Update2024.05.17 (금)
3D프린팅, 도자산업 新가치 창출
■ 발전하는 3D프린팅기술
3D프린팅기술의 공개는 수십 년 전에 이루어졌음에도 불구하고 독점특허 및 소재특성의 한계로 인해 사용범위가 제한적이었다. 그러나 최근 다양한 소재개발 및 특허 만료로 인해 3D프린팅기술이 급격하게 발전되고 대중화 되고 있다.
영국의 The Economist는 3D프린터를 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 기술로 지목하였다.
또한 컨설팅 기업 Wohlers Associcat에 따르면 3D프린터 시장 규모는 2009년 11억달러에서 2011년 17억달러로 증가하였으며 2019년 65억달러 수준까지 증가할 것이라고 예측하였다.
일반 프린터 시장규모가 2010년 기준 1,500억달러임을 고려하면 3D프린터 시장규모는 일반 프린터 시장의 약 1/100 규모로 미미하게 인식될 수 있으나 정체되어 있는 일반 프린터 시장에 비해 연평균 20% 이상의 높은 성장률을 기록하는 3D프린터의 시장규모는 향후 비약적으로 증가할 것이다.
미국 시장조사업체 Gartner에 따르면, 3D프린팅은 2011년 관심 고조기에 진입하였으며, 2015년 현재 주류기술의 시작단계에서 향후 5~10년 사이에 제조업의 핵심적인 주류 기술로서 수용될 것으로 예상하였다.
3D프린터 기술은 조형속도, 표면 해상도, 강도 등 한계에 노출되어 있다. 조형속도의 경우 가장 대중화된 3D프린팅기술인 FDM(용융수지 압출 조형)방식을 통해 50Cm2 플라스틱 조형물 생산에 약 1시간가량 소요되는 것에 비해 사출 성형 공정에서 1분 내에 동일 제품을 여러 개 제작할 수 있다는 관점에서 3D프린팅기술의 상대적으로 보다 높은 효율을 보여주는 산업분야의 경향성을 예측할 수 있다.
금형의 냉각회로, 항공기 부품 등 제품 형상이 복잡하고 제품수명주기가 길거나, 인공 뼈 또는 장기 등 다품종 소량 생산 능력이 중요한 바이오, 의료 분야에서 효과가 극대화 될 것이다.
제조업의 새로운 신성장동력으로 주목받는 3D 프린팅 기술은 이러한 특성에 기인하여 첨단 산업을 중심으로 접목하여 발전하고 있다. 우리가 흔히 고정 관념 속에 수작업의 대명사로 불리는 도자산업 분야에 어떻게 적용 가능하고 도자산업과의 융합 효과가 얼마나 탁월한지에 대해 조명해보고 응용하는 것은 기존 전통 수공업 산업의 산업적 파급효과를 고려해 볼 때 매우 의미 있는 시도라 할 수 있다.
불규칙한 곡률이 적용된 기면의 구성과 복잡한 문양패턴 및 개성 중시의 현대 사회가 요구하는 다양한 디자인의 수요는 현재 3D프린팅기술이 보유한 장점과 부합되며 융합을 통한 효과가 뛰어날 것이라 사료된다.
■ 도자산업에 활용되는 3D 프린팅 기술
대량생산을 고려하는 산업도자기는 석고형의 뛰어난 수분 흡수성을 활용하여 다양한 도자제품을 빠르게 생산한다. 이러한 석고형은 제품원형을 기반으로 제작된다. 모두제품의 근간이 되는 원형은 제품개발 단계에서 많은 자원이 투자하는 공정으로서 심미성, 생산성, 경제성 등을 모두 고려하여 신중하게 제작된다.
제품원형의 오류는 도자생산 전 공정에 영향을 주며, 신제품 개발과정에서 불필요한 시행착오과정을 발생시키는 요인으로 작용한다. 의도된 디자인을 제품으로 완성시키기 위해서는 경험적 검증에 의거하여 제품 원형을 제작하고 각 단계마다 샘플링 과정을 반복하여 검증하는 단계를 거친다.
도자산업은 타 제조업과 다르게 최초 디자인에서 샘플제작까지 건조와 소결이라는 절대적인 시간이 요구된다. 따라서 한 번의 샘플링 과정은 최소 수일에서 수주가 소요되고 이러한 샘플링 과정을 지속적으로 반복해야 제품의 완성도를 확보할 수 있다.
이러한 검증과정은 독창적인 디자인의 시도일수록 소요되는 시간 및 비용이 증대된다. 대부분의 도자업체는 제품개발 및 검증에 소요되는 자원을 감소시키기 위해 근본적인 검증과정의 효율성 개선 및 원형 제작방법의 다양화를 위한 기술개발을 외면하고 기 검증된 디자인에 안주한다.
업체 스스로 제품 디자인의 한계를 산정하고 막대한 시간과 비용이 예상되는 독창적인 디자인은 경제성을 이유로 철저히 배제한다. 이러한 딜레마에 3D프린팅기술은 훌륭한 대안이다. 1회 제작으로 전 공정에 영향을 주는 높은 수명주기 및 복잡한 형상, 다양한 디자인의 수요는 현재 3D프린팅 기술의 장점과 한계에 정확하게 부합한다.
미래독창적 디자인·재사용성 극대화, 시간·비용 절감 커
수년내 도자기 조형 가능, 고부가 창출 이어갈 것
또한 CAD/CAM 기술의 연동이 가능하여 다양한 디자인을 손쉽게 시도하고 Simulation 할 수 있다. 전통적인 제품 개발과정에서 예상되던 막대한 소요자원은 컴퓨터 활용을 통해 가상으로 Simulation 가능하며 가장 우수한 결과를 단시간 내에 도출 가능하다.
이러한 검증과정의 간소화는 보다 다양한 디자인의 시도 가능성을 확대시키며, 보다 복잡하고 정교해진 원형은 3D프린팅기술의 융합 효과를 증진시킨다. 3D프린팅기술을 활용하여 원형을 제작하면 50㎛수준의 높은 해상도와 고분자 수지 특유의 고강도 및 생산수명을 기대할 수 있으며 잘못된 원형제작의 가능성을 배제할 수 있다.
이러한 효과는 기형의 특수성에 따라 더욱더 큰 차이를 발생시킨다. 단순한 회전체 기형의 경우 3D프린팅을 활용한 제작과 전통적인 원형 제작과정의 차이가 미비한다. 그러나 복잡하고 표면의 장식패턴이 다양화될수록 전통적인 원형 제작과정과의 차이는 극명해지며 기존에 시도하지 못한 디자인의 제품화 가능성을 확보할 수 있다.
또한 3D프린팅기술은 제품의 생산과정에서 요구되는 제품 디자인의 설계파일의 객체화가 가능해 재사용성을 극대화할 수 있다. 전통적인 원형 제작과정에서는 동일한 표면 패턴임에도 불구하고 기형의 크기 및 형태의 변화에 따라 동일한 패턴성형 작업을 반복해야 한다.
그러나 3D프린팅 기술을 활용하면 설계파일의 객체화에 따라 기존에 제작되었던 패턴 및 기형을 능동적으로 재사용할 수 있다. 이러한 데이터 누적효과는 시간경과에 따라 신제품개발에 소요되는 자원의 차이를 비약적으로 증가시킨다.
■ 미래 3D 프린팅 기술을 활용한 도자제품의 개발과 제작
원형 제작단계에 한정된 3D 프린팅 기술은 수년 안에 도자기 기물 자체를 조형하는 수준으로 발전될 것이다. 현재 분말타입 3D프린팅기술인 3DP와 SLS를 응용하여 금속분말 또는 석고분말을 대신하여 도자기분말을 직접 조형하는 기술을 연구 중이다.
도자기분말을 활용하여 기형자체를 조형하는 3D프린팅 기술을 확보하게 되면 기존에는 시도하지 못했던 다양하고 정교한 도자기 제품의 생산이 가능해진다. 석고형에서 분리가 불가능하여 배제되던 엇각이 존재하는 미세구조 또는 기하학적 메쉬구조의 적층 등 디자인적 한계를 넘어, 소재한계 극복을 예상할 수 있다.
3D 프린팅 기술은 도자산업과 융합하여 현재와 같이 제품 원형의 제조에 활용되며, 수년 안에 성형체 조형을 이루어 낼 것 이며 궁극적으로는 레이져 선택 소결 방식과 같이 성형과 소결을 동시에 이루어내어 3D프린터만으로 도자기를 제조할 수 있게 될 것이다.
도자기는 산업적 측면의 제품과 예술적 측면의 작품이 공존하는 독특한 산업분야이다. 따라서 도자산업은 생활세라믹스 또는 산업세라믹스와 같은 공업 제품의 성격을 지칭하는 도자기와 고려청자, 조선백자 등 작품을 지칭하는 예술 도자기로 구분되어져 왔다.
그러나 근래에 이러한 경계는 모호해져 가고 있다. 작품으로 제작된 도자기에 실용성을 고려하여 제품화하는 경향이 강해지고, 역으로 산업적 도자기에 심미성을 강조하여 새로운 가치 창출을 도모하는 시도 또한 증대되고 있다. 이러한 산업트렌드에 부합하여 심미성과 생산성을 동시에 추구하는 3D프린팅기술은 도자산업의 미래를 이끌어 나갈 새로운 성장 동력으로서의 효과적인 대안으로 주목받고 있다.
