기계산업최신기술 3D 프린팅에의한제조기술의혁신 글 박장선한국과학기술정보연구원전문연구위원 3D 프린팅기술의확산 3D프린팅기술이주목받고있다. 적층제조 (Additive Manufacturing) 기법인이기술은미국을중심으로 3D프린터가개발되어세계에보급되면서 2012 년경부터 제2의산업혁명가능성, 혁신적제조기술 이라는표현으로국내외에서관심과대응이폭발적으로확산되고있다. 이미항공기, 자동차, 군용, IT 가전, 의료기기, 금형, 건설자재등산업의완제품또는부품과스포츠용품, 완구, 장신구, 일용품등일반소비재제조에서적층조형기술응용이빠르게확산되는추세다. 미국의오바마대통령은 2013년 2월교서에서 3D프린터의제조업허브를만들고적층조형에초점을맞춰새로운창업과제조업발전의견인역할을하도록제안했다. EU의주요국들도최근적층장치의적극적인개발과 3D프린터및프린팅기술연구개발및제조거점을형성해왔다. 일본과중국역시 3D프린팅기술연구개발과산업체제를발빠르게형성하고있다. 라이프사이클로보면 3D프린팅은도입기이다. 제조기술의 혁신 또는 혁명 을예상하는전문가들이있는반면, 한계를지적하는전문가도있다. 그러나분명한것은향후기술발전에따라제조산업의혁신에중요한영향을미칠것이라는데에는이의가없다. 3D프린터가급속히확산되고있는배경의본질은프린터자체가아니라 1950년대이후꾸준히진전되어온디지털제조기술의발전을가속시키고있다는점이다. 무엇보다중요한것은 3D 적층제조기술의이노베이션효과로서경제적임팩트가매우클것이라는데에있다. 주요보고서들은 3D프린터를비롯한적층제조장치에의한경제파급효과가 2020 년에약 220 억달러수준에이를것으로예상한다. 장치자체보다는관련시장과생산성향상에따른코스트절감효과가매우큰것으로나타난다. 이것은단기간에파급되는보기드문기술혁신효과다. 70 Machinery Industry
3D 프린터개발경쟁 3D프린터는데스크탑형의조형기를의미하기도하지만 재료를적층하여입체를조형하는기계시스템 으로정의할수있다. 3D프린팅은 3D프린터를이용하여입체형상을얇게잘라 (Slicing) 이얇은층을적층하여입체형상을만드는기술이다. 이기술은 1980년대에일본인이특허출원한이래개발이진행되어왔다. 초기에는 Rapid Prototyping, 즉, 시제품을빨리만들어내는도구로인식했으나이후 3D프린터를비롯한적층제조장치의성능과조형방법, 사용가능재료등여러특성을고려한제품으로발전하고활용방법도확대되었다. 적층제조의툴인 3D프린터는제조방식에따라 1980년대이후각국이특허경쟁에돌입했다. 특허출원건수에서는유럽이다수를차지했으나최종적으로는다양한적층방식과재료, 디지털소프트웨어에서기술적우위를보인미국의 Stratasys사와 3D Systems사등이특허를기반으로세계시장을독점하는체제로진행되어왔다. 특허만료와더불어독일의 EOS사등이시장경쟁에진출해있고, 싱가포르도저가 3D프린터시장에진입해있다. 일본기업들역시 3D프린터를시장에선보이고있으나미국과유럽메이커에경쟁력이현저히낮은수준이다. 3D프린터는특허기간만료효과와경쟁사들의시장진입러시로가격이지속하락하는추세다. Stratasys사의 uprint는 2010년약 2,000만원대에서 2014년 7월현재 900만원대로, Mojo는 2012년 1,230만원에서 2013년말 500만원대로하락했다. Pirate사 ( 싱가포르 ) 의 Buccaneer는 190만원, Romscraj사 ( 싱가포르 ) 의 romscraj Portable Go는 75만원, Opencube사 ( 일본 ) 의 SCOOVO C170은 190만원, 3DSystems사 ( 미국 ) 의 Cube 는 160만원대로하락추세다. 특히, 개인이나소규모기업의소비재 ( 완구등일반컨슈머제품 ) 제조용 3D프린터의경우는수십만원대의가격수준이다. < 표 1> 적층제조장치 /3D 프린터에의한경제파급효과 파급효과산출부문 금액 1 직접시장 장치 ( 적층제조장치, 3D프린터, 재료, 소프트웨어등 ) 1.0조엔 1 개인을위한출력서비스 1.1조엔 2 관련시장 2 부품등의직접조형 6.5조엔 3 교환용부품제조 3.1조엔 소계 10.7조엔 1 시제품 개발프로세스 1.6조엔 3 생산성혁신에의한코스트절감효과 2 제조프로세스 8.5조엔 소계 8.5조엔 합 계 21.8조엔 * 자료 : 일본경제산업성보고서 3Dプリンタが生み出す附加價値と 2つのものづくり~ データ統合力 と ものづくりネットワーク, 2014. 2의내용을정리 2014. 9 71
기계산업최신기술 < 표 2> 주요적층제조장치 /3D 프린터 (2013 년현재 ) 재료제조업체장치명적층두께 (mm) 조형사이즈 (mm) Arcam Arcam A2 0.05-0.2 200 200 550 Matsuura 제작소 ATOMm 0.025 400 400 300 금속 3DSystems Phenix PXL spro 250 0.02 0.02-0.1 250 250 300 250 250 320 ESO ESOINT M 280 0.02 250 250 325 Concept Laser M1 0.02-0.05 250 250 250 Stratasys Fortus 900mc 0.178 714 610 910 Objet1000 0.061 1,000 800 500 Dimension 1200es 0.33 254 254 305 Objet500 Connex 0.016 490 390 200 Mojo 0.178 127 127 127 Objet30 Pro 0.016 294 192 148 수지 EOS uprint SE EOSINT P 760 FORMIGA P 110 0.254 0.06 0.06 203 152 152 700 380 580 200 250 330 3DSystems ATOMm-400 0.025 400 400 300 ProJet 5000 0.029 550 393 300 ProJet 7000 HD/MP 0.05 380 380 500 EnvisionTEC ULTRA 3SP 0.025 266 184 193 Perfactory4 DSP XL 0.015-0.05 192 120 160 Keyense DWS 029J PLUS 0.01 150 150 100 * 자료 : 일본경제산업성보고서 3D プリンタが生み出す附加價値と 2 つのものづくり ~ データ統合力 と ものづくりネットワーク ( 2014. 2) 의내용을정리 < 그림 1> 적층제조기술에관한출원인국적별특허출원 (2001 2011 년 ) 중국, 133 건, 3% 한국, 72 건, 2% 미국, 1,242 건, 29% 기타, 192 건, 4% 유럽, 1,710 건, 40% 일본, 969 건, 22% 72 Machinery Industry
< 그림 2> 3D 프린터의외형예 Stratasys 사의 Objet350 Connex 3Dsystems 사의 ProJet 7000 3D 적층제조프로세스 3D프린팅프로세스는우선 1개층의단면을완성한후그위에별도의층을만들고이를반복하는형식이다. 기종마다층두께가여러가지있다. 산업용 3D프린터의경우, 0.2mm에서 16μm까지얇은것도있다. 3D프린터는재료적층방식이므로다른방식에비해조형할수있는형상제한이적다는점이특징이다. 절삭가공에서는커터없이절삭할수없고사출성형에서는금형없이형상을만들수없지만, 3D프린터의적층조형은이러한제한이없다. 단, 돌출 (Overhang) 부분의처리와같은과제가있다. 3D프린팅방식은여러가지가있으나기종의선택에서기계부품개발용은곧재료의선택용과같은의미로해석할수있다. 광조형방식 풀 (Pool) 방식 : 3D프린터중에서최초로실용화된것으로서현재도고급작업용으로사용되고 있다. 광조형 이란말로표현되는경우가많다. 페트 (PET) 형용기에광경화성액체폴리머 ( 경화성수지 ) 를삽입하고 UV 레이저를조사하면조사부분만경화한다. 부품의조형재인지지재료 (Support Material) 는가는기둥과같은형상으로조형된다. 데이터에대한형상의재현성도높고산업제품의시제품에도응용되는예가있다. 잉크젯방식 : 보급이가장활발히이뤄지고있는기종으로서 3D프린터 2대메이커인미국의 Stratasys사와 3D Systems사의주력기종이다. 이방식도광경화성수지를사용하며, 조형하는테이블위를헤드가움직인다. 각층의단면을조형하도록수지를정확히분무하며자외선을조사하여경화시킨다. 본래의재료와는다르지만실제사용하고자하는재료와물성이유사한재료의사용가능성이증가하고있다. 형상의재현성이높고, 형상의확인과교합 (Interdigitation), 기능확인을 2014. 9 73
기계산업 최신기술 위한 시제품 등의 목적으로도 사용하기 쉽다. 실어 공급하는 방식이며 여기에 광을 조사하여 조 형한다. 3D Systems사의 업무용 저가격대의 일 필름 반송 방식(FTI) : 광 조형법의 일종으로 풀 부기종을 대상으로 채용되고 있고, 재현성이 낮아 방식에 가깝다. 재료는 1개 층의 수지만을 필름에 기계설계용으로는 이용이 제한적이다. <그림 3> 3D프린팅기술로 제조한 제품 예 74 터보프롭 항공기엔진(Stratasys사) 자동차 계기판(3DSystems사) 발광체(EOS사) 수술교육용 흉부실물모형(Fasotec사) 제트엔진 연료분사장치(Morris Technologies사) 베트맨(Kraftwurx사) Machinery Industry
열용해적층방식 (FDM) FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은와이어형상의수지를뜨거운헤드로녹여 0.2mm정도의가는실형상으로단면을만드는방식이다. 1개층의조형이끝나면다음층을마지막으로조형한층위에조형한다. 다른방식에비해줄무늬모양이뚜렷하고, 평활한표면이요구될때는적합하지않아미세조형에는사용되지않는다. 마무리가공이나도장등후가공의가공성도좋은편이아니다. 3D 데이터만있으면원하는모든형태의부품제작이가능하다. ABS 수지재료는조형용으로사용하는다른재료보다고강도이며표면평활성에문제가되지않고취급이쉽기때문에기계부품기능을확인하기위해서는활용이유리하다고할수있다. 현재업무용 FDM 모델을판매하고있는메이커는 Stratasys 사가유일하다. 분말소결방식종류가많으며, 분말상의재료를레이저광으로소결하는방식이다. 다른방식의재료는수지만을대상으로하는데비해분말재료의방식은수지이외의재료를사용할수있다. 최근금속을이용한 3D프린터가출현했다. 분말재료에레이저광을조사한후이부분만을소결하여단면을조형한다. 1개층소결에의한조형이끝나면그위에새로운층을조형한다. 이방식으로대중화한것이나일론수지분말이다. 조형물은강도와유연성을가지며사용이편리한재료지만마무리가공에서가루가날리고연마가어려운경향이있다. 주요국의최근동향 주요국들은적층제조기술의이노베이션을위해산업발전전략을수립하고 R&D 및제조거점의형성과인력양성에활발히투자하고있다. 미국 : 제조업재생을위해해외진출기업의국내유치 (Reshoring) 정책및제조이노베이션정책의일환으로전국각지에제조이노베이션기관 (Institute for Manufacturing Innovation : IMI) 설치및전국네트워크화 (National Network for Manufacturing Innovation : NNMI) 가추진중이다. 2012년 8월적층제조기술관련 IMI로 NAMII (National Additive Manufacturing Innovation Institue : 현재 America Makes로개칭 ) 설치 했다. 2010년 10월연방정부는전국고교에 3D프린터등의도입을지원했고, 민간은공립학교에 3D 프린터를배포하는 MAKERBOT ACADEMY 를시행하고있다. 영국 : 2010년전국에기술이노베이션센터 (Catapult) 를설치하고네트워크화를추진했다. 현재 7개거점이형성되어있다 (4년간투자액은 4억파운드 ). 2011년 MTC(Manufacturing Technology Center) 를설치하여적층제조기술등고부가가치제조프로세스에특화한기술개발을하고있다. 21개중고교에 3D프린터교육을실시하고있고, 향후 60개교에 3D프린터를공급할계획이다. 2014. 9 75
기계산업최신기술 독일 : 2010년 7월 New High-Tech Strategy 2020 을발표하고, R&D거점으로 FhG를지정. FhG 레이저기술연구소에서적층기술연구를추진중이다. 2008년 Paderborn대학에 DMRC(Direct Manufacturing Research Center) 를설치, 2013년 1,100만유로를지원했다. 정부는직업훈련학교에 3D스캐너, 3D프린터사용환경을제공하고있다. 일본 : 2003년에정부주도로적층제조기술관련 설계 제조 가공 의기술로드맵을작성하고, 전국각지역의공설시험연구기관에적층제조장비의설치를지원운영중이다. 2014년 2월경제산업성이전략보고서 3D프린터가창출하는부가가치와제조기술 을발표하여적층제조기술발전을위한국가적정책방향을제시했다. 중국 : 1980년대부터주요대학에서적층제조 기술을연구하기시작한중국은 2012년적층제조관련산업및연구기관으로구성된 3D프린팅기술산업연맹 을발족하고, 2013년부터 세계3D프린터기술산업대회 를개최하고있다. 일부학교에서는 3D프린터를이용한교육을실시중이다. 2014 년정부는 전략하이테크연구개발 대상의하나로적층제조기술을제시하였다. 한국 : 정부는 2014년 4월발표한 3D프린팅산업발전전략 에서비즈니스, 기술경쟁력, 제도, 인력전략을제시했다. 오는 10월기술발전로드맵을공개할계획이다. 관련산업업계는 2010년 3D 융합산업협회의발족에이어 3D프린팅연구조합 (2013. 12), 3D프린팅산업협회 (2013. 12), 3D 프린팅협회 (2014. 6) 가출범하여교육 강연활동이활발하다. 또한정부가후원하는국내최초의 3D프린팅전시회 (3D Printing Korea 2014) 가 2014년 11월 COEX에서개최될예정이다. 3D 프린팅기술의발전전망과과제 독일 Paderborn대학의제조기술연구센터인 DMRC는항공, 자동차, 군사등고도의제조기술분야와개인소비제품 ( 가구, 스포츠용품, 장식용구, 완구등 ) 기술분야는 3D프린팅기술적용에차이가나타난다. 즉, 설계기준, 표면품질, 프로세스와품질의안정에서는공통적이지만제조기술, 비용, 프로세스속도, 조형의크기등제조에서는양자간에확연히다른특성을보인다. 이를기초로일본의전문가 ( 新ものづくり硏究會 ) 보고서는 3D 적층제조기술이앞으로 1 정밀한공작기계로서의발전가능성 ( 적층제조장치 ) 과 2개인을포함한폭넓은생산주체의제품제조도구 (3D프린터) 로서발전가능성등 2개의방향으로전개될것으로전망했다. 여기에는 3D프린팅관련장비들의수요와산업전망을포함한다. 최근까지세계의 3D프린터와사용을둘러싼수급은장치메이커의장치+재료+소프트웨어의일체화구조이다. 적층기술의특허만료에따라독자적인기술경쟁력확보가시급하다. 현재국내에서 3D프린팅붐이조성되고있는것은일단고무적이지만산업, 기술 ( 장비, 재료, 소프트웨어 ), 제도, 76 Machinery Industry
< 표 3> 정부의 3D 프린팅산업발전추진전략과과제 추진전략 세부추진과제 1. 수요연계형성장기반조성 2. 비즈니스활성화지원 3. 기술경쟁력확보 4. 3D프린팅관련제도개선 1 기업제조혁신지원 2 국민참여환경조성 3 기초 전문인력양성 1 비즈니스모델발굴및사업화지원 2 3D 프린팅용콘텐츠시장활성화 3 창업및글로벌진출지원 1 수요연계형전략기술로드맵수립 2 3D 프린팅소재 장비기술개발 3 3D 프린팅소프트웨어기술개발 1 법 제도개선 2 3D 프린팅설비 유통환경보안강화 * 자료 : 국가과학기술심의회, 3D프린팅산업발전전략 ( 안 ), 2014. 4. 23 인력등대부분의후진적인인프라수준을단기간에끌어올리기위해앞으로정부의 3D프린팅산업발전전략 에서제시한추진과제들을과감히해결해나가야한다. 외국과의기술경쟁력측면에서볼때우리나라의최대강점은 IT기술의구사능력이다. 3D프린팅기술의핵심은설계와디지털기술의융합이므로이의매개능력인소프트웨어를개발확보할수있으면 국내의 3D프린팅기술과산업은예상보다빠르게확산시킬수있을것이다. 이를위해아이디어를실체화할수있는시스템, 즉 3D프린팅소프트웨어응용을위한사회적, 산업적네트워크형성과콘텐츠개발이필요하다. 이자료는정부지원에의한 고경력과학기술인활용 지원사업 (ReSEAT 프로그램 ) 으로수행한보고서의일부를인용한것임. 2014. 9 77