제조업의 혁신? 3D 프린팅(Printing) 기본알 기! 3DTV, 3D영화, AR, VR 등 3D 기술을 이용한 관련 상품이 등장하고 있다. 그 중 가장 큰 주목을 받고 있는 기술은 3D 프린터(3D Printer)를 활용한 3D 프린팅(3D Printing) 기술이다. 그렇다면 3D프린팅은 왜 제조업의 혁신을 이끌 기술로 주목받는 것일까? 3D 프린팅(3D Printing)에 대해 알아보고자 한다. 1.제조업과 3D 프린팅(3D Printing) 1) 제조업 변화와 3D 프린팅(3D Printing) 제조업이란 원재료를 가공해 제품을 생산하는 2차산업에 해당하는 산업으로 섬유,건설,기계,화학,해운,자동차 산업 등을 포함한다. 18세기 영국에서 시작된 산업혁명은 인간의 노동력 중심의 소품종 소량생산에서 기계를 통한 소품종 대량생산이라는 제조업의 혁신을 가져왔다. 제조업뿐만 아니라 사회 전체에 변화를 가져온 산업혁명에 이어 제3차 산업혁명을 가져올 기술로 3D 프린팅(3D Printing) 기술이 주목받고 있다. 많은 전문가들은 이를 통해 다품종 소량생산이라는 제조업의 형태와 디자인 분야에서 다양 한 모습의 출현과 새로운 산업의 등장을 예상하고 있다. 2) 3D 프린팅(3D Printing) 개념 및 핵심 기술 3D 프린팅(3D Printing)은 1984년 미국회사 3D systems에서 발명한 기술로, 액체 및 고체 형태의 소재를 디자인 데이터로 만들어 3D 프린터를 통해 입체물로 제조하는 기술을 의미한다. 초기 제조업에서 제품을 대량생산하기에 앞서 시제 품을 빠르게 만드는 용도로 사용되었기 때문에 쾌속 조형(Rapid Proto typing)을 의미하는 RP라는 용어가 동의어로 사용되기도 한다. 또한 다양한 재료를 쌓아서 제품을 만든다는 의미로 적층가공(Additive Manufacturing AM)이 라고도 불린다. 적층가공 방식은 재료를 절삭해 제품을 만드는 절삭가공 방식보다 필요한 만큼의 원재료만 사용함에 따라 비용을 절 감하는 장점이 있다.
<일반 제조공정과 3D프린팅 제조공정 비교, 출처: 성장하는 3D프린팅 시장, 어떻게 진입할 것인가, 한국무역협회> 3D 프린팅 과정은 크게 ①3D 물체의 설계 도면을 만드는 모델링 ②원료를 쌓아 올려 물건을 실제로 만들어내는 프린팅 ③프린트 된 물체를 굳히거나 표면 처리를 하는 마무리로 크게 3단계로 진행된다. ①모델링: 모델링 과정에서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래픽 설계 소프트웨어나 3D 프린터에 구입 시 무료로 제공하는 소프트웨 어(번들) 전용 프로그램을 이용해 물체의 모양을 3차원으로 구성한다. 산업 현장에서 제품 디자인에 주로 사용되는 CAD로 만들 어진 데이터는 3D 프린터에서 사용되는 STL 파일 포맷으로 변환되어야 하며, STL 파일은 3D 모델 표면을 무수히 많은 삼 각형들의 집합으로 쪼개 각 점들의 위치 데이터를 저장하게 된다. ②프린팅: STL 파일을 3D 프린터에서 불러들이면 3D 프린팅 모델을 가로 방향으로 무수히 많은 얇은 막으로 쪼개어 데이터를 분석하게 되며, 재료 세팅 후 조형을 시작한다. ③마무리: 사용된 재료에 따라 차이가 있지만, 조형이 완료되면 완성물의 주변에 붙어 있는 찌꺼기나 부산물들을 제거하고 광경화 플라스틱의 경우 완전히 단단해질 때까지 굳히는 과정을 거친다. 경화 과정이 끝나면 표면 청소와 매끄럽게 만드는 작업, 코팅이나 페인팅 과정을 거쳐 최종 결과물로 완성된다. <3D 프린팅 공정 과정, 참고: 성장하는 3D프린팅 시장, 어떻게 진입할 것인가, 한국무역협회> 3D프린팅 기술은 2000년대 초반 3D 프린터붐에 대한 관심이 커지며 다양한 기술 방식이 개발되었다. 현재는 정밀성이 높은 선택적 레이저 소결 조형(SLS) 방식과 효율성이 높은 압출 적층조형(FDM) 방식이 주로 사용되고 있다.
<3D 프린팅 기술 유형 및 장단점, 참고: 3D Printing 기술 현황 및 응용 활용, 대한기계학회> 2. 3D 프린팅(3D Printing) 시장 및 국가별 현황 1) 3D 프린팅(3D Printing) 시장 현황 3D프린팅 기술은 미국 3D systems이 세계 최초로 3D 프린터 실용기계를 발매하면서 다수 기업이 진입하며 주목받기 시작 하였다. 본격적으로 시장이 형성될 수 있었던 요인은 2008년 적층 조형기술의 특허가 만료되면서 오픈 소스 기반 3D 프린터가 시장에 진입할 수 있게 됨에 따라 진입장벽이 낮아졌기 때문이다. 또한 2014년 금속에 대한 3D프린팅 특허가 만료되면서 현대 자동차는 곧바로 3D프린팅 시작에 참여하였다. *오픈소스: 하드웨어나 소프트웨어 등 제작 원천 기술을 공유하는 것 3D 프린팅(3D Printing) 기술은 다른 산업과의 융합을 통한 파급효과가 큰 차세대 핵심 제조 기술로 주목받고 있다. 왜냐하면 제조업은 기본적으로 소품종 대량생산의 구조를 가지고 있으나, 3D 프린팅을 활용한 다품종 소량생산으로 고객의 요구를 만족시킬 수 있기 때문이다. 그에 따라 전문가들은 3D 프린팅 시장에 대해 긍정적인 전망을 내놓고 있다. 세계경제포럼(WEF) 은 2013년 미래 10대 기술에 3D 프린팅 기술을 지목하였으며, 이코노미스트(Economist) 지는 100년 전 포드가 자동차 대량생산을 시작한 것과 같은 파급효과를 가져올 것이라고 전망하였다. 또한 미국 오바마 대통령은 3D컴퓨팅은 거의 모든 제품의 제작방식을 혁신할 잠재력이 있다. 3D 프린터를 통해 미국 제조업을 부흥시키겠다 고 발표하였다. 오바마 대통령의 발언은 3D 프린팅에 대한 세계의 관심을 불러왔으며, 값 싼 노동력을 찾아 중국과 인도로 떠난 미국기업들은 다시 본국으로 돌아가려는 고민을 하고 있다(리쇼어링, Reshoring). 미국 컨설팅기업 Wholers Associates는 2012년 프린터와 관련 서비스시장을 포함해 총 22억 달러 규모에서 2021년 108억 달러로 고속 성장할 것으로 전망하였다. 또한 미국 IT컨설팅기관 가트너(Gartner)는 전 세계 3D프린 터 출하량이 매년 2배씩 증가해 2014년 약 11만대에서 2018년 약 230만대를 상회할 것이라고 전망하였으며, 특히 1000달러 미만 3D 프린터 출하량은 11.6%에서 22.7%에 이를 것으로 예측하였다.
<참고: 3D프린팅산업과 기업의 대응전략, Deloitte 3D프린터 & 2018년 전세계 230만대 상회할 것, 임베디드월드> 실제로 3D 프린팅 시장에서 우위를 점하고 있는 미국은 미국항공우주국(NASA) 엔진연료 분사장치 제작에 3D프린티 기술을 이 용하고 있다고 발표하였다. 이는 3D 프린팅기술이 정밀도와 제작 속도 측면에서도 다른 산업에서 활용할 수 있는 수준에 이미 올 라와 있다는 것을 의미한다. 그러나 아직까지 3D 프린팅 기술은 시제품 위주로 이용되고 있으며, 관련 산업에 대한 생태계 조성 이 필요한 것으로 보인다. 또한 아직 제조업에서는 표준화 된 제품을 대량 생산함으로써 규모의 경제를 통해 가격에서 우위를 점하 고 있다. 2) 3D 프린팅(3D Printing) 국가별 현황 ①미국 2000년대 초반부터 수요기업을 중심으로 연구개발을 진행하여 국가 주도의 산학연 중심 로드맵을 작성하였다. 이 후 전반적인 3D 프린팅 분야에 집중 투자를 가속화하고 있으며 이렇게 개발된 기술을 우주항공, 방위산업 및 의료관련 분야를 중심으로 다양한 적용 분야를 개척하고 있다. ②영국 2012년 기술전략위원회가 3D 프린팅 연구개발에 700만 유로를 투자한다고 발표하였다. 이 후 약 9600만 유로를 3D 프린터 생산 및 측정 기술에 투자하고 있다. ③중국 중국 과학기술부 국가 기술발전 연구계획에 3D 프린터 사업을 포함하고, 3D 프린터 재료 핵심기술, 장비를 확보할 계획을 발표 하였다. Northwestern Polytechnical University of China에서는 승합기에 적용되는 5m의 티 타늄 빔을 3D 프린터로 만들고 있으며 2016년 상용화를 목표로 하고 있다. ④일본
중소기업 중심으로 의료분야 기술개발 및 제품 확산을 진행 중이다. 의료기기 전문업체 파소텍은 의료기구와 틀니 등을 3D 프린터 를 통해 생산하고 있다. <주요국 정책 동향, 출처: 한국3D프린팅협회 > 우리나라는 현재 미국과 유럽에 뒤쳐진 기술을 따라잡기 위해 2020년 3D 프린팅 글로벌 선도국가로 도약하는 것을 비전으로 설 정하였다. 또한 3D 프린팅 기술을 제조업 혁신 및 창조경제 신시장을 창출할 핵심 기술로 설정하여 3D 프린팅 산업 발전전략을 수립하였다. 추가로 발전을 위한 세부 추진과제를 마련해 정부주도 하에 적극적으로 육성할 계획을 구상하고 있다. 3. 3D 프린팅(3D Printing) 대표 기업 제품 및 활용 1) 3D 프린팅(3D Printing) 대표 기업 제품 3D 프린팅 시장을 이끌고 있는 대표 기업은 미국의 스트라타시스(Stratasys)와 3D systems를 들 수 있다. 현재 3D프린팅 시장은 시장 규모 크지 않기 때문에 두 기업은 경쟁력 강화 및 수익 향상을 위해 적극적인 인수합병(M&A)을 진행하 고 있다. 이에 미국의 휴렛팩커드(HP), 중국의 Beijing Tiertime 등 다양한 업체들이 시장에 진출하고 있다. ①스트라타시스(Stratasys) 스트라타시스(Stratasys)는 1989년 설립되어 열용해 적층법 관련 특허를 바탕으로 3D 프린팅 사업을 전개하였다. 2012년 이스라엘 3D 프린팅 회사 Objet와 합병을 통해 회사 규모를 2배로 증가시켰다. 이를 바탕으로 산업용 세계 3D 프린팅 시장에서 가장 높은 53%의 점유율을 차지하고 있다. 최근에는 국내시장으로 진출을 발표하고 약 600대의 3D 프린터를 판매하는 등 적극적인 투자를 확대하고 있다.
< 스트라타시스 사 데스크톱용 3D 프린터 Mojo, 출처: www.stratasys.co.kr > < 2015 한국기계전 에 참여해 3D 프린팅 기술을 시연한 스트라타시스(Stratasys), 출처: www.itdaily.kr > ②3D systems 3D Systems는 1987년 설립되어 업계 최초로 입체 인쇄술 특허를 바탕으로 3D 프린팅 사업을 전개하였다. 현재 세계 3D 프린팅 시장에서 스트라타시스(Stratasys) 사 다음으로 높은 22%의 점유율을 차지하고 있으며, 서비스 부분도 사업 에 포함시켜 수익의 다각화를 시도하고 있다. 이에 2012년 3D systems 총 매출에서 재료 판매가 차지하는 비중은 29%를 차지하였다. 최근에는 국내 3D 스캐닝 소프트웨어 업체 인수 등을 통해 국내 시장에 진출하였다.
< 3D systems의 가정용 3D 프린터 Cube로 가격은 1099달러, 출처: www.cubify.com > < 애플 아이패드와 연동하여 사용하는 3D 스캐너 i센스(sense)로 가격은 419달러, 출처: www.cubify.com > 2) 3D 프린팅(3D Printing) 활용 3D 프린팅 기술은 이미 산업 곳곳에서 활용되고 있다. Shapeways 사는 온라인에서 개인이 디지인한 제품을 3D프린팅을 통해 생산해주고, 다른 사람의 디자인을 공유하는 서비스와 다운받을 수 있도록 하는 서비스를 지원하고 있다. 산업에서는 자동차 회사 폭스바겐 그룹인 람보르기니는 스포츠카 Aventador의 시제품 제작에 3D 프린터를 이용해 20일이라는 자동차 제작 기 간을 줄이고, 약 3,000달러의 비용을 절감하였다. 또한 런던 올림픽에서 육상, 사이클, 경기장 디자인 등에서 사용되었으며
프랑스 디자이너 Luc Fusaro는 육상선수의 발을 스캔하여 런닝화의 무게를 96g으로 줄였다. 앞으로 3D 프린팅은 현실에 서 개인의 욕구를 만족시키며, 다양한 분야에서 활용 될 것으로 전망된다. < 다양한 분야에서 활용되고 있는 3D 프린팅(3D Printing) 기술, 출처: www.shapeways.com / www.kr.best-wallpaper.net / www.popsci.com > ①의료 바이오프린팅(Bioprinting) 바이오프린팅(Bioprinting)이란 인간의 치아, 뼈, 보형물, 장기 등과 같은 조직 모형을 생산하는 것을 의미한다. CT 나 MRI와 같은 의료용 장비를 통해 3D 모델링 작업을 거친 후, 프린팅이 가능한 파일(STL)로 변환하여 신체 부위를 프린 팅하는 과정을 통해 이루어진다. 이에 실제로 2009년 설립된 미국의 Bespke Innvoations 사는 뼈대만 남은 의족 이 아니라 실제 다리 모양과 유사하게 디자인한 의족 보조기기 Bespoke Fairings를 제공하고 있다. 또한 미국 Oxford Performance Materials 사는 올해 2월 두개골 임플란트 제작에 대한 법적 승인을 받아 제품을 상용 화할 예정이다. 이러한 바이오 프린팅(Bioprinting)을 활용한다면 환자 맞춤형 서비스을 통한 보청기, 틀니, 신체 보조 기기 제공 및 환자의 수술 부위를 재현하여 사전 시물레이션을 통한 수술 성공률 향상 등 보다 안전하고 효율적인 결과를 가져올 것이다. 그러나 3D 프린팅 제작물을 임상 적용하기 위해선 인체 안전성과 적합성, 법적 기준, 바이오프린 팅(Bioprinting) 장치의 의료기기 인정 여부 등의 과제가 해결되어야 할 것이다.
< 의료 분야에서의 3D 프린팅 기술 활용, 출처: 3D 바이오프린팅 기술개발 동향분석, 한국전자통신연구원 > ②식품 3D 푸드 프린터(3D Food Printer) 3D 푸드 프린터(3D Food Printer)는 세계 가전업계의 흐름을 보여주는 2015 CES에서 소개되며 크게 주목 받았 다. 그에 따라 올해 4월 네덜란드에서 세계 최초로 3D 음식 프린팅 컨터런스가 개최되어 초기 단계의 다양한 3D 푸드 프린터 가 소개되었다. 실제로 스페인 회사 내츄럴 머신(Natural Machines)은 2014년 3D 푸드 프린터 푸디 니 (Foodini)를 약 1300달러 가격에 판매한다고 발표하였다. 푸디니(Foodini) 는 플라스틱, 금속 등 재료 대 신 홈페이지에서 레시피를 다운 받은 후, 5개의 식재료 캡슐을 장착해 음식을 프린팅하는 방식이다. 그 결과 소비자는 냉동 식품 이 아닌 신선한 재료들로 만든 음식을 접할 수 있을 것이라고 전망하였다. 또한 MIT는 3D 푸드 프린터를 기반으로 한 초콜릿 을 만들고 디자인하는 디지털 쇼콜라티에 를 발표하였으며, 대만의 XYZ printing 사는 500달러라는 저렴한 가격에 3 가지 성분의 식재료와 노즐의 크기를 조절할 수 있는 프린터를 출시하였다. 3D 푸드 프린터로 만들어진 식품은 개인에게 최적화한 영양소, 약물을 첨가하거나 장기 여행자들의 식단 조절 등에 활용 될 것으로 보인다.
< 식품 산업에서의 3D 프린팅 기술 활용, 출처: 미래 식생활의 변화 3D 음식 프린팅, KB경영연구소 > 이 외에도 기술이 발전하면서 성능이 개선되고 가격이 저렴해진다면 완구류, 건축, 자동차, 항공/우주, 방위 등 다양한 분야에 서 활용될 수 있을 것이다.
< 참고: 3D 프린터 시장 현황과 파급 효과, KB경영연구소 > 4. 3D 프린팅(3D Printing) 발전 방안 제조업, 디자인에 혁신을 가져 올 것으로 주목 받고 있는 3D 프린팅(3D Printing) 기술은 아직 성장 초기단계로써 발전하기 위해 개선되어야 할 부분이 많이 있다. ①3D 프린터(3D Printer) 성능 개선 3D 프린터(3D Printer)의 가장 큰 장점으로는 빠른 생산속도와 다품종 소량생산 방식에 대한 비용 절감을 들 수 있다. 현재 3D 프린팅(3D Printing)은 시간당 3cm 두께에 해당하는 작업을 수행할 수 있다. 그러나 이는 현재 소품종 대 량생산의 산업에서 사용하기엔 아직 기술적으로 부족하다. 다품종 소량생산 방식의 경우, 생산 된 제품이 인기를 얻게 된다면 제품들을 대량생산해야 함에 따라 다시 비용은 증가할 수 밖에 없다. 이를 해결하기 위해선 무엇보다 소재가 한정적이고, 정밀도가 떨어지는 3D 프린팅 기술에 대한 연구개발을 통해 성능을 개 선함과 동시에 가격을 낮춰 캐즘(Chasm)을 극복할 방안이 필요할 것으로 보인다. ②3D 프린팅(3D Printing) 관련 제도 정비 첫 번째로 3D 프린팅(3D Printing)을 사용하기 위해선 CAD 시스템을 다룰 수 있는 전문 지식이 필요하다. 이를 해 결하기 위해선 CAD보다 쉬운 사용법을 개발하거나 CAD에 대한 교육기회를 제공하는 정부의 적극적인 노력이 필요하다. 두 번째로 3D 프린터를 이용할 수 있는 법적 기준과 설계 디자인에 대한 저작자의 권리를 보호해 주는 제도가 필요하다. 3D 프린터를 이용한다면 제품의 형태만이 아니라 성분까지 똑같이 한 불법 복제의 문제가 발생할 수 있다. 실제로 미국의 무정부주의 조직 디펜드디스트리뷰티드 그룹은 3D 프린터로 플라스틱 권총을 만들어 시험 발사에 성공했음을 발표해 미국 사회에 불법 무기류에 대한 우려를 증가시켰다. 가트너(Gartner)는 이에 따라 2018년까지 제작권 훼손에 따른 경제적 손실 규모가 약 1,000억 달러에 이를 것으로 전망하였으며, 3D 프린팅 산업이 활성화되기 위해서 저작자의 수입을 보장해 줄 수 있는 제도 정비가 필요할 것이다.
< (왼쪽)3D 설계를 위한 CAD 교육, 출처: http://www.pixelib.com / (오른쪽) 3D 프린터에 따른 불법 복제 위험,출처: 3D프린터 산업은 제조업 혁명의 구세주가 될 것인가, 디지에코 > ③3D 프린팅(3D Printing) 지원 확대 국내 3D 프린팅(3D Printing) 시장은 2012년 기준 300억원 규모를 형성하였으나, 고가 산업용 장비와 소재에 대 해선 90% 이상이 수입에 의존하고 있다. 즉 주로 개인과 저가 산업을 위한 장비를 생산하는 중소기업이 주를 이루고 있으며, 인력과 관련 기술 미흡으로 인해 기업의 시장 참여가 적은 상황이다. 이에 정부는 3D 프린팅 산업 발전전략 등 다양한 정책 을 추진하고 있지만 산업에서는 실제로 체감하기 어려운 실정이다. 국내에서 3D 프린팅(3D Printing) 기술을 통해 피규어를 제작하는 마이피규어 사는 초기 투자비용이 적지 않았으며, 오프라인 거점을 기반으로 해야하는 피규어 산업 특성 상 손익 분기점을 넘기는 것이 가장 어려웠다 고 말했다. 또한 3D프린팅을 대신해주는 업체 만드로(Mand.ro)는 작은 시장규모로 인해 공급만 넘칠 뿐 실제 수요는 많지 않은 상황 이라고 밝혔다. 이러한 점을 볼 때 국내 3D 프린팅 산업이 활성화되기 위해선 정부의 산업에 대한 체계적인 지원과 관련 산업에 대한 홍보가 필 요할 것으로 보인다. 5. 3D 프린팅(3D Printing) 전망 3D 프린팅(3D Printing)은 세계에서 제품이 아닌 설계도를 구매하는 형태의 제조업의 혁신을 가져올 것으로 주목 받는 기술이다. 많은 전문가들은 3D 프린팅(3D Printing)이 기존 제조 방식을 완벽하게 대체할 수 없지만, 새로운 산업을 형성할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 현재 3D 프린팅(3D Printing) 시장은 세계 1,2위 기업의 시가 총액이 약 11조원밖에 되지 않는 작은 규모를 형성하고 있다. 그러나 기술이 발전함에 따라 의료, 식품, 자동차, 패션, 건축, 항공 등 다양한 분야에서 활용할 수 있기 때문에 빠르게 성장할 것으로 예상된다. 이를 위해선 무엇보다 정부의 주도 하에 기술개발을 통한 성능 개선, 관련 제도 정비 및 지원 확대를 통해 초기 시장이 형성될 수 위한 정책이 필요할 것이다. 만약 3D 프린팅(3D Printing) 기술이 대중화된다면, 개인이 상상한 디자인을 현실화시 켜 개인의 욕구를 만족시키고 하나의 취미활동으로 자리잡을 수 있을 것이다. 이를 통해 미래에는 소비자가 직접 제조를 하는 컨슈팩처러(Consufacturer) 개념이 등장해 생활의 한 부분을 차지할 것으로 전망된다.
< 3D 프린팅(3D Printing) 기술 보편화에 따른 기대효과>