX4000 Trumpf DED - LD TruLaser Cell7040 DMG Mori DED Lasertech65 영국 Renishaw(MTT 인수 ) PBF - SLM AM250 프랑스 Irepa laser DED - LD LF6000 스웨덴 Arcam PBF - EBM Q10, Q20 Exone BJ Innovent, Exerial 3D Systems(Phenix system 인수 ) PBF - SLM PXL Optomec DED - LENS LENS 850-R, LENS Print Engine 미국 Sciaky DED - EBDM EBAMTM 110X110X110 POM DMD DED - DMD 66R Huffman DED - LD HC-205 MER PTAS FFF plasma transferred arc selected FFF Honeywell IFF ion fusion formation 캐나다 - DED - LC Accufusion laser consolidation 한국 인스텍 DED - DMT MX-4, Grand Teton, MPC 중국 Beijing Long Yuan PBF AFS Xi`an Bright Laser Technologies PBF LSF-IV 일본 Matsuura PBF - SLM Lumex Advance 25 OPM Lab PBF - EDM OPM250L 자료 : Wohlers Associate(2015), Frazier(2014) 를참고하여산업연구원작성.

64 64 제조혁신과소재산업 인스텍은한국금속 3D 프린팅분야의대표기업으로금속부품의제작및수리에강점을지닌프린팅시스템 (MK 시리즈 ) 을맞춤형으로제공하고있으며, 2015 년에는 1m 이상의대형제품생산이가능한 Grand Teton 을발표 일본은아직까지금속 3D 프린팅업체는소수이나, OPM Lab, Matsuura 사는공작기계분야의기술경쟁력을토대로 PBF와밀링작업이가능한하이브리드시스템출시 금속재료 3D 프린팅과관련하여항공산업등을중심으로활발한연구추진 3D 프린팅은이미다양한크기와형상에대하여그가능성이인정되고있음. 금속재료기반의적층가공은전통적인공구및몰드와견본및시제품에의적용을거쳐최근에는다양한최종부품에적용되기시작 특히, 최근 4~5년사이에 3D 프린팅의최종부품에의실제적용사례가항공산업을중심으로시작되었으며, 급격하게증가하고있는추세임. - 이들부품중엔진주조품및관련부품은 PBF 방식으로대체되고있으며, 동체단조품은 Wire Feed 방식에의하여대체될것으로예상 * 하지만, 단련재 (Wrought Materials) 에견줄수있는기계적특성확보가본격적상용화의선결요건이며, 미세조직의품질관리와공정재현성도큰문제

65 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 65 < 그림 3-17> 적층가공이가능한다양한크기및형상예시 항공기구조물 ( 세계최대 )(Ti 합금 ) - 랜딩기어하우징 3D Laser Direct Manufacturing technology 개발 : AVIC Laser, 중국 (2013.5) 자료 : 생체임플란트구조물 (Ti 합금 ) - 고관절용비구컵 (acetabular cup) DMLS Process 개발 : EOS, 독일 ( ) 자료 : 초소형부품 - 기어 Micro laser sintering (MLS) Process 개발 : EOS, 독일 ( ) 자료 : pictures 고정밀도 3D 프린팅 Two-photon lithography 개발 : Vienna University of Technology (2012.4) 자료 : 비정질탄소나노격자 (carbon nanolattice) - 격자간거리 1 μm, 격자빔의직경 = 약 200 nm 3D laser lithography process 개발 : Karlsruhe Institute of Technology, 독일 (2016.2) 자료 : 자료 : 산업연구원작성.

66 66 제조혁신과소재산업 < 그림 3-18> 금속재료용적층가공의기술수용현황 자료 : Bihlman(2016). - Airbus 사가최근관련학회에서발표한적층가공관련연구개발계획에의하면, 2018 년까지적층가공을형상최적화에활용하고, 2020 년까지는생산속도증가를통한양산적용타당성을제고하여 2025 년까지하이브리드제조공정확립을목표로함 (Donne and Duflos, 2016). - 소재측면에서이들은폴리머와금속재료의적층가공에연구개발이집중되고있음을시사하였으며, 폴리머는복합재료중심으로, 금속은 Ni계초합금, 타이타늄 (Ti) 계합금을중심으로연구가집중될것으로전망 ( 상대적으로 Ti계합금관련기술은성숙단계이며, 초합금관련기술은아직초기단계 ) 항공기와같이위험요인 (Risk Factor) 이존재하고, 파국적고장및손상 (Catastrophic Failure) 의파급력이큰제품또는부품에서는높은수준의손상허용치 (Damage Tolerance) 를필요로하기때문에소재관련기술자체뿐아니라관련인증역시매우중요한요소임.

67 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 67 < 그림 3-19> Airbus 사의적층가공추진마일스톤 자료 : Donne and Duflos(2016). - 부품인증및공정인증두가지모두충족되어야하나의인증제품탄생가능 * 부품인증은부품자체의성능인증과공급자 / 설비인증이포함되며, 공정인증은제조공정기술에대한인증으로해당소재와이에연계된공정으로나뉠수있고제품자체와는직결되지않음.

68 68 제조혁신과소재산업 < 그림 3-20> Airbus 사의적층가공상용화를위한주요단계 자료 : Donne and Duflos(2016). < 그림 3-21> 항공기등에서발생하는손상유형과원인 항복피로마모 파단열충격부식 용융버클링크리프 충격 자료 : 산업연구원작성. < 손상원인 > 1. 오작동 2. 조립오류 3. 제조공정오류 4. 잘못된재료선정 5. 잘못된기하학적설계 6. 부적절한유지관리 7. 예측되지못한운전조건 8. 부적절한품질관리 9. 부적절한운전환경 10. 기타

69 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 69 항공산업에서의적층가공적용은동체재료는물론, 추진체에서도활발하게진행되고있음. - 항공기제작사- 엔진제작사는물론관련부품및공정개발사간의긴밀한협조하에도제품및부품개발이추진되는사례가증가추세 < 그림 3-22> 민항기용제트엔진에서의적층가공적용사례 GE Aviation Rolls-Royce 부품 : 엔진 Inlet 온도센서 (T25 센서 ) 하우징주요적용제품 : GE90-94B 엔진보수용주요적용기종 : Boeing 777 Pratt&Whitney 부품 : 전면베어링하우징 (Front Bearing Housing) 주요적용제품 : Trent-XWB 엔진주요적용기종 : Airbus 350 CFM International* 부품 : 엔진압축기 (compressor) stators 주요적용제품 : PurePower PW1500G 엔진주요적용기종 : Bombardier C Series 부품 : Nozzle 주요적용제품 : Leap Jet 엔진 ( 엔진당 19 개노즐사용 ) 주요적용기종 : B737Max, A320-Neo * 미국의 GE Aviation 과프랑스의 Safran( 과거 Snecma) 이 50:50 으로출자한항공기엔진기업 자료 : Herderick(2016), Kellner(2016) 및각엔진사및항공사홈페이지를참고하여산업연구원작성.

70 70 제조혁신과소재산업 - 기술전유화가중요한분야의부품개발은항공기제작사또는엔진제작사가자체적으로개발의중심이되고있으나, 그외의부품에서는적층가공전문사에서주도적으로개발이진행되기도함. 적층가공이적용되는주요소재추이는항공기에서의소재적용추이와그궤를같이함. - 추진체에서는타이타늄합금및초합금, 항공기동체에서는복합재및타이타늄의채용비율이지속적으로증가추세 < 그림 3-23> 항공기용부품의적층가공적용사례 자료 : Advanced Materials(2014). 주 : EOS 가개발한 A320 항공기엔진나셀힌지 (Nacell Hinge) Bracket. 기존구조대비투입재료가적어중량이작고, 고강도가가능한구조를보유. 나셀은항공기용엔진덮개를일컫는용어. < 그림 3-24> 민항기동체및가스터빈엔진의소재별중량비변동추이 Percent of total weight 가스터빈추진체 Other Composites Titanium Aluminum Superalloy Steel alloys 자료 : Bihlman(2016). Percent of total weight 항공기동체 Other Composites Titanium Steel alloys Aluminum

71 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 71 항공산업에서적층가공타이타늄수요증가전망 - 전세계최대항공기엔진및부품메이커중하나인 Safran( 프랑스 ) 의최신예측에의하면항공기에서의타이타늄수요는 2014 년이후급속한증가추세이며, 증가폭의상당부분은적층가공이담당할것으로기대 * 초합금은운전온도및압력을향상시켜연료효율과질소산화물 (NOx) 배출감소에기여할것이며타이타늄은엔진저온부분부터채용이증가하고있는추세일뿐아니라, CFRP 와의호환성이좋아동체적용을통한상호상승작용이기대 항공기시스템및품질별타이타늄수요 ( 톤 ) ( 톤 ) 자료 : Viguier(2016). - 타이타늄합금은적층가공관련연구및현장적용이가장왕성하 게이루어지는소재분야이며, 초합금및복합재에대한연구는초 기단계이나증가추세 < 그림 3-25> EBM 으로생산된임플란트재료의월별성공률추이및생산비용 ( 고관절비구부품, ARCAM 사, 45,000 연속생산시간기준 ) Cleaning & inspection Machining Porous coating Material EBM machine 자료 : Ryberg(2016).

72 72 제조혁신과소재산업 < 표 3-13> 주요산업분야별적층가공동향 항공우주 의료 자동차 소비가전 적층가공주요제품촉진요인도전과제 Microturbo 사 : 항공기마이크로엔진부품 GE Aviation 사 : 가스터빈엔진팬블레이드용부품 (injector, leading edge) Morris Technology 사 : 가스터빈용연료주입노즐, 회전자 치과임플란트외과수술가이드정형외과임플란트생체용지지체 (scaffold) BMW 사 : 자동차조립및테스트용수공구 Joe Gibbs racing 사 : 자동차하우징 (housing) MINI John Cooper 사 : 도어미러베이스, 타이어온도센서하우징등자동차용부품 MGX Materialise 사 : 맞춤형조명 Freedom of Creation 사 : 독창적디자인오브젝트, 가구, 조명, 액세서리 Shapeways 사 : 맞춤형한정수량제품 ( 의류 ) Nike 사 : 운동화 자료 : Allison and Scudamore(2014). 재료손실감소 경량화, 공급사슬효율증대 에너지효율개선 제품주기비용감소 신개념또는최적화설계가능 제품수명연장 재료성질및활용도개선 조립공정단순화 엔진설계 / 테스트시간단축 Full scale 엔진테스트가능 개인화 / 대량맞춤화 공급사슬효율개선 규제적요구사항 고령인구증가 비만및관련건강위험증가 소형화, 안전중시 신속한대응기간 디바이스수명증가 생체적합성 경량화, 공급사슬효율개선 품질및신뢰성개선 재생산성및재활용성증가 탄소배출감소 설계자유도증가 높은비용경제성 맞춤형제품 공급사슬효율개선 기능성강화 재료의개선및발전 원재료지속가능성 컬러제품의수요증가 혁신제품의수요증가 복잡정교한구조개발 프로세스모델링기술 모델링도구개선 재료생산및처리기술 재료성질및기능개선 항공우주분야표준화 대형항공기프레임제작 표면마감및피로특성개선 공정제어및재생산개선 모델링방법 / 도구개선 3 차원세포모델구조합성프로세스개발 세포반응분석및시뮬레이션모델링 저가소재및신소재개발 공정안정성및품질개선 치과시장 ( 예, 착색등 ) 등을위한광학적, 기계적성질개발 공통설계규칙도출 공정안정성개선 생산성개선및저가시스템 표준인증마련 부품당비용개선 대형제작챔버개발 재료 ( 금속, 첨단세라믹 ) 복합재료 ( 컬러코팅재료 ) AM 첨단기술교육 고품질파트개발 ( 표면처리개선, 재료성질개선 ) 소비재의요구사항을충족하는재료시스템

73 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 73 최근에는항공기산업이외에도의료용기구등다양한분야에서적층가공이상용화되고있음. - 금속재료용적층가공공정의성공률이급속하게증가하여일부제품에서는 2010 년이후부터는성공률이 90% 를상회할뿐아니라, 연속공정에서도생산비용절감이가능한등상용화에청신호 - 주요산업별로적층가공이현장상용화에성공한사례와각산업별사업화촉진요인과주요한계점을나타내면 < 표 3-13> 과같음. 다양한분야에서적층가공이상용화되고있으며, 그필요성역시지속적으로증대함에따라다양한관련프로젝트와표준화활동이추진 - 적층가공관련연구는초기에는미국에서활발하게추진되었으나, 최근수년사이에유럽에서도다양한관련프로젝트가추진중 < 표 3-14> 적층가공관련주요프로젝트 (EU) 프로젝트명 OXIGEN (2013~2017) AMAZE (2013~2017) CassaMobile (2013~2016) MANSYS (2013~2016) M&M S+ (2013~2014) HYPROLINE (2012~2015) 개요 전력발전용부품에활용하기위한적층가공용산화물분산강화 (ODS, Oxide Dispersion Strengthened) 합금개발 제로폐기물및첨단금속제품생산을위하여 2m 의크기의무결함적층가공부품을폐기물없이생산하고, 기존공정대비최종제품생산비용을 50% 까지절감추진 유연생산방식을활용하여맞춤형제품에대한소규모공장을추진 MANufacturing decision and supply chain management SYStem for additive manufacturing 적층가공을위한의사결정및공급사슬관리시스템관련프로젝트 (e-supply chain tool) 실리콘 MEMS 와 NEMS 관련프로젝트실리콘마이크로및나노구조물제작을위한새로운 3D 프린팅기법개발 소형금속부품생산을위한고성능생산라인개발시장진출기간단축, 불량률감소, 맞춤형혁신제품증대, 생산효율개선목표 < 계속 >

74 74 제조혁신과소재산업 프로젝트명 3D-HiPMAS (2012~2015) AMCOR (2012~2015) HiPr (2012~2015) SASAM (2012~2014) AEROBEAM (2012~2013) NANOMASTER (2011~2015) MERLIN (2011~2014) HIRESEBM (2011~2013) ADM-ERA (2011~2013) DIGHIRO (2010~2014) PHOCAM (2010~2013) KARMA (2010~2013) Step-up (2009~2012) DirectSpare (2009~2012) IMPALA (2008~2012) CompoLight (2008~2011) 개요 3 차원고정밀 MID(Mobile Internet Device) Assemblies 를위한파일럿공장 마모및부식특성향상을위한적층가공기술개발 LMD(Laser Metal Deposition) 적층가공공정을기반으로산업용금속제품에경사기능성코팅을수행하여내마모및내부식성증대 복잡한 3D 부품을위한고정밀미세성형기술개발. 복잡한고정밀 3D 부품에적용되는미세성형조건을진단및제어하는기반기술을수립 적층가공표준화를위한지원프로그램. 유럽에서적층가공분야의표준기구를설립하여, 유럽내의표준활동연계, 조정및통합 전자빔용해법 (EBM, Electron beam melting) 기반의적층가공을활용해고정자베인 (stator vane) 을제조함에있어 EBM 용분말의재활용과 EBM 법에의한 Ti-6Al-4V 합금의기계적특성을연구하여 EBM 의기술성숙도 (TRL) 를높이고자함 전통및적층가공을위한그래핀기반의열가소성플라스틱기준소재및공정개발부품제작에사용되는플라스틱의양을줄이는것이목표 레이저적층가공을활용하여항공기엔진부품제조방법을개발민간항공기엔진제조에적층가공을적용하여항공운수산업의환경영향감소목표 고해상도의료용임플란트제작을위한고해상도전자빔용해법 (EBM) 공정개발 CMRDI(Central Metallurgical Research and Development Institute) 와 ERA(European Research Area) 의적층가공분야연구협력강화를통하여 Ti 와 CoCr 합금기반생체재료와생체적합한세라믹재료 (HA, TCP, PEEK 등 ) 를개발 Digital Generation of High Resolution Objects. 마이크로유체 (Lab-on-a-chip), 의료용적용을위한초소형규모의적층가공시스템개발 광고분자 (Photopolymer) 기반의맞춤형적층가공기술. 미래의공장 (Facoty of the future) 을위한광고분자기반재료공정을리소그래피 (lithography) 기반적층가공시스템으로구현 적층가공기획및설계의지식기반프로세스. 최적의공정및물성등기술시나리오를제안할수있는지식기반엔지니어링시스템내의전문가공정기획툴의설계및개발 폴리머기반의쾌속성형공정개선. 고에너지볼밀링기반의기계화학적방법을통해 SLS 기반적층가공에서적용될나노폴리머개발 예비부품의주문식 (on-demand) 생산을위한물류및기술시스템개발 의학임플란트, 항공엔진부품, 기타소형응용분야 ( 치과, 전자부품, 툴링, 정밀가공분야 ) 의제조에있어 LAMP 프로세스의전통제조대비우위를실증하는데초점 경량금속부품디자인및개발과관련하여적층가공의문제점을해결하기위하여 5 개분야에서해결방안을제시 자료 : Allison and Scudamore(2014).

75 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 75 < 표 3-15> 적층가공표준관련위원회등현황 기관및위원회 ASTM F42 Committee ISO Technical Committee (TC 261) SASAM BSI Committee CEN/STAIR-AM UNM 920 Committee 자료 : Allison and Scudamore(2014). 개요 적층가공 (AM) 기술과관련하여 2009 년에설립되었으며, 전세계의다양한산학연멤버로구성됨. F42 는적층가공전체의표준화프로그램의일환으로이미표준용어리스트를발표함 ISO 는글로벌수준의적층가공표준화를위해 TC 261 을출범하여관련정의및용어, 프로세스, 테스트절차, 평가지표등에관한논의를시작. 표준안수립은초기단계이나, 다양한산업에걸쳐표준화촉진 SASAM(Support Action for Standardisation) 은적층가공관련하여유럽의표준및연계활동을촉진하기위해 2012 년 9 월출범함 영국의 BSI(British Standards Institution) 는 AMT/8 위원회하에서적층가공표준을개발하고있음. 용어, 방법, 프로세스, 재료, 테스트방법에관한 7 개표준이있음 (2013 년기준 ) 유럽표준위원회 (European Committee for standardization) 의 STAIR 그룹은 SASAM 프로젝트를지원하는플랫폼임. ISO 와함께범유럽수준에서표준화작업을위한기술전문가와표준전문가연계 프랑스의 UNM 920 위원회는용어, 파우더 (powder) 기술사양, 적층가공제작부품의시험규격에관한 3 개표준발표 - 활발한연구개발이외에도, 미국의 ASTM 과 ISO 의협력등으로적 층가공표준의국제화역시급속하게확장되고있으며, 유럽의각 국에서도관련표준을도입추진중 4. 기타이슈 3D 프린팅의현장적용증가와함께엔지니어링서비스, 콘텐츠의설계및저작권이슈가부각되고있음. 가정용 3D 프린터의확산은물론산업용 3D 프린팅장비, 공정, 소재의개선이빠르게이루어지고있으나, 아직까지 3D 프린팅서비스시

76 76 제조혁신과소재산업 < 그림 3-26> 3D 프린팅을활용한제품개발주기와콘텐츠설계및저작권이슈 자료 : Wong and Hernandez(2012) 를참고하여산업연구원재작성. 주 : 시제품제작에활용되는경우를가정하여구성한것임. 장의확대는더딘편임. - 3D 프린팅이최종제품생산에활용되는경우는물론시제품등에활용되는경우에도전체제품개발주기에서설계, 분석, 장비인터페이스등과이와관련된 S/W 등의다양한요소가전체개발주기의효율성에큰영향을미치고있으나, 그동안이에대한관심은상대적으로부족 - 동분야는최근이슈가되고있는제조엔지니어링서비스와기타관련콘텐츠를광범위하게포괄하며, 제조시스템의통합을위하여도중요한부분임. 아직 3D 설계도를쉽게제작할수있는소프트웨어툴이미흡하고, 제작한콘텐츠를보호받을수있는저작권제도가부재한점은 3D 프린팅시장확대의주요걸림돌중하나임.

77 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 년 1월 CES(Consumer Electronics Show) 에서는 3D 프린팅의라이선스가향후 3D 프린팅산업발전에문제가될것이라는논의가있었고, 이에따라제작된콘텐츠를어떻게서비스할것인가에대한문제가제기된바있음. 최근 3D 설계와관련하여 3D 스캐닝의활용이활발하게진행되고있음. - 이와같은방법은설계도면등이없다하더라도, 관련제품만있으면이를스캐닝하고수정및보완하여새로운 3D 콘텐츠제작이가능하다는장점이있으나, 지식재산권침해소지가높거나기존의법리적해석으로접근하기에는한계가있는경우가발생하고있음. * 예를들어, 다른사람이소유한물건이나창작물을스캔 편집하여 3D 콘텐츠를제작할경우, 콘텐츠의저작권을콘텐츠제작자와물건의소유자중누구에게부여할것인가에관한법리상논쟁발생가능 3D 프린팅콘텐츠에대한저작권이슈가부각됨에따라다양한보호대책이강구되고있음. - 가장널리논의되고있는방식은 DRM(Digital Right Management) 으로기존에음원등다양한저작물에대하여추진된바있는방법임. * 디지털저작물자체에잠금기능을설정하여활용을제한하는방식으로, 최근 3D 프린터와연동하여한번만출력할수있게하거나웹에서프린터에직접출력을명령하는방식등을통해저작권을침해하는 3D 프린팅을방지하는방법이나, 기존과마찬가지로크랙 (crack) 을통해무효화될수있고, 사용자의불편을가중시키는문제점존재

78 78 제조혁신과소재산업 - 미국의 Source3 사는유튜브 (Youtube) 의멀티라이선싱방식을도입하여심사관이 3D 콘텐츠를직접점검하여라이선스를부여하는방식의보호모델을발표하였으나, 아직그실효성이검증되지는않은상황임. * Source3 사는 3D 콘텐츠의라이선싱및공급 기술개발에대해서벤처캐피털로부터 400만달러를투자받았으며, 이를통해 3D 프린팅콘텐츠의원활한유통이이루어지길기대하고있음. - 국내에서는한국콘텐츠진흥원이 3D 프린팅콘텐츠의저작권보호를위해 3D 워터마킹 (watermarking) 기술을개발중 * 워터마킹은 3D 콘텐츠에자신만이알아볼수있는워터마크를심어두고, 이를이용해추후자신의콘텐츠도용에대한저작권보호를요청할수있도록하는방식임. 3D 프린팅콘텐츠자체는물론최근에는이와관련된서비스플랫폼에대한이슈도부각되고있음. 3D 프린팅의높은인지도에도불구, 3D 프린팅서비스및유통생태계가여전히미흡하여 3D 프린팅의활용에는많은어려움이존재 - 3D 콘텐츠의양이절대적으로부족하여필요로하는콘텐츠를찾기가어렵고, 콘텐츠를확보하더라도 3D 프린터의종류등작업환경에따라원하는결과물을얻지못할수있음. - 콘텐츠제작소프트웨어툴의활용이어렵고, 저작권보호문제가해결되지않아콘텐츠의상업적제작 유통이확대되기어려운상황임.

79 제 3 장 3D 프린팅과소재산업 79 3D 프린팅의핵심잠재력중하나는다양한이해관계자가다양한방법으로생산의주체가되어아이디어를제품화할수있다는데있으며, 이를달성하기위한 3D 콘텐츠제작및유통서비스플랫폼이요구됨. - 3D 콘텐츠의설계, 저작권보호, 유통및출력이연계되어한번에이루어질수있는 3D 프린팅통합서비스플랫폼등이시도되고있음. * 3DPRINTLER 는이러한통합플랫폼을구축을위해노력하고있으며, 다양한 3D 콘텐츠의검색및유통에관한비즈니스모델확립중 - 국내에서도 3D 프린팅의기술적요소뿐아니라, 3D 콘텐츠제작및유통활성화를위한방안마련에힘써야함.

80 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 1. 주요생태계구조 3D 프린팅산업특징과가치사슬 전반적으로 3D 프린팅산업은소재, 장비, 소프트웨어, 디자인, 제품생산등제조업과 IT, 관련서비스를포괄하는넓은범위의가치사슬을보유 - 처음에는 Stratasys, 3D Systems 사등 3D 프린팅장비제조업체를중심으로가치사슬이형성되기시작하였으나, 최근 3D 프린터보급이확산되면서관련소재가주요핵심축으로성장 * 소재시장규모의성장에따라, 시스템제조및공급업체의소재전문기업인수합병움직임이활발하게발생하고있으며, 향후에는반대로의움직임도발생할것으로예상됨. - 아울러, 소프트웨어, 설계등다양한영역의가치사슬도확장추세

81 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 81 이며, 관련업계의인수합병움직임이활발해지고있음. 금속재료용적층가공산업은가치사슬의전반적확장에도불구하고시장의 B2B 특성이강하여, 개인용적층가공시장보다는상대적으로폐쇄적특징을가짐. - 금속재료용적층가공산업에서는대부분의가치흐름이시스템제조및분말분야에서발생하고있고, 이에부수적으로설계, 서비스및소프트웨어분야에서매출이발생하고있음. * 라이선싱과교육분야역시가치사슬의일부를형성하고있으나, 그규모는상대적으로작은수준임. - 금속재료용적층가공산업특징및가치사슬별특징은아래와같음. 소수의소규모업체가자사의주력분야를중심으로가치사슬의일부분야에서활동하는분할된시장 (Fragmented Market) 특징 주요업체의작은규모가연구개발투자에한계로작용하며, 이들중에도전체가치사슬을모두아우르는업체는없음. 적층가공시스템공급자가가장큰활동을보임. 금속소재적층가공생산량이증가함에따라, 일부대규모금속분말생산업체에적층가공산업이매력적인기회로부각되고있으며, 이는향후수년간분말가격하락의원인으로도작용할전망 금속재료용적층가공공정의경우, 기존전통공정대비단순한공정을가지고있음에도불구하고, 다양한요인에영향을받음. - 특히, 금속재료용적층공정의상당부분을차지하는 PBF 등에서는분말의준비, 혼합및품질관리가적층공정의성공에큰영향을미

82 82 제조혁신과소재산업 < 표 4-1> 적층가공산업에서의가치사슬특징 분야소재 ( 재료 ) 시스템소프트웨어설계생산 특징 금속분말의생성 고순도와입도분포가좁은분말생성이중요 소량주문이많아중소형공급자위주로구성 적층가공시스템공급자를통하여판매 Hoganas 대표 TLS Technik 기업 Sandvik 등 통상적으로독립형 PBF 시스템으로구성 시스템공급자의수직적통합수준이낮고, 대부분생산자와의계약에의한주문생산 시스템, 관련부품과 S/W 통합공급 공정제어와 S/W 개선분야가차별화 공정제어는주로시스템공급자가담당 자동화, 설계최적화등추가 S/W 는전문기업이담당 EOS Materialise SLM Solutions netfabb Concept Laser 등 Within 등 자료 : Roland Berger(2013) 를참고하여산업연구원재구성. 최종수요자지원 복잡하고요구사항이많은영역 시스템공급자, S/W 개발자및서비스공급자에의하여공급 모든서비스공급자가설계능력을갖춘것은아님 3T Pro Material Solutions EOS 등 다양한생산시나리오 - 대규모 OEM - 맞춤생산 / 서비스 - 전문부품생산 시스템공급자에의하여생산되는경우는별로없음 3T Pro Bego LayerWise 등 < 그림 4-1> 금속재료용적층공정에영향을미치는주요요인 (PBF 사례 ) 자료 : Bihlman(2016) 에서재인용.

83 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 83 < 그림 4-2> 금속재료용적층공정관련인증체계 적층가공일반규격 (General AM Standards) 공정 / 재료용어 ISO 인증 (Qualification & ASTM F a Certification) 방법 ISO 구매 AM 부품요구조건 ISO/ASTM 비파괴평가 (Non-Destructive Evaluation) 방법 시험방법설계및데이터형식 ISO ISO 일반시험방법 ISO/ASTM 성능시험방법 AM 모델용데이터구조및측정항목 (Metrics) General Top Level AM Standards - 보편적개념 - 공통요구조건 - 보편적으로적용가능 원재료 프로세스및장비 최종제품 재료범주특정 (Material Category-Specific) 금속분말폴리머분말포토폴리머수지세라믹기타 공정범주 / 재료특정 (Process Category / Material-Specific) Power Bed Fusion Ti-6-4 IN625 Others Material Extrusion Directed Energy Deposition 기타 RRT를위한표준규약 (Standard Protocols for Round Robin Testing) 기계적시험등, Part1 : 인장시험, Part2 : 기공도시험, Part3 : 파괴인성등금속폴리머기타제품사양기타 Category AM Standards - 특정재료범주또는프로세스범주에적용 재료특정표준 (Material Specific Standard) 재료특정치수규격 Material-Specific Size Specification 재료특정화학조성 Material-Specific Chemical Composition 공정 / 재료특정표준 (Process / Material Specific Standards) 공정특정성능시험 Process-Specific Performance Test Methods 공정특정시험결과물 Process-Specific Test Artifacts 응용분야특정표준 (Application Specific Standards) 항공우주의료 Specialized AM Standards - 특정재료, 프로세스또는응용분야에적용 재료특정유동도규격 Material-Specific Viscosity Specification 시스템컴퍼넌트시험방법 System Component Test Methods 자동차 기타 기타 기타 자료 : UNM Bureau de Normalisation par delegation d AFNOR; Allison and Scudamore(2014) 에서재인용. 치며, 다양한후처리공정 (HIP, 열처리, 절삭등 ) 또한중요한요인중하나임. - 적층제조와같이완전히새로운제조공정의원활한수용을위해서는지역, 국가및국제적수준에서의표준및인증수립이시급한바, 2009 년의미국 ASTM 이후 2013 년 7월에는 ISO와 ASTM 은적층가공국제표준체계에서상호협의하여적층가공의상용화에모멘텀을추가 주요이해관계자특징 3D 프린팅산업은기존의제조공정과는유사한이해관계자구조를

84 84 제조혁신과소재산업 < 그림 4-3> 3D 프린팅산업가치사슬과이해관계자 통신서비스 기타폐기물처리비용컴퓨터하드웨어, 소프트웨어, 기타장비 전문, 과학기술, 및데이터서비스 소비자수요 설계 생산규모 감가상각 순재고 순이익 운송 급여, 수당및고용 자본지출 : 건물및기타시설 자본지출 : 기계장치및설비 소재, 부품, 컨테이너, 패키징등 생산계약및판매 연료전기 유지보수 중간재 서비스공급자, 컴퓨터하드웨어, 소프트웨어, 기타비용 재활용 폐기물처리, 중간재, 재활용설계, 생산, 재고, 운송, 순이익 폐기 기계, 시설, 보상재료공급자기계및시설유지 자료 : Thomas(2013). 가지나각이해관계자의특징은차이가있음. - 우선적으로가장직접적인이해관계자는제조업체이며, 유통업자, 운수및창고업자, 원재료공급자, 중간재공급자, 전문서비스공급자등도 2차적인이해관계자에속함. - 각이해관계자는가치사슬및최종제품생산에직간접적으로자원을투입하며이에대한보상을기대하게되며, 이는다음과같이정리됨. 3D 프린팅산업으로인하여이해관계자에게끼치는투입및보상측면에서의영향은기존제조업과차이가있음.

85 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 85 < 표 4-2> 이해관계자의주요투입및보상요소 투입 (investment) 보상 (return) 투입및보상요소 자료 : Thomas(2013). Land Labor Capital Goods Financial Capital Intellectual Property Purchasing Price Profit from sales Capital Gains Income Profit from Markup Economic Success Profit from Fees 개요 물, 공기, 토양, 광물, 식물등제품생산에활용되는자연발생적재화 전문적기술, 마케팅등을포함하는생산에필요한인간의노동력 제품생산에사용되는, 인간이만든재화 제품생산을위한자본재구입에필요한자금 제품생산에사용되는아이디어, 상표, 저작권, 영업비밀, 특허 제품의시장판매가격 매출액이제품에투입된비용및세금을초과하여발생한금전적이익 자산가치의증가 개인의서비스또는노동에대한보상 생산비용과판매가격의차이 산업이해관계자의경쟁적이익을가져오는적정생산규모 매출액이서비스의비용및세금을초과하여발생한금전적이익 - 3D 프린팅의채택은기존제품을개선하고새로운제품의빠른생산을촉진하는등의형태로소비자또는최종사용자에게영향을미침 ( 특히복잡한형태의맞춤형제품수요충족 ). - 자본가, 금융업자, 제조업종사자등공급자는새로운제품의판매를통해수익을거둘수있으나, 일부는새로운제품이기존제품을대체하는형태가될것이며, 시장경쟁으로인해편익이감소할수있음.

86 86 제조혁신과소재산업 < 표 4-3> 3D 프린팅이해관계자의주요비용및편익 이해관계자편익비용 소유주신제품판매, 생산성개선연구개발, 장비구입 종업원 ( 제조업 ) 판매자 리쇼어링 (reshoring) 을통한일자리, 수입증가 신제품판매 표준기구경제적성공연구개발 운송서비스업자수요증가, 무게감소신제품 보관서비스업자수요감소수요감소 전문가집단경제적성공연구개발 금융서비스 수익 ( 금융 ) 제품신뢰성제고및클레임감소 ( 보험 ) 공공기관경제적성공, 삶의질향상연구개발 노동력, 종업원수감소가능성 맞춤형제품을위한소비자정보수집 초기비용 ( 자본투자, 연구개발 ) 산업공급자 * 수요증가수요증가대응비용 전문서비스수요증가수요증가대응비용 소비자 / 최종사용자신제품, 비용감소, 효율향상구매비용증가 자료 : Thomas(2013). 주 : * 유지관리및수리업, 폐기물처리업등은수요감소우려. 2. 생태계활성화촉진및저해요인 적층가공 (3D 프린팅 ) 은기존의제조공정과원천적개념에서부터큰차이가있는공정으로, 다양한파급효과가예상 적층가공의개념은설계, 조립은물론수요대응측면에서변화가발생할수있음을내포 - 즉, 3D 설계도만으로수요에대응한제품제조가가능하며, 추가비용없이복잡한형상의제품을즉각적으로수요시점에대응가능

87 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 87 < 표 4-4> 3D 프린팅생산방식의주요특징과그내용 핵심특징 다용도제조기기 추가비용없이최적화및유연성확보 추가비용없이복잡형상대응 조립공정감소 자료 : Weller et al.(2015). 개요 - 수요에대응한 3D 제품설계직접디지털제조 - 고정한계비용 ( 규모경제매우낮음 ) 으로최종제품즉시생산 - 표준인터페이스를갖는제조자원을활용한로컬생산가능 - 제조비용및시간손실없이맞춤형제품설계가능 - 기기셋업또는작업전환비용없이다양한제품을유연하게생산가능 - 제작도구또는금형불필요 - 추가적인제조비용없이매우복잡한설계가능 - 제품의디자인제약이거의없음 - 제품다양성으로인한비용손실없음 - 기능적으로통합된부품을직접생산가능 - 생산공정단계가적음 - 생산프로세스중수동개입이적음 이와같은핵심특징은기술적, 경제적측면에서다양한기회를부여하나, 아직극복해야할여러한계점이존재 - 기술적한계점으로는느린생산속도와적용가능한재료가제한적인점과생산제품의품질수준과관리가아직미흡한수준 - 경제적으로는규모의경제가없는점이소규모생산시장점으로작용하나대규모생산시에는오히려단점으로작용한다는점과, 관련투자비용이고가이고, 관련인력확보문제등다양한한계가존재 또한적층가공의주요핵심특징별로시장수익구조와시장구조에영향을미칠것으로예상됨. - 이와같은영향은다양한형상을맞춤형으로제조할수있다는점

88 88 제조혁신과소재산업 < 표 4-5> 적층가공의기회및한계요인 기술적특징 경제적특징 에서기인하며, 제품의다양성증가와건전한시장경쟁증가등을 유도 기회 - 제작도구및금형없이 3D 설계제품을직접디지털제조 - 제조비용소모없는제품설계변경 - 제조비용소모없는제품복잡도증가 ( 경량설계, 통합냉각실등 ) - 높은제조유연성 : 비용손실없이임의순서로제품제작가능 - 기능적으로통합된설계를한번에생산 - 남는재료및원재료요구량이적음 - 제품혁신가속및단순화 : 반복설계비용이없고최종제품의빠른출시가능 - 제품의고객맞춤또는기능개선 ( 경량등 ) 을통한프리미엄가격달성 - 제조비용소모없는고객 - 협력디자인 - 규모 - 범위딜레마 해결 : 제품의다양성확장으로인한비용손실없음 - 수요에맞춘주문생산으로재고가불필요 - 기능성제품의통합생산으로조립작업경감 - 시장진입장벽하락 - 로컬생산가능 - 장기적으로저임금국가의비용우위약화 자료 : Weller et al.(2015). 한계 - 재료의활용가능성 ( 재료조합불가등 ) 및제작가능크기제한, 느린제작속도 - 생산제품의품질이슈 : 부품재생산성제약, 환경영향에대한저항력부재 - 표면마감처리, 품질개선을위한후처리에여전히많은노력이소요 - 설계소프트웨어와 3D 프린팅을제대로사용하기위한가이드라인부족 - 고가의장비및소재 - 높은생산한계비용 ( 원재료비, 에너지등 ) - 규모의경제없음 - 퀄리티표준부재 - 기술적실행가능성에따라제품제한 ( 설계, 재생산성, 퀄리티, 속도등 ) - 지식재산권과품질보증제한 - 숙련노동자와많은경험요구 적층가공은제품자체의진화와가치사슬의진화모두에관련 제품진화는복잡형상제작등기능과연계되며, 가치사슬진화는수요대응력제고와연계됨. - 제품진화는현재항공기제조업및의료기기산업등소품종고부

89 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 89 < 표 4-6> 적층가공의핵심특징및기대효과 핵심특징 다용도제조기기 추가비용없이최적화및유연성확보 수익함수 (payoff function) 에대한효과 Product attribute address models 가가치제품을생산하는산업을중심으로기존의제조공정으로불 가하거나어려운공정을대체하는경향으로발전 - 가치사슬진화는자동차산업등대량생산체제에서특수제품의 유지보수및기타수요관리에탄력적으로대응하는데효과적 * 도요타자동차의 Just in Time 등과연계되어기술을개선하고자원유통 을합리화시키고과잉생산방지효과등이가능 시장구조에대한효과 - 맞춤형제품수요대응 - 제품다변화를통한경 - 제품변화에소요되는비제효과용절감가능 ( 일회성비 - 시장에출시된모든제품용감소 ) 을함께제공가능 - 손실없는맞춤형제품을통한가격프리미엄 - 제품별특화맞춤조건에대한시간손실없음 - 제품개선및디자인변추가비용경에추가비용소모없이없음복잡한 - 보다복잡한디자인에형상에대응대한비용부담없음 조립공정감소 자료 : Weller et al.(2015). - 전체시장에서비용손실없이높은제품유연성제공 - 소비자는가장선호하는제품구매가가능하나, 시장가격은낮아짐 - 기본제품의개조및재정박 (re-anchoring) 비용크게하락 : 보다높은다양성제공 - 추가비용없는매우높은수준의제품다양성 - 기본제품의개조및 - 총주문처리시간단축 re-anchoring 비용크 - 수작업요구조건단축으게하락로제조결함감소 - 조립집약적제품생산의한계비용절감가능 Game-theoretic models for technology choice - 복합적이고, 매우다변화된시장이한번에제공 ; 고정비분산이가능 - 제품운송장벽이낮아져시장경쟁증가 - 여러시장영역에참여할수있고, 유연성을높이는인센티브증가 - 변화하는고객선호에맞춘생산 - 규모의경제가비 -AM 기술의높은비용우위를앞서지않는한, 기업의유연성을높이는인센티브증가 - 조립집약적제품생산의한계비용절감가능

90 90 제조혁신과소재산업 < 그림 4-4> 제품및공급사슬에미치는적층가공의파급효과 제품에대한파급효과 제품의진화 수요에대한최적화 제품기능및성능의증대 복잡성증가에대한추가비용없음 정체 설계및쾌속성형 (RP) 맞춤성형 보완적능력 비즈니스모델의진화 대량생산최적화 사용시점생산 공급사슬직거래화 (Disintermediation) 수요자임파워먼트 (Empowerment) 및공동가치창출 가치사슬진화 사용시점근접생산 응답성및유연성 수요불확정성관리 재고감소 가치사슬에대한파급효과 자료 : Deloitte(2014). - 상기의두방향이결합되면, 형상대응측면의소량맞춤형생산및시점대응측면의대량생산공정효율화뿐아니라대량맞춤형생산이궁극적으로가능하여다양한비즈니스모델의창출이가능 - 제품진화및가치사슬진화각각의관점에서적층가공의세부적잠재력과포지셔닝을취할수있으며, 다양한범주의비즈니스기회가가능 < 그림 4-5> 적층가공기술의잠재력 ( 생산규모- 복잡성-최적화점 ) 자료 : Conner et al.(2014).

91 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 소재산업의중요성 소재산업은적층가공의핵심적인투입요소로중요한역할을담당 적층가공공정은사용소재에따라공정기술및방식이변화하기때문에소재기술은적층가공의경쟁력제고를위한원천 - 재료의성능, 특성, 조직및공정은상호밀접한관계에있는데, 주로벌크형재료에적용되는기존제조공정과분말형태의재료에적용되는적층공정은조직, 특성및공정모두달라기존의재료학적정보로는예측하기어려운복잡한현상을나타내기때문에, 추가적으로광범위한분석이요구됨. - 아울러, 재료의주요특징은기능, 형상및적용공정등을통하여나타낼수있는데, 궁극적으로관련한표준및인증등을통하여현실세계에서인정받는해당재료특유의신뢰성있는아이덴티티를가지게됨. - 또한, 재료의활용타당성은일반적으로성능, 내구성및경제성을 < 그림 4-6> 소재분야핵심연구내용간관계및주요특징 (a) 재료분야핵심내용간관계 (b) 재료의주요특징 (c) 재료활용타당성근거 자료 : Olson(1997), 서동혁외 (2015) 를재구성.

92 92 제조혁신과소재산업 종합적으로고려해야하는데, 이들은재료선정, 활용체계및가공성등과연계되어있음. 적층가공과직결되는소재개발을위하여는다양한사항에대한검토가요구되나, 연구초기단계로관련분야정보가별무하여적층가공수행시고려사항을더욱복잡하게만들고있음. - 소재관련연구개발은그어려움에도불구하고선제적, 전략적으로추진되어야함. * 1 설계, 소재, 장비, 공정및후처리공정등에서발생하는사항을고려해야할뿐아니라, 이들고려사항이상호연계되어있는점 2 통상적으로새로운재료시스템의활용방안을도출하는데 1년에서수년의기간이소요되는점및 3 전통적제조과정이아닌적층가공시에만발생하는새로운문제점의대두등은소재관련연구에대한높은진입장벽을형성하고있으나, 반대로진입장벽극복시에는오랜기간동안경쟁자와의차별화가가능 < 그림 4-7> 적층가공추진과정의복잡성 재료종류순도분말입도등 적층방향크기형상근접성등 에너지원특징속도열원노출패턴등 품질 소재 장비 공정 후공정 적층가공현황 표준화된소재와관련공정부재 새로운소재관련공정개발에는최소 1 년이상이소요 - 시뮬레이션요구증가 설계 형상지지대구조등 적층가공시감안사항 인장및컬링 적층면단차발생 수축현상 열방출 적층방향으로의이방성 국부용융 자료 : Roland Berger(2013) 를수정하여재작성. 표면처리열처리등 형상정확성표면마감재료물성등

93 제 4 장 3D 프린팅을통한제조혁신과소재산업 93 항공산업등을중심으로금속재료적층가공이상당부분운용되고있으나, 아직안정적생태계를조성하기위해서는다양한도전및해결과제가산적 선진국에서는항공산업등고부가가치산업을중심으로적층가공을위한소재연구가활발하게추진되고있으며, 그결과타산업에대한파급효과도클것으로예상되는등개발및사업화성패에따라제조업분야에서의핵심이해관계자구도까지재편될것으로전망됨. - 일본에서도최근항공기산업을중공업및정밀공업의마지막블루오션으로간주하고항공산업진출비중을공격적으로증가시키고있음. * 항공기산업은복합재, Ti합금등신소재와신공정기술이많이적용되었을뿐아니라, 자동차보다 100배이상의부품으로구성되어있기때문에산업가치가매우높음. - 또한, 적층가공산업이효율적으로발전하기위해서는소재개발과더불어설계, 표준및인증, 모델링, 모니터링및분석의모든기술내용이통합적으로발전하여야함. < 그림 4-8> 금속재료적층가공의효율적운용을위한핵심요인 자료 : Scott et al.(2012).

94 94 제조혁신과소재산업 아울러, 적층가공에서성공적인제품생산을위한소재관련연구개발은물론관련공정및장비의모든측면에서상호연관되고균형적인발전이필요 - 즉, 앞서언급한설계, 표준및인증, 모델링, 모니터링및분석등의전반적내용이소재뿐아니라, 관련공정및장비각각의분야에대하여통합적으로적용되어야진정한소재기술발전이가능 < 표 4-7> 적층가공에서의분야별도전과제 분야 소재 공정 장비 도전과제 공정 - 미세조직 - 특성 - 성능 (processing-microstructure-property-performance) 간상관관계부족 적층가공된부품의후처리관련이슈에대한이해부족 적층가공용소재의특성분석, 테스트및가용성부족 실시간공정진단및제어가가능한고속이미지프로세싱 (image-processing) 기술부족 재료조성, 형상, 응력및뒤틀림변형등을실시간측정가능한새로운모델또는장치부족 적층가공설계, 공정및재료를통합할수있는모델부재 사용상높은유연성을가진연구용적층가공장비의부재 온도, 응력과다양한감시및계측결과를효과적으로통합하여효과적인피드백제어가가능한새로운센서가부재 미세조직, 표면마감등을실시간측정하고제어할수있는장비부재 개선된해상도, 부품크기및등방성 (isotropic) 특성을가지면서도최종형상 (Net Shape( 현재는 Near Net Shape 수준임 )) 을생산할수있는능력한계 적층가공공정, 재료특성및결함, 기하학적변수, 시험절차및시편등에대한표준의부족 자료 : NIST(2013).

95 제 5 장 시사점 1. 3D 프린팅기반제조혁신을위한정책과제 장기적으로는 3D 프린팅의 DDM(Direct Digital Manufacturing) 으로의진화와하이브리드제조방안구축을통한스마트제조환경구축필요 산업최전선에이미 3D 프린팅이다양하게사용되고있으나, 기존제조방식을대체하기보다는상호보완적활용이요구됨. - 전통적인절삭가공 (Subtractive Manufacturing) 과적층가공 (Additive Manufacturing) 은상호배타적이아닌보완적관계로이들의결합을통한하이브리드제조 (Hybrid Manufacturing) 가요구됨. - 궁극적으로하이브리드제조는디지털 3D 콘텐츠와 IoT 를융합하여스마트제조 (Smart Manufacturing) 의기반역할을수행할것으로기대 * 3D 프린팅의적층제조와기존의생산방식을결합하면생산공정에서의

96 96 제조혁신과소재산업 결함이나다운타임, 소재낭비등을줄일수있고공장의생산능력과효율성을최적화하는등스마트제조의기초가가능해지며, 이를공장에서도출되는다양한정보와통합하고증강현실화를활용시통합제조솔루션으로서의스마트제조가실현될수있음. - 시스템구성요인뿐아니라이들간효율적연계도중요 * 설계자- 엔지니어, 하드웨어 -소프트웨어, 장비-부속품간연결고리가중요하며, 이들간상호작용이원활하여야작업효율과품질이제고될수있음. 아울러, 이종소프트웨어와하드웨어간표준화된커뮤니케이션시스템도필요 스마트제조를위해서는구상 (Ideation), 구현 (Realisation), 활용 (Utilisation) 의모든프로세스가유기적으로통합되어야함. - 이를위해서는사용자, 운용, 제품및시스템적차원에서의다양한요건이충족되어야함. < 표 5-1> 스마트제조를위한조건 분야충족요건예시 Engaged User Intelligent Model Realised Product Adaptive System 자료 : 산업연구원작성. 사용자의높은참여도와아이디어의공유를통한혁신잠재력제고 제조과정에서생성되는다양한데이터가상호연계되어제품의상태및이력을정확히파악 설계제품과생산제품의일치 새로운요구사항을지속적으로반영할수있는시스템 유저인터페이스높은접근성개인별맞춤정보 빅데이터시스템 3D 프린팅설계 - 제품간지속적피드백시스템공정별표준화및통합 오픈아키텍처지속적업그레이드

97 제 5 장시사점 97 생산성효율화등을위한기존공정에의다양한적용시도및리쇼어링정책추진타당성등검토필요 기존뿌리산업등생산기반공정에의 3D 프린팅적용을통하여, 기존산업의효율성및인지도제고를도모하는한편, 3D 프린팅의다양한비즈니스모델을확보 - 예를들면, 전통적주조방안과의융합을통하여제작기간단축뿐아니라현장소음, 분진및열기등감소를통한제작공정전체개선과이를통한장기적인제품경쟁력제고가능 일본등의경우제조혁신정책과생산성효율화등을통한자국유턴정책과의연계필요성이제기되고있음. - 한편, 한국은경제를뒷받침할근본역량의개선보다는중국의저렴한인건비등으로경쟁력을유지하려는전통적전략을고수하고있는실정 주요산업별특성을고려한적층가공기술의효율적확보방안필요 현재적층가공이가장활발하게적용되고있는분야는항공 ( 우주 ), 의학 ( 치의학포함 ) 및일부자동차분야로, 이들산업에대한적층가공의특장점개량을통해적층가공의산업적활용확대도모 < 그림 5-1> 기존뿌리산업중 3D 프린팅적용분야 제품및주조방안설계 주조 / 응고시뮬레이션 주 : 안은 3D 프린팅적용가능공정. 패턴제작 중자 (Core) 제작 주형예열및합형 용해및주조

98 98 제조혁신과소재산업 < 표 5-2> 주요산업분야별적층가공개선방향 복잡한모양의구조물개발 ( 격자구조등 ) 새로운공정모델링및관련기술개발 경량소재공정 (Ti 합금등 ) AM 에특화된파우더생산의품질개선 기능성개선을위한소재공정 가공및용접이어려운소재공정 (Ni 계합금, Ti 계합금, 초합금등 ) 완제품에소요되는원재료비율 (buy-to-fly ratio) 개선 항공우주응용분야의적층가공산업표준마련 항공우주 최적화된 AM 디자인을통해복잡한구조제품의조립단순화 맞춤형임플란트및의학디바이스를위한모델링방법 제품의기능성확보를위한모델링툴개발및수술이후제품성능 / 안정성연구 공정사슬단계축소개선 스마트지지체 (smart scaffolds), 바이오세포조직모델합성이가능한공정개발 세포반응및성장의모델링, 분석, 시뮬레이션을포함한바이오적층가공개발 인증된대형제작챔버개발 공통설계규칙개발 공정신뢰성개선 부품의재생산성개선 자료 : Allison and Scudamore(2014). 의학및치과 자동차 AM 기술을활용한대형비행기동체구조제작 첨단합금소재 (IN718 등 ) 의선택적재사용을통한유지보수효율개선 피로도및표면마감처리개선 현재 TRL 5~6 단계수준인노즐기반의 AM 기술의공정제어및재현성의획기적개선 검증및인증목적의 CAD 및비파괴시험기술의보완개발 공정제어및소재물성개선 모델링툴및소재공정개선 복잡한구조물의표면질및마감개선 디자인및프로세스플래닝툴의자동화평가 보다저렴한소재개발을통한비용절감 기존소재및 AM 기술 ( 제품특성포함 ) 의기계적, 열적특성검증 AM 용신소재개발및특성분석 (Mg, Cu, 생체친화적폴리머등 ) 기존제조업의제약에서벗어난자유로운디자인이가능하도록설계자의사고방식변화 하이브리드제조 생산속도개선 공정안정성개선 표준및인증개발

99 제 5 장시사점 99 항공우주분야 - 적층가공제품의생산효율및성능개선을위한공정, 모델링, 소재등적층가공기반기술개선 - 항공기용프레임제작, 복잡한부품디자인, 경량적층가공소재개발, 항공우주분야산업표준마련등을통해항공우주분야에서적층가공의산업적적용확대기반마련 의학및치과분야 - 맞춤형모델링, 제품의기능성및안정성검증, 저렴한소재개발을통한비용절감등으로제품의시장성확보 - 바이오친화적소재개발, 세포조직적층가공기술개발, 혁신적디자인방식마련등을통해의료분야의적층가공응용분야확대 자동차분야 - 제품및부품의대규모생산, 신뢰성및안정성확보를위한관련기술개발및표준 인증마련 2. 3D 프린팅소재기술발전방안 전통적절삭기반가공공정대비차별적비교우위를가지고있는적층가공의특징을고려한관련소재기술발전방안수립필요 적층가공의생산방식은고가의소재에대하여복잡한형상의소량생산적용을통하여그부가가치를극대화할수있음.

100 100 제조혁신과소재산업 - 현정부의 19대미래성장동력중하나로추진중인융복합소재의 Fast Follower 형재료 ( 타이타늄, CFRP, Hyper Plastic) 의상당분야는적층가공과연계하여시너지효과를나타낼수있을것으로사료됨. - 아울러, 정부가미래성장동력으로동시추진중인첨단소재가공시스템역시다양한분야에서적층가공공정의활용및연계가가능 - 융복합 첨단소재및이에연계된적층가공기술은일부국가에서독점생산하고있는등기술진입장벽이높지만, 기존소재산업과달리상대적으로대규모의자본재투입등으로인한투자리스크가크지않으며, 부가가치율은매우높아선제적기술개발의필요성이더욱큼. < 그림 5-2> 적층가공주요금속소재타이타늄의가치사슬단계별특징 자료 : 김상훈 (2015) 에서재인용.