기획특집 3D 프린팅이가져올제조업의미래 이경준과장 / 스트라타시스코리아기술영업팀 kyungjun.lee@stratasys.com 1. 3D 프린팅의개요 3D 프린팅이조명을받게된것은 2012년서구의유명매체들이 3D 프린팅을집중적으로다루기시작하면서부터다. 2012년이코노미스트 (The Economist) 지는내연기관, 컴퓨터에이은제 3차산업혁명의주역이라고언급하였으며, 타임 (Time) 지선정 2012년최고의발명품 26선, Finacial Times지에서는인터넷보다영향력이클것이라며비중있게보도했다. 국내에서대중들이 3D 프린팅에관심을갖기시작한것은 2013 년부터이다. 그해미국의오바마대통령이연두교서에서 3D 프린팅에대해혁신적인기술이라고언급을한이후로각종매체에서 3D 프린팅을다루기시작하였다. 2014년세계경제포럼에서세계 10대유망기술로선정되었으며, 2015년박근혜대통령도신년기자회견에서미래성장동력중하나로 3D 프린팅을언급하였다. 올해있었던다보스포럼에서는 3D 프린팅을인공지능, 로봇, 사물인터넷, 무인자동차, 나노바이오등과함께 4차산업혁명기술중하나로선정되었 다. 이처럼 3D 프린팅은전세계적으로화제의기술임이분명하다. 대중들이 3D 프린팅이란용어를처음접하게된것은 2010년대부터지만, 3D 프린팅기술이개발된것은 1980년대이다. 3D 프린팅은 3차원으로디자인된모형을열가소성수지, 액상수지또는파우더등의재료를사용하여조형하는기술이다. 세계최초의 3D 프린팅은미국 3D 시스템즈의창립자인 Charles Hull이 1986년발명한 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 기술의 3D 프린터로수조에담긴광경화성액상수지에레이저광을방출하여조형하는방식이다. 현재까지가장많이보급된기술인 FDM(Fused Deposition Modeling) 은열가소성수지를녹이면서적층하여조형하는방식으로 1988 년스트라타시스의창립자인 Scott Crump 에의해개발되었다. 이후 3D 프린팅의다양한기술과소재가개발되었다. 92 계장기술
3D 프린팅이가져올제조업의미래 기술재료특징 FDM (Fused Deposition Modeling) SLA (Stereo Lithography Apparatus) SLS (Selective Laser Sintering) ABS, PC, ULTEM 등플라스틱 광경화성액상수지 플라스틱, 금속파우더 열가소성수지필라멘트를녹여서적층하는방식이다. 또내열성및정밀도, 효율적이다. 수조에담긴광경화성액상수지에레이저를방출하여조형하는방식이다. 표면조도가좋으며, 미세형상조형이용이하다. 핟. 분말재료를레이저로소결하여조형하는방식으로높은강도와세밀한표현이가능하다. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) 금속파우더 금속분말을레이저로소결하여조형하는방식, 알루미늄, 구리, 스테인레스스틸, 티타늄등사용 3D 프린팅의주요기술 ( 사진출처 : 스트라타시스 ) 2. 왜 3D 프린팅인가? 3D 프린팅이새로운혁신이라고불리는것은전통적인제조업체계에서불가능하였거나, 비용과시간이소요되었던것에비해차별화되는장점들이있기때문이다. 3D 프린팅은 1) 디자인에구애받지않고복잡한형상의제품을생산할수있어 전통적인제품제작방식인절삭가공의단점은복잡한형상의구현이어렵고가공기기운용인원의숙련까지시간이필요한반면, 3D 프린팅기반인적층가공의경우형상에구애받지않고비교적빠른시간내에조형이가능하며, 제작과정의대부분이자동으로이루어진다. 2) 여러소재와색상, 다양한형상의제품을동시에출력할수있어전통적인제조방식에서는금형을각각제작하여생 2016. 6 93
스마트공장을위한솔루션과대응방안 (1) 산을하거나가공기에세팅값을입력하여한가지형상의제품만지속적으로생산하였으나 3D 프린터는플라스틱과고무재료, 투명재료등을동시에출력할수있다. 3) 조립을필요로하지않아전통적인제조업에서제작한복잡한부품들의경우가공및레이저컷팅을통해생산된부품을조립하였던반면, 3D 프린터는형상에구애받지않으므로부품의조립을최소로한디자인을바탕으로제품을생산할수있다. 조립에드는시간과비용을줄일수있다. 로켓제작업체인 ULA(United Launch Alliance) 는 140개의부품으로구성되었던 ECS 덕트를 3D 프린팅을활용하여 16개의부품으로줄일수있었다. 4) 대형설비를필요로하지않아소형, 소량의제품을생산하기위해서도대형가공기기를사용하였던반면, 3D 프린터는제품의크기에맞는 3D 프린터를선정하여운용하면된다. 그렇기때문에장소에영향을받지않고 3D 프린터를통해필요한제품을생산할수있다. 항공모함내에서 3D 프린터를활용하여필요부품을생산하는것은익히알려진사실이다. 5) 다품종소량제품생산에대응이가능전통적인제조업에서는설비와금형등의초기비용에대한높은진입장벽으로인해다품종소량의제품을생산하는것이매우까다로웠다. 하지만 3D 프린터를이용해더저렴한비용으로금형을제작하거나, 필요한수량만큼제품을생산할수있다. 6) 고객맞춤화가가능고객이원하는디자인과특성에맞는제품을 3D 프린터를통해제작할수있다. 고객맞춤화제품들은일반적으로고급화된상품들이거나비용이많이드는제품들이었지만 3D 프린팅을통해비용을줄일수있다. 예를들어, 미국뉴욕의 NORMAL이라는회사는고객의귀에맞는이어폰을 3D 프린터로제작하여판매하고있으며, 미국내보청기제작업체들은 3D 프린터를 활용하여고객에게맞춤화된보청기를제공하고있다. 3D 프린터를활용하여장애인에게맞춤형보조기구를제공하는등다양한국내외사례가있다. 7) 새로운공급망관리, 유통, 재고관리등이가능전통적인제조업에서는중앙집중화된공장에서제품을생산하여전세계적으로유통을하였다. 3D 프린팅을활용하여제작이가능한상품이라면언제어느곳에서든생산이가능하며, 판매지역과가까운곳에서생산거점을둔다면유통및재고비용을절감할수있다. 또한적시에고객에게상품을공급할수있다. 3. 3D 프린팅의활용분야세계에서가장권위있는 3D 프린팅시장조사기관인 Wohlers Associates는매년 3D 프린팅산업리포트를발행하고있다. Wohlers는 3D 프린터가활용되고있는산업을크게자동차, 항공, 전자및소비재, 군및정부기관, 의료및치과, 교육, 건축, 산업기기관련, 기타등으로분류하고있다. 3D 프린팅의활용분야는크게 3가지이다. 첫번째는컨셉모델제작이다. 3D 프린터가시중에출시된시점부터현재까지가장많이활용되고있는분야이다. 초기제품개발단계에서디자인의형상을확인하는용도로기존에외주가공을통해제작하였던방식에서 3D 프린터를활용하는것으로대체함으로써외주가공대비비용및시간, 보안유지의측면에서장점을가지게된다. 교육기관에서는참여자의상상력을구체화하는데 3D 프린터를활용하고, 의료기관에서는신체모형을프린팅하여교육용으로활용하거나수술가이드로활용하기도하다. 매체를통해알려진샴쌍둥이분리수술의경우에도수술전 3D 프린터를이용하여두개골의모양을프린트하여수 94 계장기술
3D 프린팅이가져올제조업의미래 Architectural Government/military 3.2% 6.6% Academic institutions 8.2% Medical/dental 13.1% Other 3.9% Motor vehicles 16.1% Areospace 14.8% Consumer products/electronics 16.6% Source : Wohlers Report 2015 Industrial/business machines 17.5% 여 20개월의제작시간을절감할수있었다. 컨셉모델과더불어 3D 프린터가활용되는대표적인분야이다. 컨셉모델직접디지털제조기능성시제품술계획을수립하였고성공적으로수술을마칠수있었다. 건축분야에서는각종모형용도로사용되고있다. 두번째는, 기능성시제품제작용도다. 컨셉모델에서진일보한것으로실제와비슷하게제품을만들어조립성및기능성을확인하는용도다. 3D 프린터의오차범위가적어야하며, 세밀한표현이가능해야한다. 기능성테스트를통해잠재적인오류를발견하고수정하게된다. 이탈리아의유명한모터사이클제조사인 DUCATI에서는 3D 프린터를활용하여엔진을 8 개월만에제작하였고, 기존 28개월소요공정과비교하 세번째는직접디지털제조이다. 지금까지 3D 프린터가시제품위주의용도로사용되었다면앞으로는툴링, 지그및고정구, 최종부품제작과같은직접디지털제조가 3D 프린터의주영역이될것이다. 특히지그및고정구등생산현장에서필요로하는각종보조기구의경우현재직접디지털제조영역에서 3D프린터가효과적으로활용되고있는분야이다. 자동차산업에서가장잘활용되고있으며, BMW 의경우약 400가지이상의지그및보조기구를 3D 프린터로제작하여활용하고있다. BMW뿐만아니라거의모든자동차제조회사에서시제품과지그, 고정구등의용도로 3D 프린터를사용하고있으며, 국내자동차회사에서도 3D 프린터를활용하고있다. 지그의기존제작방법은외주를통해가공기기로제작하거나, 레이저커팅으로가공한부품을조립하는것이었으나, 3D 프린터를도입한후사내에서작업자에게편안하고실용적인디자인으로제작하여비용과시간을절감하고, 작업능률을향상시키고있다. Local motors라는 2016. 6 95
스마트공장을위한솔루션과대응방안 (1) 미국의맞춤형전기자동차생산회사는대형 3D 프린터를활용하여자동차의차체를제작하고있다. 직접디지털제조분야에서주목할또다른분야는최종부품이다. 3D 프린터는항공기, 로켓, UAV(Unmanned Aerial Vehicle), 헬리곱터등항공산업에서최종부품제작용도로활용되고있다. 항공산업분야에서사용되는부품은내구성과안전성등엄격한검증을통해활용될수있는점을상기하였을때 3D 프린터의기술과재료가급속히발전되었음을확인할수있다. 2015년유럽최대의항공기제작사인에어버스 (Airbus) 에서는신기종인 A350 XWB를개발하면서 1,000개이상의부품을 3D 프린터로제작하여탑재하였다고발표하였다. 에어버스 (Airbus) 는 3D 프린터를활용하여부품제작의경량화, 연료효율증대, 비용감소, 제작기간 단축등의효과를거두었다. 건축분야에서는중국의잉추앙신소재주식회사가대형 3D 프린터 4대를이용하여 24시간동안 10채의집을짓기도하였다. 4. 맺음말독일의 Industry 4.0, 미국의 AMP, 중국의제조 2025, 우리나라의제조업 3.0과같은정책에서도 3D 프린팅은한축을형성하고있다. 대표적인독일의 Industry 4.0은사이버물리시스템기반의유연하고효율적인생산시스템을갖춘 Smart factory를추구한다. Smart factory는사물인터넷, 빅데이터, 인공지능, 로봇등을활용하여공급망관리, 생산공정자동화, 고객맞춤형제품생산에이르기까지제조업내전과정을유연하고 $5,500 $5,000 $4,500 $4,000 $3,500 $3,000 $2,500 Services Products $2,000 $1,500 $1,000 $500 $0 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 Source : Wohlers Associates, Inc. 3D 프린팅산업시장규모 96 계장기술
3D 프린팅이가져올제조업의미래 효율적으로혁신하는것으로생산제품에따라대량생산의방식과 3D 프린팅을활용한다품종소량의부품제작및고객맞춤화제품을생산하는방식을혼합하여최적의제조솔루션을찾아갈것이다. 올해발행된 Wohlers 리포트에따르면, 최근 3년간 3D 프린팅시장은연 31.5% 의성장률을보였으며, 2015년산업규모는전세계적으로약 6조원에이른다. 5천불이상의산업용 3D 프린터는 2014년에비해판매수량이 2.3% 줄어들었으나, 5천불미만의개인용프린터는 2014년에비해판매수량이 69.7% 증가하였다. 5천불미만의개인용프린터는교육기관또는개인, 중소기업, 테크샵과같은 Maker shop 에서주로사용되는것을미루어짐작하였을때, 아이디어를보유한개인은 3D 프린터를통해제조업에진출할수있는기 회를얻게될것이다. 30년전에개발된 3D 프린터가상업화에성공하고, 주요기업에서채택하기까지의시간보다앞으로의발전은더욱가속화될것이다. 3D 프린터를활용하여디자인에서생산까지한번에가능해짐으로인해인력및비용, 리드타임절감, 신제품생산기간의단축을통한시장선점, 다품종소량및고객맞춤화시장에대한대응등전산업분야에서 3D 프린터를어떻게활용할것인가에따라해당산업내에서의경쟁력은달라질것이다. 3D 프린팅은여전히우리가관심을가지고지켜봐야할기술이다. 320000 280000 278385 240000 200000 160000 120000 80000 40000 0 163999 87253 35708 24265 66 355 1816 5978 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Source : Wohlers Associates, Inc. Desktop 3D 프린터판매추이 2016. 6 97