3D 프린팅용금속소재 제조업혁신및미래시장 선점의기회 산업정보분석실 Tel: 02-3299-6033 e-mail: kimkiil@kisti.re.kr, 3D 3D 프린팅기술은분말, 액체, 와이어, 펠렛등다양한형태의물질을한층씩쌓아올려 3차원형태의입체물로제조하는기술이며, 기존의재료를 Cutting 이나 Drilling 을통해제조 조립하는방법에서벗어나디지털디자인데이터를이용, 소재를적층하여 3차원입체물을제조하는프로세스를말한다. 사실 3D 프린팅은공식적인용어가아니며절삭가공 (Subtractive Maching) 과반대되는개념인적층제조 (Additive Manufacturing) 가공식적인 ASTM 용어이다. 3D 프린팅은 2013 년 2월, 미국의버락오바마대통령이신년국정연설을통해제조업을살릴주요기술로지목되어적극적인투자가발표된이래로많은관심과주목을받았고, 2014 년맥킨지가선정한혁신성을지닌 12대기술중하나로선정되어신재생에너지, 셰일가스관련기술보다더큰경제적파급효과있는것으로평가받고있다. 국내에서도이러한기조에맞춰 3D 프린팅산업육성을위해범정부 3D 프린팅산업발전전략 을수립하고 (2014, 국가과학기술심의회 ), 미래창조과학부와산업통상자원부는 3D 프린팅산 학 연전문가로구성된로드맵수립위원회를공동으로구성, 국가차원의중 장기적인기술확보전략을마련하였다 (2014). 3D 프린팅기술은 1981 년최초로개발된이후 2000 년대초반까 지단순히제품모형및시제품제작등일부분야에국한되어사용됐 으나, 최근들어기술발전및경제성확보등의이유로다양한산업분 야에적용되고있으며, 특히기능성부품제조에활용되고있다. 이렇 듯 3D 프린팅기술에관심이집중되는이유는맞춤형다품종소량생 산에적합하고, 기존제조공정과는다르게조립비용을크게낮출수 있으며, 소비자가직접상품을만드는것이가능하다는장점이있기 때문이다. 이러한장점에힘입어의료, 항공부품, 건축등의제조분야 에점차적용이확대되고있으며, 기존의 RP(Rapid Prototyping) 가 적용되어자동차, 의료, 산업용, 기계, 교육건축및소비재산업부분 에서큰영향을끼치고있다. 3D 프린팅의대표적용사례 항공 기계 수술용인공기관 전투기용티타튬부품 ( 중국, AVIC 레이저社 ) 정밀기계제작 ( 캐나다, Solid-Idesa) 기관지이식 ( 미국, 캔사스의대 ) 01
3D 프린팅산업은소재의우수한특성이최종제품의특성과밀접 히연관있는소재중심의산업이지만, 현재 3D 프린팅산업은장비 기술보유업체가소재기술도동시에보유하고있는경우가많다. 그 런데고급 3D 프린팅용소재기술을함께보유한업체는거의없다. 특히국내에서는소재개발이되지않아글로벌선도업체에기초소 재를의존하는상황이다. 그리고선진 3D 프린팅업체들은, 전문소 재업체와제휴를통해사업을하거나전문소재업체의인수 - 합병을 통해시장점유율을높이고있어, 결국우수한소재의확보가장기적 관점에서핵심역량임이증명되고있다. 3D 프린팅기술은재료의적층을통해 3 차원형태의입체물을제조하는기술을말하며, 2013 년이후전세계적인관심을받고있는신기술이다. 한편 3D 프린팅용으로사용하는주요소재는합성수지와금속이 다. 그중합성수지를이용하는기술은거의완성형에다다른상태로 주로저가형 ( 가정용 ) 방식에적용되고있고, 금속의경우기술개발초기단계로고가형의산업용프린터및고부가가치산업에적용되고있다. 따라서최근개발이진행되고있는 3D프린팅의소재는금속분야이며, 주로 Ti 합금과초내열합금등과같은고부가가치소재가주로연구되고있다. 한예로 Ti 합금으로항공용부품인 Branket 제조시, 기존공법 ( 절삭 ) 으로는원자재대비버려지는비율인 Buy-To- Fly Ratio 가 33:1 로제조공업이원가상승의주요원인이되지만, 3D 프린팅적용시 Buy-To-Fly Ratio 를 1:1로줄일수있다. 금속소재를이용한 3D 프린팅기술을고부가가치산업에적용하기위해선저비용의금속분말제조기술및요구조건 ( 형상및크기등 ) 을만족시키는우수한특성의소재개발이필수적이다. Ti 분말을 3D 프린팅시스템에적용하기위해서는구형또는타원형의흐름성이좋은분말이요구되나현재까지개발된저가의 Ti 분말제조방법 (HDH 법, Hydride-Dehydride Method) 으로는고품질의구형또는타원형의분말이제조되기어렵다. 따라서고품질의금속분말을저가로제조할수있는금속분말제조기술의확보가금속소재를이용한 3D 프린팅기술의핵심이라고할수있다. 3D 프린팅용금속소재의종류및문제점 구분소재문제점 Ti 합금 Ti-6Al-4V, TiAl, TiNi 고융점으로인한분말제조어려움 금속간화합물의낮은인성 Refractory Metals W, Mo, Re 고융점으로인한분말제조어려움 금속간화합물의낮은인성 조형시고출력열원필요 Fe 합금 공구강, SUS, 17-4PH 가장많이사용되고있음 다원계합금조성필요 고밀도화를위한극미세화 저비용분말대량생산 Al 합금 Al-Si, 6000 계, 7000 계 고반사율로인한고출력열원필요 다원계합금조성필요 Ni 및 Co 합금 Superalloy, Co-C 비교적고융점에따른낮은치밀화도 ( 후가공필요 ) 낮은점성으로인한분말내부 Void 형성 Mg 합금 Mg 합금 폭발적인산소친화력 높은증기압에따른증발문제 ( 합금조성제어어려움 ) 자료 : J.S. Lee, J. Kor. Powd. Met. Inst. 22, 138(2015) 02
세계 3D 프린팅시장현황및전망 ( 단위 : 억달러 ) 연도 2013 년 2014 년 2015 년 2016 년 2017 년 2018 년 시장규모 30.7 40.0 53.0 70.0 94.0 125.0 자료 : Wohlers Report 2014 국내 3D 프린팅시장현황및전망 ( 단위 : 억원 ) 연도 2013 년 2014 년 2015 년 2016 년 2017 년 2018 년 시장규모 420 590 820 1,160 2,260 3,160 자료 : 3D 프린터기술시장동향, KIAT, 2016 최근기술발전에힘입어보잉은민간항공기용부품및전투기 F-18 부품을 3D 프린팅으로제작하고있으며, 포드, 페라리등도복잡 한부품을 3D 프린팅으로제작하여 30% 이상의비용을절감하게됨 에따라, 많은기업들이 3D 프린팅도입을앞다투어진행하고있다. Wohlers Report 2014 에따르면, 3D 프린팅세계시장규모는 2013 년 30.7 억달러에서연평균성장률 32% 로증가하여 2018 년 125 억달러가될것으로전망하고있다. 3D 프린팅의사용분야및점유율 6.8% 16.4% 자료 : Wohlers Associates, Inc. 3.6% 3.9% 5.2% 2014 년 (100%) 21.8% 18.6% 10.2% 13.4% 한편, 국내시장의경우 2013 년이후연평균성장률이거의 50% 에 가까울정도로급성장중이지만국내업체의시장점유율은세계시 장의 1.5% 에불과하다. 그리고일부중소 / 벤처기업을중심으로제 품개발및상용화초기단계에진입하였으나세계시장을선점하기 에는아직까지기술적으로해결해야할난제가산재해있다는평가를받고있다 (3D 프린터기술시장동향, KIAT, 2016). 현재는 3D 프린팅시장이장비중심으로형성되어있지만기술활성화에따라제품시장과서비스시장이확대되는경우, 제품생산에비례하여소재를소비하는구조이므로소재시장이크게성장할것으로예측된다. 뿐만아니라시장활성화및성장으로인해소재공급업체의수요가증가하고, 이에따라소재단가가인하될것으로기대된다. 3D 프린팅소재로서가장많이이용되는것은 PLA, ABS 등과같은고분자수지, 알루미늄, 티타늄등의금속분말이며, 특히금속분말을이용한 3D 프린팅은금형, 치과, 자동차, 우주항공분야등에주로사용된다. 이러한메탈 3D 프린팅분야에서가장고부가가치를가진금속은 3D 프린팅소재가가져야하는강도, 내식성등여러물성을골고루만족하는티타늄이다. 그리고티타늄자체로도사용되지만주로티타늄합금형태로사용되며, 망간또는알루미늄과합금으로주로사용된다. KEIT(2014) 의 3D 프린팅고분자소재의현황과연구방향 이라는보고서에따르면, 3D 프린팅소재시장은 2014 년 6억 1,500 만달러규모로써, 전체 3D 프린팅시장에서약 15% 정도를차지하는것으로조사되었으며, 그소재시장중티타늄등과같은금속분말시장은전체소재시장의 14% 를차지하는것으로조사되었다. Wohlers Report 와 KIAT 보고서를참조하여, 3D 프린팅시장은세계시장 32%, 국내시장 50% 의높은성장률을보이며, 또한전체 3D 프린팅시장중소재시장이 15% 를차지하고, 티타늄과같은금속분말은그소재시장의 14% 를차지하는것으로예측할때, 3D 프 03
3D 프린팅용금속소재국내외시장규모전망 ( 단위 : 억달러, 억원 ) 연도 2017 년 2018 년 2019 년 2020 년 2021 년 CAGR(%) 세계시장 2.0 2.6 3.5 4.6 6.0 32% 국내시장 47 66 100 149 224 50% 자료 : Wohlers Report, KIAT 보고서를참조하여추정함 린팅금속소재세계시장은 2021 년 6 억달러, 국내시장은 244 억원에 이를전망이다. Wohlers Report 2014 등에의하면 3D 프린팅금속소재세계시장규모는 2021 년 6 억달러에이를것으로전망되며, 국내시장은 2021 년 224 억원에이를것으로전망된다. 하였고, 로킷은 3D 프린터의오픈소스기술기반 FDM 방식의데스크톱형 에디슨 을개발하였다. 인스텍은 DMT기술기반장비를개발하여관련원천기술을보유하고있으며, 국내전자회사, 의료회사, 연구소등에장비를납품한실적이있다. 엔피케이는 3D 프린터의주원료인열가소성수지의착색컴파운드및고농도안료의뱃지설계 개발 생산 판매를하고있으며, 새로운가공안료를연구 개발중이다. 국가별 3D 프린팅누적사용량 세계시장에서대표적인 3D 프린팅업체로는미국의 Stratasys, 3D Systems, 독일의 EOS(Electro Optical Systems) 등이있다. Stratasys 는 2012 년이스라엘의 Objet( 시장점유율 15%) 를인수하였으며, 3D Systems 도미국의 Z Corporation( 시장점유율 11%) 을인수하였다. Stratasys 와 3D Systems 는적극적인 M&A를통해각각세계시장의 53% 와 22% 를점유하며선두기업을형성하고있고, 미국의두기업이세계시장의 70% 이상을장악하여시장선점을위한주도권경쟁을펼치고있다. 또한미국의일반프린터글로벌기업인 HP는 2014 년 멀티젯퓨전 이라는새로운 3D 프린팅기술을발표함으로써, 3D 프린팅시장에새롭게진입하였다. 일본에 3D 프린터가처음으로도입된것은 1987 년, 3D Systems 사의 SLA 시리즈판매로부터시작되었다. 이후미츠비시, 소니, JSR, 데이진, DMEC, NTT 데이터등많은기업이시장에진입, 합병, 사업매각, 철수등을하면서현재에이르고있다. 현재일본시장에서사업중인 3D 프링팅업체로는열용해방식의 Stratasys, 3D Systems, Open Cube, Micro Factory, Hot Proceed 등, 잉크젯방식의 Stratasys, 3D Systems, Keyence 등, 분말방식기업으로 3D Systems, Aspect, EOS, Ex One 등, 광조형방식기업으로 3D Systems, DWS, Envisiontec, Cmet, Azuma Kouki, Formlabs, Hot Proceed 등이있다. 한국의캐리마는 2009 년 DLP 방식의 3D 프린터 마스터 를개발 1.4% 1.5% 1.3% 8.7% 2.3% 9.7% 자료 : Wohlers Associates, Inc. 12% 3.8% 4.2% 3.2% 9.4% 1.2% 1998 년 ~2012 년 (100%) 금속소재를생산하는업체중심으로살펴보면, 주요업체및사용 금속, 응용제품이표에나타나있다. 일반적으로 3D 프린터업체들은 대부분장비와금속소재를같이공급하고있으며, 장비업체들은매 출의약 25~30% 를소재제품에서얻고있다. 38% 1.4% 1.9% 3D 프린터는최근세계적으로빠르게확산되고있으며, 공정스크 랩발생량저하로인한생산단가절감, 종래제조기술대비제조비 04
3D 프린팅금속소재주요제조업체 업체명사용금속응용제품 EOS ExOne Arcam Co-Cr steel Incornel super alloy Aluminum alloy Carbon fiber/titanium 18K Gold Titanium Red brass Stainless steel/bronze Titanium Ti6Al4V Titanium Ti6Al4VELI Titanium alloy Grade 2 Cobalt-Chrome, ASTM F75 항공기연료분사장치, 틀니항공기연소기부품, 가스터빈휠서스펜션, 열교환기드라이브샤프트귀금속장식품운동화부자재, 의족엔지니어콤프레셔펌프하우징펌프부품자동차기어박스, 항공기터빈브레이드 Acetabular cup, 두개골임플란트 Acetabular cup 부품 / 엉덩이뼈임플란트 용절감등의효과가기대되는기술이다. 현재합성수지를소재로이 용한 3D 프린팅시장은이미미국, 일본, 독일등선진국들의주도하 에선점되었으며, 가격도저가형 ( 가정용 ) 방식에적용시킬수있을정 도로저렴해져원활한소재공급이이루어지고있다. 국내 3D 프린팅기술은아직미비하지만우리나라가강점을지닌티타늄합금등소재기술을잘활용한다면향후시장주도권을확보하고선진기술을선도할수있을것으로기대된다. 국내기술수준은세계수준대비 10 년이상뒤처져있는것으로 판단되며, 충분한시장성숙으로인해시장주도권확보가쉽지않을 것으로예상된다. 반면에의료, 국방등고부가가치산업에적합한티 타늄합금등의금속소재를이용한 3D 프린팅시장은아직개발초 기단계로서, 우리나라가강점을지닌소재기술을잘활용하고, 국내산업실정에맞는제품군에대한선택과집중이이루어진다면향후시장주도권을확보하고선진기술을선도할수있을것으로기대된다. 이를위해서는우수한특성의소재를저렴한비용으로제조할수있는기술의개발이매우시급하다. 이를통해시장의발전속도및활용분야의다양화가결정될것이고, 시장발전의핵심요인으로작용할것으로전망된다. 또한우리나라에서도 3D 프린팅에대한관심이점차증가하고있지만, 초기장비투자비에대한부담, 생산속도, 제품의강도및정밀도에대한편견과우려가 3D 프린팅시장의확대를가로막고있다. 따라서 3D 프린팅을직접체험하고홍보할수있는여건을마련하고, 사람들의인식제고를위한정부의정책적지원과사업모델등은더보완되어야할것으로보인다. 구독및배포문의담당자 Tel: 02-3299-6106 e-mail: kh.kim@kisti.re.kr 05