▲ 홍은혜 한국마그네슘기술연구조합 연구원.

■ 재료에 따른 3D프린터 분류

우리는 프린터라 하면 종이 위에 글자나 그림을 인쇄하는 2D를 연상하게 한다. 과거 시끄러운 도트 프린터부터 잉크젯을 거쳐 레이저 프린터 시대에 살고 있다. 이 프린터의 진화과정을 보아왔고 인쇄 품질의 수준도 비약적으로 발달하였다.

최근 공중매체를 통해 3D 프린터로 총을 만든다든가 건물을 짓는다는 등 매일 3D 프린터의 소식을 접해듣고 있고, 일부에서는 제3차 산업혁명이 일어날 것이라는 예견까지 나오고 있다.

3D 프린터의 재료형태에 따른 분류는 액체기반형, 분말기반형, 고체기반형으로 분류한다. 첫째, 액체 기반형은 레이저나 강한 자외선을 이용해 재료를 순간적으로 경화시켜 형상을 제작하는 방식이다. 주로 빛에 의해 경화되는 광경화성 플라스틱을 재료로 사용하고 미국 3D Systems, 일본 CMET가 대표적인 예이다.

둘째, 분말 기반형은 미세한 플라스틱 분말(파우더), 모래, 금속성분의 분말 등을 레이저나 접착제를 사용하여 만드는 방식이다. 보다 높은 결합강도를 위해 전자빔을 사용하는 시스템이 있다. 주재료는 플라스틱, 금속, 모래 등이며 미국 3D Systems의 SLS 시스템, 독일 EOS의 SLS 시스템, 스웨덴의 Arcam 등이 분말 기반형을 활용하고 있다.

마지막으로, 고체 기반형은 재료의 형태에 따라 세가지 방식으로 세분할 수 있다. 와이어(wire) 또는 필라멘트 등 열가소성 재료를 열을 가해 녹인 후 노즐을 거쳐 압출되는 재료를 적층해 제작하는 방식으로 미국 Stratasys의 FDM(Fused Deposition Modeling) 시스템이 대표적이다. 왁스(wax) 성질을 가진 pellet을 재료로 사용하여 재료를 헤드에서 녹여 노즐을 통해 분사하는 방식으로 Objet사의 Polyjet 시스템이 대표적이다. 마지막으로 얇은 플라스틱 시트나 필름형태의 재료로 플라스틱 시트를 접착하면서 칼을 사용해 절단 후 적층하여 조형하는 방식이다.

■ 공장 없는 제조업시대 연다

3D 프린팅 기술은 공장 없이도 제품을 만들 수 있고 저렴한 초기 투자비용으로 기술개발을 가능하게 해 제조업 활성화에도 이바지하고 있다. 일반적인 시제품 제작 방식은 여러 단계를 거쳐야 하지만 3D 프린터는 디자인만 있으면 그 자리에서 시제품을 제작하고 오류의 수정도 손쉽게 할 수 있다. 또 별도의 금형을 제작하거나 여러 종류의 기기를 사용하는 일이 적어 초기 투자 규모도 크게 줄일 수 있다.

실례로 이탈리아 자동차업체 람보르기니는 스포츠카 시제품 제작에 4달 동안 4만달러의 비용을 들였으나 3D 프린팅 기술을 이용하면서 시간과 비용을 20일, 3천 달러 수준으로 각각 낮췄다. 아디다스도 12명의 전문가가 한 팀으로 시제품을 개발했지만 3D 프린터의 도입 이후 필요 인력이 2명으로 대폭 감소했으며 제작기간도 4~6주가량에서 1~2주로 줄어들었다.

3D 프린터 기술은 턱뼈, 등뼈, 관절 등 인공뼈, 인공 치아 모형을 만드는 등 의료용으로도 사용되고 있다. 치과기공소에서는 3D 프린팅 기술을 3D 구강 스캐닝, CAD/CAM 및 디자인 소프트웨어 등과 함께 결합하여 치과용 스톤 모델 및 투명 교정기, 실제 치아와 유사한 다양한 치과교정장치를 신속하고 정교하게 제작할 수 있다.

또한 2012년 10월 19일부터 21일까지 영국에서는 ‘3D 프린팅 쇼 런던 2012’가 개최돼 3D 프린팅 산업에 대한 세미나와 함께 여러 분야의 제작자들이 만든 기발한 작품들이 소개됐다. 3D 프린팅은 일반인도 쉽게 접근할 수 있다는 점 때문에 교육, 패션 등 창의성이 필요한 부분에서 특히 많은 영감을 준다. 물건이 만들어지는 과정을 눈으로 확인하는 것은 그림으로 보는 것과는 전혀 다른 생생한 경험이며, 사물과 자연의 원리를 이해하고, 상품에 대해서도 더 진지한 자세를 갖도록 해준다. 디자인 업계는 3D 프린팅 기술을 이용해 작품을 만드는데 적극적이다. 머릿속에서 사라져버리거나 기껏해야 컨셉 디자인으로 2D 상에서만 존재하던 아이디어들을 실물로 만들어볼 수 있다.

초기 투자비 대폭 절감, 컨슈머·車분야 적극 활용

美·獨기업 시장주도, 韓 제조사·고객층 ‘태동단계’

■ 소수 선진기업이 시장 주도

3D 프린터 제조업체 중 세계 시장의 46%를 차지하는 업체는 독일의 EOS이다. EOS는 독일 뮌헨에 있는 레이저 성형분야(금속, 플라스틱) 선도기업으로 32개국에 진출하고 있으며 한국에도 지사가 있다. 주로 금속, 모래, 플라스틱 소재를 사용한 기업용 3D 프린터를 제공한다. 대부분의 3D 프린터가 플라스틱을 재료로 사용하고 있지만 독일의 Voxeljet는 금속주조업에 사용되는 사형몰드를 제조하며, 미국의 ExOne과 스웨덴의 Arcam AB는 금속완제품을 재료로 하는 3D 프린터를 생산하고 있다.

기업 차원에서는 미국의 Stratasys와 3D Systems가 주도권 경쟁을 하고 있다. 2011년 기준, 세계적으로 31개 기업이 전문가용 시스템 제조에 참여하였으나 글로벌 수요의 상당 부분이 미국의 Stratasys, 3D Systems에 집중되는 추세이다. 특히, 양사는 관련 분야 기업들에 대한 M&A를 적극 추진하며 동 분야 양대 산맥에 자리매김하였다. 프로페셔널 급 이상 제품 판매량 기준 업계 1위인 Stratasys는 Objet사와 Solid-scape를 인수하며 업계 내 위상을 크게 강화하였고 3D Systems는 Z Corporation를 인수하며 Stratasys와 양대 축을 형성하고 있다.

국내에서는 3D Systems, Objet, Stratasys 등 고가의 외산제품 중심으로 시장을 형성하고 있으며 고객층이 다양하지 않고 연구기관 및 대기업 중심으로 구매층이 형성되고 있다. (주)캐리마, (주)로킷 에디슨 등 소수 업체가 기술개발 및 시장 형성 중이다.

■ 컨슈머·車분야 적용 활발

3D 프린터는 다양한 산업 분야에서 이미 활용되고 있다. 1988년 3D Systems사의 SLA 시스템이 처음 시장에 도입된 이래 그 동안 주로 기업용 프로토 타입 제작 등에 제한적으로 사용되었으나 최근에는 자동차, 항공/우주, 방위산업, 가전제품, 의료 및 의료장비, 치의학, 건축, 교육, 애니메이션 및 엔터테인먼트, 완구류, 패션 등 다양한 산업분야에서 제품 개발에 활용되고 있다. 현재 3D프린터를 가장 많이 활용하고 있는 분야는 컨슈머(20%)와 자동차(20%) 분야다. 뒤를 이어 의료·치과(15%), 항공·우주(12%), 산업(11%), 학교(8%), 정부(6%), 건축(3%)에서 사용되고 있다.

■ 세계시장 年 17% 성장

시장조사전문기관인 Wohlers 2011년 37억 달러(약 4조 2600억원)였던 3D 프린팅시장 규모가 2019년에는 133억 달러까지 늘어나는 등 해마다 17.3%의 성장을 기록할 것이라고 내다보고 있다.

3D 프린터 제조 시장에 대기업이 진출하고 개인용 3D 프린터의 보급이 확산되면서 3D 프린터 제조 시장의 성장률이 지속적으로 상승할 것이고 CAD 디자인을 비롯한 제작 환경을 위한 부가서비스 시장은 다양한 사업자의 등장으로 활성화될 것으로 예상된다. 소수의 산업 및 연구기관에서 사용되었던 응용 분야가 교육, 여가, 제조업 생산에 이르기까지 다양화됨에 따라 3D 프린팅으로 제작된 생산물들의 가치도 올라갈 전망이다.

▲ 제조업체의 세계 시장 점유율(출처 : 3D printer and 3D printing news 2013).

▲ 3D 프린터 분야별 활용 비중(출처 : Wohlers Associates, 2012).

▲ 전세계 3D 프린팅 및 관련 서비스 시장 규모 전망(단위 : 억달러, 출처 : Wohlers Associates, 2012).

▲ 산업분야별 3D 프린터 활용 사례.