Update2024.04.30 (화)
글 싣는 순서
▷3D 프린터 들어가는 글
▷3D 프린터 기술동향 및 시장현황
▷3D 프린터를 활용한 플라스틱제품 개발현황
▷3D 프린터를 활용한 금속제품 개발현황
▷3D 프린터 국내현황 및 해외 3D프린터 육성현황
3D프린터시장 견인하는 플라스틱 소재
■ 플라스틱 소재에 따른 3D 프린터 분류
3D프린터에 적용되는 소재는 금속, 세라믹도 있지만 가장 많이 활용되는 분야는 플라스틱이다. 그 이유는 소재의 융점이 낮고 소재가격이 낮기 때문이다.
플라스틱 소재에 따라 크게 액체 기반형, 분말 기반형, 고체기반형으로 모두 제작 가능하다. 액체 기반형은 레이저나 강한 자외선을 이용해 재료를 순간적으로 경화시켜 형상을 제작하는 방식이다. 주로 광경화성 플라스틱을 재료로 사용하고 미국 3D Systems의 SLA 시스템이 대표적인 예이다.
분말 기반형은 미세한 플라스틱 분말(파우더)을 가열·결합해 만드는 방식이다.
고체 기반형은 재료에 따라 세가지 방식으로 나눌 수 있다. 첫째, 와이어(wire) 또는 필라멘트 등 열가소성 재료를 열을 가해 녹인 후 노즐을 거쳐 압출되는 재료를 적층해 제작하는 방식이다. 미국 Stratasys의 FDM 시스템이 대표적이다. 둘째, 왁스(wax) 성질을 가진 펠릿(pellet)을 재료로 사용하여 재료를 헤드에서 녹여 노즐을 통해 분사하는 방식으로 Objet사의 Polyjet 시스템이 대표적이다. 셋째, 얇은 플라스틱 시트나 필름형태의 재료로 플라스틱 시트를 접착하면서 칼을 사용해 절단 후 적층하여 조형하는 방식으로 미국 Helisys의 LOM(Laminated Object Manufacturing) 시스템, 일본 KIRA의 PLT(Paper Lamination Technology) 시스템 등이 대표적이다.
조형 방식은 재료가 시스템 내부에서 어떤 방식으로 형상을 만들어 가는지에 대한 분류이다. 예를 들어 재료에 UV나 레이저와 같은 광원을 사용하거나 소결 또는 열로 녹이거나 접착제로 교결하여 굳히는 등의 방법에 관한 차이를 구분하는 것이다.
3D 프린터는 적층방식·재료에 따른 다양한 기술유형이 존재하며, 현재는 정밀성·효율성이 높은 SLS, FDM 방식이 시장의 주류를 이루고 있다. 이중에서도 가정용 3D 프린터가 등장한 배경에는 스트라타시스사가 보유한 3D 프린터 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling) 특허의 20년 보호기간이 끝나면서 대중화에 큰 영향을 미쳤다.
FDM은 열을 가해 융해된 플라스틱 수지를 노즐을 통해 뿜어 바닥부터 적층해 나가는 방식이다. 0.2mm 이하로 미세하게 쌓아올린 플라스틱은 상온에서 자연스럽게 굳는다. 오픈소스 형태로 개발된 FDM 방식 3D 프린터가 점차 보급되면서 가격이 크게 내려갔다. 때문에 거의 모든 가정용 저가 3D 프린터는 FDM 방식을 채택하고 있다고 해도 과언이 아니다.
■ 모형제작에 유용한 3D 프린터
제조업에서는 최종 생산하게 될 상품의 모형인 목업(Mock-up)을 제작할 때 3D 프린팅을 많이 이용한다. 목업(Mock-up) 상태에서는 수정이 용이하여 제작 시간이나 비용을 크게 줄일 수 있다.
실제 상품 중에 3D 프린팅이 가장 먼저 실용화된 분야는 부품 제조 분야이다. 이미 미국의 항공기 제조사인 보잉(Boeing)은 비행기 조립에 사용할 300여 개의 부품을 3D 프린팅으로 생산하고 있다. 부품을 3D 프린팅으로 생산하면 미리 부품을 생산해 창고에 비축할 필요가 없으며, 오래된 부품도 도면만 가지고 있으면 다시 3D 프린팅으로 제작할 수 있다.
◇ 자동차 부품
현대모비스는 디자인 확인, 기류평가와 기능성 테스트를 위해 Fortus FDM(fused deposition modeling) 시스템을 사용해 원형 파트를 제작한다. 제작하는 주요 파트로는 운적석 모듈, 계기판, 에어덕트, 기어-프레임 바디, 프런트 엔드 모듈, 안정 장치 바 어셈블리 등이 있다.
현대모비스는 기아 스펙트라의 대쉬보드를 3D 프린터를 이용해서 제작했다. ABS 플라스틱 재료로 FDM 시스템을 이용해 3D CAD로 새롭게 디자인한 결과물을 실제로 볼 수 있어 디자인 오류를 빠르게 발견하고 수정할 수 있다.<그림1>
◇ 완구
바비 인형으로 유명한 장난감 회사 마텔도 왁스 인형과 모형 자동차를 만드는 데 3D프린터를 도입했다. 현재 30대의 3D프린터를 활용해 바비와 막스 스틸, 핫 휠 자동차, 몬스터 하이 돌스 등 마텔의 유명 장난감을 만들어내고 있다.
◇ 의료
의료 기술의 진보에도 획기적인 기여를 하고 있다. 국내에서는 3D 프린터를 활용한 암 수술이 성공적으로 이뤄졌다. 삼성서울병원 이비인후과의 백정환 교수는 부비동암을 앓는 40세 여성과 46세 남성의 수술에 3D 프린터 기술을 적용, 수술 후 부작용 중 하나인 얼굴과 눈의 함몰 가능성을 최소화하는 데 성공한 바 있다. <그림2>
미국 프린스턴 대학 연구팀이 실제로 소리가 들리는 인공 귀를 만들었다. 이는 3D프린팅용 기구와 은나노 입자, 배양한 세포 등을 이용해 구현됐다. 현재로서는 보통 사람이 듣기 힘든 주파수까지 들을 수 있다. 연구팀은 인공 귀를 만들기 위해 젤리 형태의 하이드로겔 성분을 3D프린팅했다. 먼저 컴퓨터 프로그램을 이용해 귀의 구조를 얇은 슬라이스 형태로 잘게 잘라 분석했다. 그 뒤 1년이 채 안 된 송아지의 세포를 활용해 귀와 같은 모양새를 만들었다. 이외에 연골, 플라스틱, 은나노 입자 등을 추가해 안테나가 장착된 인공 귀를 구현했다. <그림 3> PLA·ABS 시장 양분, kg당 2~3만5천원
소재판매로 수익 창출, 전문업체 출현 기대
◇ 개인 맞춤형
일본의 3D 프린팅 업체인 FASOTEC은 산부인과와 협력하여 MRI 단층 촬영으로 태아를 스캔해 양수 속에 거꾸로 있는 태아 형상을 만들어주는 서비스를 하고 있다. 임산부의 복부를 MRI로 촬영하고 모체는 투명수지로 태아는 백색 수지로 만들어 제공한다.<그림 4>
일본의 예비 신부들 사이에서 3D 프린터를 이용하여 결혼식 당일 모습을 그대로 본뜬 복제 인형을 제작하는 것이 유행하고 있다. 도쿄 아키하바라에 위치한 ‘클론 팩토리’에서 만들어지는 복제 인형은 3D 프린터를 이용해 예비 신부의 표정은 물론 결혼식 당일 머리와 메이크업까지 똑같은 복제 인형을 제작한다. <그림 5>
◇ 패션
3D 프린터를 이용하여 의류, 속옷, 하이힐, 운동화 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 컨티늄패션의 디자이너인 제나 피젤과 마리 황이 3D 프린터로 비키니 수영복을 제작하였다. N12 비키니는 3D 프린팅만으로 제작되어 이음새 없는 옷이다. <그림 6>
또한 뉴질랜드 오클랜드 메시 대학 Massey University 의 올라프 디젤 Olaf Diegel 교수가 3D 프린팅에 성공해 기타브랜드 ODD로 소량 주문생산하고 있다. 강한 나일론 소재로 공연 중 기타를 내려쳐도 부서질 일이 없다. <그림 7>
◇ 유물 복원
3D 프린터와 스캐너를 이용해 현재 보유중인 공룡과 식물, 어류 화석 등의 복제품을 제작하고 있다. 화성시는 한국지질자원연구원과 공동으로 3D 프린터와 스캐너를 도입하여 현재 보유중인 690여 개의 공룡화석과 식물, 어류, 포유류 화석 중에 반환될 수도 있는 해외 발굴 화석을 복제할 예정이다. 기존 모형을 본떠 제작하는 레플리카(화석 복제품) 제작 방식보다 비용이 절감될 것으로 기대하고 있다.
◇ 건축
웨스트 버지니아 공과대학(WVU Tech)은 3D 프린터로 주의사당 캠퍼스 모형을 제작하였다. 주의사당 캠퍼스 모형은 행사를 진행할 때 주지사 및 다른 주요 인사들의 경호와 전체적인 안전을 위한 계획을 세우기 위해 사용된다. 이 모형으로 행사에 대한 경호계획을 세우는데 주의사당 전체 캠퍼스를 반복적으로 돌아다니는 작업을 피할 수 있다. 3D 프린터를 이용하여 122 x 122 cm의 주의사당 빌딩모형은 6개월 만에 완성되었다.
◇ 로봇산업
3D 프린터 활용은 로봇산업에서도 활용되고 있다. 3D 프린터를 이용해 부품을 출력하여 조립할 수 있는 로봇 MAKI이다.<그림8> 미국의 렐로 로봇사에서 학생이나 로봇에 취미를 가진 사람들이 좀 더 저렴하게 로봇을 만들어 볼 수 있도록 기획된 이 프로젝트는, 디자인과 구동용 부품만을 제공하는 것이 특징이다. 그 밖에 다른 부품은 3D 프린터를 이용해 직접 출력해야 하며, 제작 비용이 대폭 절감되어, 실제 구동 가능한 로봇을 500달러 정도에 가능하다고 한다.
◇ R&D
호주국립과학산업연구원에서 곤충 연구를 하기 위해 3D 프린터로 아주 작은 벌레를 특 대형 사이즈로 만들었다. 3D 프린터로 확대한 곤충 모형은 곤충의 해부학적 구조를 더 잘 살펴볼 수 있게 도와준다.
시장조사기관인 Wohlers의 2012년 자료에 따르면 2011년 사용된 3D 프린터는 3D 프린터로 직접 부품을 생산하는 것과 기능성 모델을 생산하는 것이 각각 19%, 18%로 가장 높게 나타났다. 그 외 시제품 금형을 만들거나 조립공정, 설계 및 제작, 금속 주형 제작, 교육 연구, 공구 제작 등에 사용되고 있다.
■ 가장 많이 사용되는 플라스틱 소재
3D 프린터의 플라스틱 원료로는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)와 폴리락트산(PLA) 등 열가소성 수지가 주로 사용된다. IRS 글로벌의 조사에 따르면 3D 프린터 출력 소재별 모델수를 조사한 결과 PLA가 39.2%, ABS가 32.3%가 사용되고 기타 PVA, HDPE 등이 사용하는 것으로 알려져 있다.
ABS는 강도가 우수하고 열에 강할 뿐 아니라 가격도 저렴하다. 대신 열수축 현상으로 인해 성형이 다소 어렵다는 단점도 있다. PLA는 내구성이 떨어지고 가격도 다소 비싼 반면 열수축 현상이 전혀 없어 보다 정밀한 성형이 가능하다. HP 등이 프린터를 싸게 팔고 잉크 토너로 돈을 벌었던 것처럼 3D 프린터를 대여하고 소재판매로 수익모델이 가능할 것으로 보인다.
국내에서 PLA는 1kg당 3만 5천원, ABS는 1만 8천원 선에서 구할 수 있다. 플라스틱이 가볍기 때문에 1kg이면 상당한 분량이어서 유지비는 그리 많이 들지 않는 것으로 알려졌다.
■ 가정용 보급확대 가능성 낮아
3D 프린터 시장이 개인용 및 전문가용, 양산용으로 구분되어 있지만 제품 제조 성공을 위한 몇가지 과제가 있다. 현재의 기술수준이 제조에 따른 시간과 해상도가 낮아 당장 양산제품을 대체할 가능성은 낮다. 아울러 현재 3D 프린터에 활용되는 대부분의 플라스틱이 수종류에 불과하고 강도, 표면특성이 불량한 것도 문제이다. 그러나 장비제조업체의 신기술개발, 재료공학자들의 소재개발이 순조롭게 진행될 것으로 예상되어 그 전망은 밝다고 할 수 있다.
그러나 개인용으로 보급되는 가능성에 대해서는 낮다고 예상한다. 그 이유는 개개인이 설계할 수 있는 능력도 떨어지고, 소재가격이 부담스러운 가격이며, 전기료, 공기오염 등등에 문제가 있기 때문이다. 따라서 가정용으로 사용하는 사례보다는 웹을 기반하는 전문 제조업체 중심으로 시장 확산이 일어날 것으로 예상된다. 그 실례가 디지털카메라로 찍은 사진을 집에서도 인쇄가 가능하지만 대분에 인화 전문업체에 파일을 업로드시키고 택배로 사진을 받는 현상황과 비슷하게 전개될 것으로 예상된다.
현재는 시간과 개발비용을 줄이기 위한 맞춤형 의료부품, 자동차 부품 프로토 타입, 개인 맞춤형 소비재 부품은 전망도 밝다. 그러나 사출성형으로 제조되는 공산품이나 자동차, 가전쪽에서는 개발초기에는 활용도가 높겠지만 대량생산에는 시간과 비용적인 측면에서는 분명히 그 한계도 존재한다.
