박 형 욱 울산과학기술대학교 기계 및 신소재공학부 부교수 ㅣe-mail : [email protected]
최근 3D 프린팅(3D printing) 기술은 기존의 산업적 응용을 넘어서 현재 제조업의 혁명을 가져올 차세대 기술로 주목 받고 있다. 이 글에서는 국내외 3D 프린팅 기술 현황에 대한 개략적인 소개와 다양한 산업계에의 응용 사례에 대해 소개하고자 한다.
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현재 제조업에서 주로 이용되는 생산방식은 큰 원재 료를 자르거나 다듬는 절삭가공방식이다. 그러나 고객 들의 요구가 다양해지고 제품 생산 경향이 기존의 대량 생산이 아닌 다품종 소량생산으로 변화됨에 따라서, 3D 프린팅기술의 산업적 응용을 넘어서 기계나 부품 생산뿐만 아니라 의료, 식품, 패션에 이르기까지 3D 프 린팅기술을 이용한 시제품들이 언론상에 보도되고 있 다. 이에 따라서 전 세계적으로 3D 프린팅기술은 3차 제조업 혁명을 주도할 기술로 주목받고 있다.
3D 프린팅 기술은 간략하게 정의하면 3차원의 입체 물을 만들어내는 기술이다. 이 기술은 그 역사가 오래 된 기술로서 30년 전인 1984년에 미국의 Charles W.
Hull이 설립한 회사 3D systems에서 발명된 기술로, 이 미 항공/자동차 산업에서 제품의 대량생산 전에 디자인 평가를 위해서 시제품을 만드는 용도로 사용되고 있었 다. 그런 측면에서 쾌속 조형(Rapid Proto
typing)을 의미하는 RP가 3D 프린팅기술 동의어로 종종 사용되기도 한다.
2013년 초에 미국 버락 오바마 대통령의 국정 연설에서 3D 프린팅을 미국 제조업을 부흥시키는 방법론으로 언급하고, 이에 따 라 현재 전 세계적으로 3D 프린팅 기술에 대한 관심이 크게 고조되고 있다. 이와 동 시에 이 기술에 관련 원천 특허권이 만료되
고 IT 기술의 발달로 3차원 데이터의 제작과 보급 확산 이 전 방위적으로 이루어지면서, 가정에까지 보급될 수 있는 저렴한 프린터가 만들어지고 있다. 현재 대부분의 가정 보급형 프린터는 200만 원 정도로 구입이 가능하 며, 이러한 개인용 3D 프린터의 보급도 활발하게 진행 되므로, 향후 본 기술로 인해서 제조업 패러다임이 바 뀔 것으로 예상된다. 또한 현재의 공장 중심 공정 생산 (Factory Manufacturing)에서 가정 생산(Home Manu- facturing)으로 변화됨에 따라서 다품종 소량생산이 가 능해지고 제품을 구매하는 것이 아니라 제품의 설계도 를 구매하는 소비 혁명이 일어날 것이란 예측도 나오고 있는 실정이다.
최근 언론 매체를 통해서 소개된 3D 프린팅의 다양 한 활용 사례를 보면 이러한 전망이 실현될 날은 멀지 않아 보인다. 그림 1에서와 같이 전 세계 3D 프린터 시
3D Printing 기술 현황 및 응용 개요
그림 1산업별/용도별/국가별 시장 점유율(Wohlers Associates Inc.
2012)
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장에서 우위를 점하고 있는 미국은 기술의 적용 사례로 NASA(미국항공우주국) 엔진 연료 분사장치 제작에 3D 프린터 기술을 이용하고 있다고 발표했다. 이러한 분야의 경우 이전에는 3D 프린팅기술이 적용할 수 없는 분야였지만 이와 같은 적용사례를 기 반으로 볼 때 3D 프린팅기술이 정밀도와 제작 속도 측면에서도 다른 산업에 충분히 활용될 수 있는 수준으로 올라 왔다는 평가 도 나오고 있다. 또한, 그림 2에 나타나 있 듯이 명품 브랜드의 신발 디자인 시제품에 서부터 자동차 대시보드의 시제품 제작, 치 과 교정기 등에 폭넓게 활용되고 있다. 그 렇지만 아직까지는 시제품 위주로 3D 프린 팅기술이 이용되고 있으며, 향후 이 기술이 완성품이나 부품제작에 이용될 것으로 예 상된다.
따라서, 3D 프린팅 시장은 향후 크게 성 장 할 것으로 예상되며, 일반 프린터 시장보 다 훨씬 더 큰 시장으로 자리잡을 것으로 생각된다. 부가적으로 다양한 제품과 산업 에 적용될 수 있기 때문이다. Wohlers Associate는 세계 3D 프린터 시장이 2015년 37억 달러에서 2021년 108억 달러로 성장 할 것이라고 예상하고 있다. 그러나 아직까 지는 국내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 전무하다.
3D 프린팅 기법의 기술적 개요 및 분류
3D 프린팅 기술은 적층 제조기술(AM:
Additive Manufacturing)이라고도 하며, 그 림 3에 나타나 있듯이 기존의 재료를 절삭 이나 드릴을 통해 입체물을 제조 및 조립하 는 방식에서 벗어나 다양한 방법의 적층
그림 3기존 제조방법 vs 3D 프린팅 방법 비교 그림(한국기술평가원 2013 KEIT PD 보고서)
그림 43D 프린팅에 사용되고 있는 소재 그림 23D 프린팅의 산업적 응용 분야
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3D Printing 기술 현황 및 응용 개요
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(additive)방법을 통해 3차원의 입체물을 제조하는 방법 이다. 기존의 제조 공정과는 다르게 조립비용을 크게 낮출 수 있으며, 현재의 절삭 위주인 기존의 제조 공정 기반 대량 생산을 대체하기 위한 3D 프린팅기술에 대 한 연구가 진행 중에 있다.
따라서, 본 3D 프린팅기술의 경우 맞춤형 다품종 소 량 생산에 적합하며, 이와 동시에 소비자가 직접 상품 을 만드는 것이 가능해지므로 중요한 활용 분야 중 하 나로 환자 개인의 몸에 맞는 부품(Customized Part)이 필요한 의료 분야를 꼽을 수 있다.
이 3D Printing에 사용되는 소재로는 그림 4에 나타 냈듯이 엔지니어링 플라스틱, 유리, 탄소 복합제와 같 은 복합재료 등 거의 모든 재료가 사용되고 있으며, 와 이어, 분말, 필름을 레이저 열원이나 가열된 롤을 가압 하여 적층하며 기술적으로 완성단계에 가까이 와 있는 편이다. 그러나 금속 소재의 경우 아직 기술개발의 초 기 단계에 있으며, 이종재료 적층, 고정밀 적층, 적층률 향상에 초점, 와이어나 분말을 레이저나 전자빔, 플라 즈마 열원으로 용융 또는 소결하여 적층, 금속 포일 상 부에 초음파 롤을 가압하여 적층, 스프레이로 분사하여 적층하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 모델링-프린팅-피니싱의 과정을 거쳐 3D
프린팅이 이루어지며, 다양한 방법의 적층 방법이 개발 되어 적용되고 있다. 구체적으로 적층방식 및 사용되는 재료에 따라서 다양한 기술들이 존재하며, 현재에는 정 밀성 및 효율성이 높은 선택적 레이저 소결 조형 (Selective laser sintering), 압출 적층 조형(Fused deposition model) 방식의 3D 프린터가 전 세계 시장에 서 제품들의 주류를 형성하고 있다.
3D 프린팅 기술의 전 세계 연구개발 현황
2013년 미국 오바마 대통령은 오하이오의 3D 프린팅 기술 관련 제조업 혁신 네트워크(연구소) 성공 사례를 벤치마킹할 의사를 피력했으며, 이를 토대로 향후 미국 내 다른 지역 15곳에 제조업 허브를 구축해 첨단 기술 의 메카로 성장시키고 있다. 또한, 미국의 경우 2000년 도 초반부터 수요기업을 중심으로 연구개발을 진행하 였으며, 이후 국가 주도적 산학연 중심의 로드맵을 작 성하여 전반적인 3D 프린팅 분야에 집중 투자를 가속 화하고 있고 이렇게 개발된 기술을 우주항공, 방위산업 및 의료관련 분야를 중심으로 다양한 적용 분야를 개척 하고 있다. 호주의 경우 3D 프린팅기술 개발 관련 로드 맵은 미국과 거의 유사하나 호주의 강점인 신소재 개발
3D 프린팅기술 유형 선택적 레이저 소결 조형 (Selective Laser Sintering)
압출 적층 조형 (Fused deposition modeling)
직접 금속 레이저 소결 조형 (Direct metal laser sintering)
광경화수지 조형 (Stereo lithography)
적층물 제조
(Laminated objectmanufacturing) 전자빔 소결
(Electron beam melting)
소재 Thermoplastic, Metals powders, Ceramic powders Thermoplastics, Eutectic Metals
Almost any alloy metal
Photopolymer
Paper, Foil, Plastic film
Titanium alloys
레이저로 재료를 가열하여 응고시키는 방식으로 높은 정밀성을 가짐
고체수지 재료를 녹여 쌓아 만드는 방식, 제작 비용과 시간 면에서 효율적
금속 파우더를 레이저로 소결시켜 생산하며 강도 높은 제품 등에 사용
레이저광을 선택적으로 방출하는 방식, 얇고 미세한 형상 제작
종이와 같이 층으로 된 물질을 겹겹이 쌓아 만들며, 재료물질이 가장 저렴
전자빔을 통해 금속파우더를 용해하여 티타늄 같은 고강도 부품을 제조 기술의 장단점
표 13D 프린팅 기술의 유형 및 장단점
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및 응용 분야를 확대하고, 개발된 신소재의 산업표준 분야에 대해서 집중하고 있다. 영국의 경우 2012년 10 월 기술전략위원회에서 3D 프린팅 연구개발에 700만 유로의 투자를 발표하였으며, Inspiring New Design Freedoms in Additive Manufacturing 전략위원회 보고 서에서 영국은 9,600만 유로를 측정 생산기술에 투자한 것으로 보고되고 있다. 바로 옆에 있는 일본의 경우 중 소기업 중심으로 의료분야 기술개발 및 제품 확산을 진 행하고 있으며, 한 예로 의료기기 전문업체 파소텍은 의료기구, 틀니 등을 3D 프린팅을 통해 생산하고 있다.
개발도상국이면서 세계의 공장이라고 불리 는 중국의 경우에도 중국 과학기술부 국가 기 술발전 연구계획 및 2014년 국가과학기술 제조 영역 프로젝트 지침에 3D 프린터 사업을 포함 하고, 3D 프린터 재료 핵심기술, 장비를 확보할 계획이다. 특히, 중국의 경우 정부출연연구소 중심의 기술개발 및 관련 기업육성 등에 주완 점을 두면서 3D 프린팅에 대한 연구를 진행하 고 있다. 한 예로 중국 Northwestern Polytech nical University of China에서는 5m의 C919 승 합기에 적용되는 5m의 티타늄 빔을 만들고 있 으며 2016년 상용화를 계획하고 있다. 이와 같 이 주요 선진국뿐만 아니라 중국에서도 3D 프 린팅기술에 대한 산업 경쟁력을 확보하기 위해 서 활발하고 연구 개발 및 응용 분야 확대에 주 력하고 있다.
3D 프린팅기술은 디지털 디자인 데이터를 기반으로, 소재를 적층하는 방식으로 3차원 물 체를 인쇄하듯 만들어내는 기술로서 타 산업과 의 융합을 통한 파급효과가 큰 차세대 제조 핵 심 기술이다. 미국, 일본, EU 등 주요국에서는 산업 클러스터 형성, 산학 연계, 원천기술, 제 품 디자인 기법 개발 등의 분야에 연구지원을 통해 산업육성에 나서고 있으며, 그 외에 3D 프린팅기술의 응용 분야 확대 및 관련 산업의 경쟁력에 대한 증대에 힘쓰고 있다. 이들 선진국에 비 하면 국내 3D 프린팅기술은 아직 걸음마 단계이며, 국 내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 전무하다. 또한, 국내 3D 프린팅업체들 대부분은 외국 제품을 카피해 제작하는 수준에 머물고 있다. 그렇지 만, 전 세계적으로 3D 프린팅산업의 경우 아직은 성장 초기 단계이며, 국가차원의 대응전략을 통해 원천기술 국산화 및 관련 산업 생태계 조성이 필요한 시점이다.
(a)
그림 5(a) 적층공장 (b) 적층기술로 만든 5m 티타늄빔(한국기술평가 원 2013 KEIT PD 보고서)
(b)
그림 6UC버클리대에 설치된 3D 프린팅 자판기(한국기술평가원 2013 KEIT PD 보고서) ,
