미래 기술 - 3D 프린팅

신기하지만 거리가 멀게 느껴지던 3D 프린팅, 그러나 제조업 비중이 높은데 노동 인력은 줄어드는 우리나라가 반드시 장악해야 할 분야임을 알 수 있다. 미래의 제조업은 3D 프린팅으로 나아갈 것이기 때문이다.

 

1. 3D 프린팅이란?

3차원 프린팅(Three dimensional printing)이라 하며 프린터로 3차원의 입체적인 물체를 뽑아내는 것을 말한다. 형상을 가지는 물건을 제조하는 대표적인 방법은 큰 덩어리를 깎아서 만드는 절삭 가공 방식과 틀을 이용한 조형 제조 방식이 있고 대부분 이를 혼용하여 제품을 만들어낸다. 3D 프린팅은 그 자체로 고난도의 완성품이 나오기 때문에 이런 방식을 함께 쓸 필요가 없다. 3차원 공간 내에서 평면마다 재료를 적재적소에 배치하고 재료를 아주 얇게 한 층씩 쌓아 올려 원하는 3차원 형상의 물건을 제작하는 방식으로 전문용어로 적층 제조(Additive Manufacturing)라고 한다.

 

2. 3D 프린팅 기술

곡선과 직선의 결합, 아주 복잡한 형태 등 어떤 형상이든 제약 없이 만들어 낼 수 있는 3D 프린팅을 가능하게 하는 기술이 바로 적층 제조 특화 설계(DEAM)다.

주요 DEAM 설계 사례로는 골격 형상의 위상 최적화를 통한 경량화 설계, 격자 구조 적용을 통한 경량화 설계, 여러 부품을 하나로 통합하는 일체화 설계, 내부를 비우는 중공형 설계, 내부에 냉각 채널을 추가하는 냉각 구조 최적 설계, 소재와 형상을 동시에 고려하는 소재-형상 최적 설계, 이중 소재 최적 설계, 하이브리드 몰드 설계, 비정형적 구조물 설계 등 매우 다양하다.

3D 프린팅 모델링을 하려면 CAD/CAM 프로그램 운용, 컴퓨터 그래픽 작업 등이 필요하다.

 

3. 3D 프린팅 기술에 주목하는 이유

3D 프린팅이 주목받는 이유는 동일한 설비와 제조공정으로 서로 다른 형상의 제품을 디지털 3D 모델 변경만으로 자유롭게 생산하는 유연 생산을 할 수 있고, 기존 제조 방식으로는 불가능한 형상을 제약 없이 만들 수 있기 때문이다.

 

1) 유연 생산

대량 생산에서 다품종 소량 생산과 맞춤형 생산으로 변화한 시대 흐름에 맞는 제조 방식이다. 3D 모델 디지털 파일과 3D 프린터만 있으면 원하는 제품을 생산할 수 있다. 틀 제작 비용과 시간을 투자할 필요가 없고, 생산 설비를 바꿀 필요 없이 3D 모델 디지털 파일만 변경하면 된다.

 

2) 기존 제조 방식의 한계 극복

기존의 목-금형 틀을 기반으로 하는 조형 방식은 제작할 수 있는 형상에 한계가 있다. 조금만 복잡해도 분해한 후 조립하는 형태로 해야 하고, 틀에서 제품을 빼낼 수 있는 단순한 형상만 한 번에 제작할 수 있다. 절삭 가공은 좀 더 형상 표현이 자유로우나 제품 내부나 절삭 공구가 닿을 수 없는 부위는 포기해야 한다.

그러나 한 층씩 쌓아 올리는 적층 제조는 하나로 일체화된 제품이나 내부의 형상 표현이 모두 가능하다. 설계 단계에서부터 혁신이 일어나며 제품의 일체화, 경량화, 형상 최적화, 고부가가치화, 친환경화 등을 추구할 수 있게 된다.

 

4. 3D 프린팅이 바꿀 제조업

3D 프린팅은 장점이 많다. ○맞춤형 제품 개발이 쉽고 ○제조 비용이 적게 들고 ○전 세계적으로 정부가 지원하는 미래 육성 분야이며 ○다양한 3D 프린팅 재료가 개발되고 있으니 가파른 성장세가 예측된다.

기업들의 제품 개발 경쟁이 3D 프린팅 등장을 촉발했다고 할 수 있다. 3D 프린팅을 활용하면 신제품을 획기적으로 빠른 시간에 적은 초기 투자 비용으로 생산할 수 있기 때문이다. 신속하게 시제품을 개발해 테스트할 수 있다.

3D 프린팅 기술이 미래 산업인 이유는 시제품 개발 혁신에 그치지 않는다. 생산 공정을 최적화 및 단순화하는 혁신을 가져오며 나아가 제품 설계를 혁신하고 최종적으로 사업 모델을 혁신하게 된다. 제조 단계를 3D 프린팅 기반 범용 공정 기술로 플랫폼화하고, 제조 플랫폼에 연구개발 및 디자인 단계와 영업•고객 관리 단계까지 통합하면 원스톱 제조 플랫폼 서비스 구축이 가능하다. 즉 3D 프린팅은 제조업을 데이터와 프로그래밍의 첨단 기술과 심미적 디자인으로 차별화되는 고부가가치 산업으로 전환해 주며 사업 영역을 고객 관리 분야까지 확대해 준다.

 

5. 3D 프린팅 글로벌 현황과 우리나라 현황

1) 시장 현황

글로벌 리서치 기관 Precedence Research에 의하면 글로벌 3D 프린팅 시장 규모는 2022년 기준 173.8억 달러(약 23조 181억 원)를 형성했고 연평균 18.92%로 성장하여 2032년에는 983.1억 달러(약 120조 1821억 원) 규모에 달할 것으로 추정된다.

2022년 기준 3D 프린팅의 주요 시장은 산업용 3D 프린터 분야로 전체 시장의 77%를 차지했다. 이 중 자동차를 3D 프린터로 만드는 비중이 25%로 가장 크다. 3D 프린팅에 사용되는 재료는 금속이 가장 많아 53%를 차지했다. (출처: 정보통신산업진흥원 <품목별 ICT 시장 동향-3D 프린팅>)

3D프린팅 응용산업별 시장 비중 비교, 2020 vs 2021   (단위: %)

출처 : Wohlers Associates

과학기술정보통신부와 정보통신산업진흥원이 펴낸 <2022 3D 프린팅 산업 실태 조사>에 따르면 2021년 글로벌 3D 프린팅 시장 에서 우주/항공 산업이 16.8%의 비중으로 1위, 의료/치과(15.6%) 산업이 2위, 자동차(14.6%) 산업이 3위로 시장을 주도하고 있다. 우주/항공은 고부가가치 산업으로 엔진, 인공위성 등 여러 분야에서 3D 프린팅 기술이 활용되고 있고 의료/치과 분야는 코로나19 이후 개인맞춤형 3D 프린팅 활용이 활성화되면서 강세였던 자동차 산업을 추월했다.

 

글로벌 주요국과 우리나라에서 활발한 분야는 다르다. 글로벌 주요국에서는 항공 우주, 국방 등 고부가가치 산업에서 완제품 제조를 중심으로 운영되는 반면 국내의 경우 의료•치과 중심으로 완제품을 활용하고, 기술 상용화를 위한 연구 단계 운영이 중심이 되고 있다. 결국 기술력의 차이기는 하지만 의료 분야에서라도 완제품 활용 성과가 나타나고 있어 다행이다.

 

2) 3D 프린팅 기술 수준

특허 수량으로만 보면 중국이 1위지만(특허 데이터베이스인 더웬트이노베이션(Derwent Innovation) 자료, 2022년 5월 기준) 미국이 가장 높은 기술력을 보유하고 있다고 평가받는다. 주요국과 미국과의 격차를 살펴보면 유럽(-0.4년), 일본(-1.4년), 중국(-1.5년), 한국 (-1.7년) 순으로 보았다. 특히 국내 3D 프린팅 기술은 기초(85점), 응용(87.5점) 부분보다 사업화(80점) 부분에서 경쟁국인 유럽(95점), 중국(90점), 일본(85점)에 비해 상대적으로 취약해 기술력 확보를 위한 노력이 필요하다. 특허 수로 우리나라는 중국, 미국, 일본에 이어 4위를 기록했다.

 

3) 우리나라 3D 프린팅 발전이 느린 이유

<세상을 바꿀 미래기술 12가지>의 저자 한국현 님은 국내 3D 프린팅 산업 성장이 세계적 성장 추세에 비해 매우 더딘 편이라고 진단했다. 이유로 다양한 소재 대응의 한계, 출력 속도 및 크기의 한계, 고비용으로 인한 생산 원가 상승 문제, 양산 공정 기술 개발 투자 부재 등을 들었다. 국내에서는 3D 프린팅 소재가 대부분 플라스틱 소재 위주다. 제품 출력 속도와 크기 역시 제품 양산에 적용하기에는 느리고 부족하다. 산업용 3D 프린터기와 재료가 너무 비싼 것도 생산 원가를 맞추기 어렵게 만든다.

보다 근본적인 이유가 중요한데 바로 기반 기술 역량과 부가가치 창출 역량 부족을 들었다. 제품 설계 단계부터 혁신이 이루어져야 하는데 고난도 기술 분야에서 직접 기본 설계부터 진행하는 제품이 극히 적고, 공정에 필요한 핵심 장비와 소재, 소프트웨어 등을 주로 해외 기술에 의존하고 있어 공정 기술 솔루션 개발과 혁신도 어렵다. 이는 우리나라 제조업이 반드시 극복해야 할 부분으로 위기와 기회를 동시에 마주하고 있다고 할 수 있다.

춘천 지역 벤처기업 뉴디원이&nbsp; 2022 년&nbsp; 4 월 , .3D&nbsp; 프린터로 지은 황토 찜질방과 가정용 주택을 공개한 모습

6. 3D 프린팅 응용 분야

3D 프린팅은 이제 다양한 산업에서 시도와 적용 검증 단계를 지나 양산 단계로 진입하고 있다. 소재는 플라스틱에서 금속, 모래, 세라믹, 석고, 콘크리트, 고무, 탄소 소재, 나무, 바이오 소재, 식용 재료 등 다양하게 개발되면서 응용 분야는 빠르게 확대되고 있다. 자동차, 기계, 조선, 철도, 발전, 국방/방산, 항공우주뿐만 아니라 건축, 게임•콘텐츠, 조형물, 문화예술, 문화재, 화장품, 제약, 바이오, 푸드, 패션 분야 등에 응용되고 있다.

 

아디다스의 경우 실리콘밸리의 3D 프린팅 기업인 카본과 협업하여 충격을 완화하는 밑창을 3D 프린터로 개발한 운동화를 출시헸다. 3D 프린팅 기술을 이용하면 개개인의 발 모양에 정확히 맞춘 신발을 제작할 수 있으며 오히려 이전의 직조 방식보다 생산 속도를 끌어올릴 수 있다고 한다. 공존하기 어려울 것 같던 맞춤 생산과 대량 생산의 딜레마를 풀어내는 사례로 볼 수 있다.

 

7. 바이오 3D 프린팅

3D 프린팅 기술로 세포나 단백질 같은 생체 재료를 ‘바이오 잉크’로 하여 인공 장기와 같은 생체 조직 및 기관을 만드는 것을 뜻한다. 국내의 경우 포항공대 연구진이 얼굴 좌우 대칭이 달라진 환자에게 3D 바이오 프린팅 구조물을 지지체로 제작하여 뼈 모양을 대칭으로 만들어 준 성공 사례가 있다.

 

암 조직을 줄여 줄 항암제 프린팅 패치, 화장품 회사에서 동물 실험을 대체할 인공 피부 모델, 의사들의 수술 시뮬레이션, 세포를 직접 프린팅하여 3차원 구조물을 만드는 것, 3D 프린터로 만드는 식품(식물성 재료로 설계•출력한 대체육, 줄기세포와 혈액을 쌓아 만든 배양 고기) 등이 연구 개발 중이다.  

 

8. 3D 프린팅이 우리 현실에 미치는 영향

3D 프린팅 기반 혁신을 통해 제품은 더욱 가벼워지고, 에너지 소비량이 낮아지고, 기능성과 성능 및 친환경성은 더 좋아질 것이다. 원스톱 제조 플랫폼 서비스를 통해 나만의 맞춤형 주문도 가능해지고 설계를 구매해 3D 프린터기로 출력해 소유할 수도 있다.

 

영국 스타트업 오픈 바이오닉스가 3D 프린터로 제작하여 훨씬 더 저렴한 전자 의수 ‘히어로 암’ 장애 아동에게 영웅이 되는 느낌을 준다는 취지에 공감해 디즈니가 영웅 캐릭터 디자인을 무료로 제공하고 디자인을 협업했다.  

출처: 오픈 바이오닉스

‘개방형 소재 시스템’을 적용하는 공급기업도 증가하는 추세다. 이에 사용자는 이전보다 다양한 소재를 적용해 작업을 진행할 수 있다. 또, 3D프린팅 솔루션에 대한 ‘구독 서비스’도 등장해 고객이 느끼는 비용 부담을 획기적으로 줄이는 방향으로 가고 있다. 혁신의 프레임으로 세상을 바라보면 세상은 무궁무진한 창조를 기다리고 있다.