제조업을 바꿀 기술 3D 프린팅

 

💡 3줄 요약

 

3D 프린팅이란 컴퓨터 도면을 바탕으로 입체적인 물체를 프린팅하는 기술입니다.

 

3D 프린팅은 건설, 항공우주 등 제조업 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며, 3D 푸드 프린팅 등 식품 분야에 활용되기도 합니다.

 

3D 프린팅 시장 규모가 빠르게 성장하면서 이를 뒷받침하기 위한 제도적인 지원과 변화에 대한 대비가 필요합니다.

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4차 산업혁명 시대에 접어들며 제조업의 지형이 급격히 변화합니다. 특히, 3D 프린팅 기술의 발전은 제조업 전반에 걸쳐 혁신적인 바람을 일으키면서 생산 방식과 공급망 구조를 새롭게 재편하는데요. 오늘은 제조업에서 새로운 가능성을 열어가는 3D 프린팅 기술의 영향력을 살펴보겠습니다.

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제조업을 바꿀 잠재력이 있는 기술, 3D 프린팅

✅ 3D 프린팅이란?

3D 프린팅이란 컴퓨터로 제작한 3D 도면을 바탕으로 입체적인 물체를 층층이 쌓아 올려 만드는 기술입니다. 컴퓨터에 입체 사물의 도면을 입력하면, 재료를 아래에서부터 한 층씩 쌓아 올리는 방식으로 물체가 완성되죠. 3D 프린팅에 주로 사용되는 재료로는 플라스틱, 액상 경화 레진, 금속 분말 등이 있습니다.

 

입체적인 물체를 제작하는 유사한 방식으로 CNC 가공이 있는데, CNC 가공은 큰 재료 판을 깎아내며 원하는 형태를 만들어 갑니다. 이 방식은 복잡한 내부 구조가 필요한 물체, 예를 들어 컴퓨터 같은 장치를 제작하는 데에 한계가 있습니다. 반면, 3D 프린팅은 복잡한 형태의 물체도 상대적으로 쉽게 제작할 수 있어 그 가능성을 높이 평가받죠.

 

🖐 3D 프린팅의 3가지 방식

3D 프린팅은 사용되는 재료에 따라 다양한 방식으로 나뉩니다. 첫 번째로, 고체 재료인 필라멘트를 사용하는 대표적인 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling)입니다. FDM 방식은 3D 프린터의 노즐에서 고온으로 녹인 필라멘트를 짜내어 한 층씩 쌓아 올려 형상을 만들어냅니다. 장비와 재료가 비교적 저렴하고 다양한 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 각 층이 선명하게 구분되어 표면이 매끄럽지 않은 단점이 있습니다.

두 번째로, 고체 분말을 재료로 사용하는 PBF(Powder Bed Fusion)가 있습니다. 골고루 깔린 고체 분말에 레이저를 쏴 모양을 잡는 SLS(Selective Laser Sintering), 레이저 대신 고흡수성 액체를 쏴 모양을 잡는 SAF(Selective Absorption Fusion)가 대표적인데요. PBF는 정밀도가 높고, 만약 금속 분말을 사용하면 내구성이 좋다는 장점이 있습니다. 그러나 분말 같은 재료 관리가 어렵고 장비 및 재료 가격이 비싸다는 건 단점입니다.

 

마지막으로 액상 재료를 사용하는 Poly Jet 방식이 있습니다. Poly Jet은 노즐에서 액상 광경화성 수지를 짜낸 후, 광 에너지를 통해 굳혀 형상을 만듭니다. 이 방식은 다양한 색상을 섞어 표현할 수 있어 시각적 효과가 뛰어나며, 실제 제품 개발에서 많이 활용됩니다. 하지만 내구성이 약하고 온도 변화에 민감하다는 단점이 있습니다.

 

👍 3D 프린팅의 장점

3D 프린팅은 복잡한 구조의 물체를 빠르게 제작할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 특히 다품종 소량 생산에 적합한 기술로, 복잡한 공정 없이 필요한 수량만 생산할 수 있어 비용 절감 효과를 누릴 수 있습니다. 또한, 컴퓨터에 입력한 설계 그대로 출력되므로 결과물의 정확도가 높다는 점도 중요한 강점입니다.

 

👎 3D 프린팅의 단점

3D 프린팅은 방식에 따라 장비와 재료가 비싸다는 점이 단점으로 지적됩니다. 또한 한 층씩 재료를 쌓아 결과물을 만들기 때문에 제작 시간이 다소 오래 걸리는 것도 아쉬운 부분이죠. 그리고 3D 프린터 장비보다 큰 결과물을 만들기 어렵기 때문에, 용도에 따라 비싼 대형 3D 프린터가 필요한 경우가 생깁니다.

스트라타시스 F770

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3D 프린팅이 활용되는 분야는?

🏗  3D 프린팅과 건축

시멘트를 3D 프린팅의 소재로 활용하는 새로운 건축 공법이 등장했습니다. 3D 프린팅 기술은 기존 건축 방식에 비해 자유로운 디자인이 가능하고, 인력 소요가 적어 비용 절감 효과를 기대할 수 있어 2010년대부터 건축 분야에서 주목받아 왔는데요. 특히, 3D 프린팅을 이용한 건축은 폐기물이 거의 발생하지 않아 친환경 건설 방식으로 평가받으며, 해저와 같은 사람이 접근하기 어려운 환경에서도 건축이 가능하다는 장점 덕분에 미래 건축 기술의 핵심으로 떠오릅니다.

SVV Architekten

 

🚀 3D 프린팅과 항공우주

복잡한 제조 기술이 필수적인 항공우주 분야에서도 3D 프린팅의 활약이 두드러집니다. 복잡하면서도 정밀하게 만들어져야 하는 항공우주 부품을 3D 프린팅 기술로 제작하면 비용도 절감하고 정확도도 높일 수 있기 때문입니다. 실제로 인도의 우주기업 아그니쿨 코스모스는 3D 프린팅으로 만든 엔진을 탑재한 로켓을 발사하는 데 성공했습니다. 아그니쿨 코스모스에 따르면 해당 엔진은 3D 프린팅 공정으로 단 3일 만에 제작됐다고 하죠.

 

🏭 3D 프린팅과 제조업

3D 프린팅은 제조업의 산업 구조를 바꿀 전망입니다. 특히 3D 프린팅은 시제품 제작에서 빛을 발하는데요. 아직 완성 단계가 아니기 때문에 대량 생산이 필요가 없고, 정확함이 생명인 시제품을 만들 때 3D 프린팅을 활용하면 새 공정을 만들지 않아도 돼 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 지금까지는 대량 생산을 통한 비용 절감이 중요했던 제조업이 3D 프린팅과 만나면서, 다품종소량생산을 기반으로 한, '개인 맞춤형 제조업'이라는 새로운 분야가 탄생했습니다.

 

🥪 3D 프린팅과 푸드

3D 프린팅을 식품에 적용한 3D 푸드 프린팅은 각종 원재료를 재료로 삼아 3D 프린팅으로 음식물을 만들어내는 기술입니다. 미국 컬럼비아 대학교 연구진은 3D 프린팅을 사용해 치즈케이크를 만드는 데 성공하며 3D 푸드 프린팅의 가능성을 보여줬는데요. 특히 3D 푸드 프린팅은 세밀한 식감과 음식 구조를 구현하는 데 유리하기 때문에 식물성 대체육 시장에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.

3D 프린팅으로 만든 식물성 연어 필렛 (사진 Revo Foods 공식 인스타그램)/뉴스펭귄 출처 : 뉴스펭귄(http://www.newspenguin.com)

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우리나라의 3D 프린팅, 어디까지 왔나?

🧱 3D 프린팅 건설 특허 늘어나는 중

최근 10년간 3D 프린팅을 활용한 건설 분야에서 우리나라의 특허 출원 건수가 많이 늘어나는 중입니다. 미국과 일본, 유럽, 중국 등 주요국에 출원된 3D 프린팅 건설 관련 특허 출원은 많이 늘어나고 있는데, 최근 5년간 특허출원 증가율을 놓고 보면 우리나라가 연평균 13%로 1위입니다. 부가가치가 큰 건설 분야에서 우리나라 3D 프린팅 관련 기업의 활약이 기대됩니다.

3D 프린팅 건설기술 관련 국적별 특허출원 동향. 특허청 제공 [출처] - 국민일보 [원본링크] - https://www.kmib.co.kr/article/view.asp?arcid=0020663490

 

🇰🇷 재료 국산화가 필요하다

3D 프린팅에 자주 사용되는 재료의 국산화가 필요한 시점이라는 목소리도 나옵니다. 현재 3D 프린팅에 사용되는 금속 분말은 각 3D 프린팅 장비를 만든 해외 기업의 분말을 사용하는 경우가 많은데요. 국산 금속 분말을 사용하면 운송비 부담이 줄고, 이렇게 3D 프린팅 운영 비용을 줄이면 국내 3D 프린팅 업계의 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것으로 보입니다.

 

💸 국내 3D 프린팅 시장 규모는?

2022년 기준 국내 3D 프린팅 시장 규모는 약 5,500억 원 수준이며, 해외 3D 프린팅 시장 규모는 23조 원 정도입니다. 아직 시장 규모가 크진 않지만, 시장 규모가 성장하는 속도는 최근 5년간 연평균 16.5%로 매우 빠른데요. 특히 이전까지는 3D 프린팅 장비 관련 시장이 컸다면, 현재는 3D 프린팅 서비스 관련 시장이 빠르게 성장하고 있다는 점에서 전망이 긍정적입니다.

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3D 프린팅의 미래

🎲 재료 다양화가 필요해

3D 프린팅 산업이 더욱 성장하려면 지금보다 더 많은 재료를 사용할 수 있어야 합니다. 지금은 일반적으로 플라스틱이나 금속 분말이 재료로 사용되기에, 고무같이 유연한 성질의 결과물을 만들 수 없는데요. 유연하게 휘어지는 재료를 사용할 수 있게 되면 3D 프린팅이 사용될 수 있는 분야가 더욱 늘어날 것입니다.

 

😈 3D 프린팅 기술 악용은 막아야

3D 프린팅 기술 덕분에 우리는 물체의 도면만 있으면 무엇이든 만들 수 있게 됐습니다. 이를 악용해 실제 물체를 분석해 3D 프린팅 기술로 그대로 모방하는 기술 도용 문제가 수면 위로 떠올랐죠. 또한 3D 프린팅으로 각종 무기를 만드는 등 3D 프린팅을 악용하는 사례에 대한 우려의 목소리가 나오기도 합니다.

 

🔬 제조업 산업 구조 개편에 따른 변화

3D 프린팅이 제조업의 산업 구조를 바꾸게 되면서, 제조업 분야에서 일자리가 감소할 것이란 전망도 존재합니다. 3D 프린팅이 제조업 분야에서 유망한 기술로 떠오르는 만큼, 그 속도에 맞춰 기존 인력이 3D 프린팅 기술을 사용할 수 있도록 제도적인 뒷받침이 필요합니다.

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세계 주요국은 이미 제조업 활성화 정책 중 하나로 3D 프린팅 산업 육성에 힘을 쏟습니다. 코로나19를 거치며 3D 프린팅의 성장세가 잠깐 주춤하는 듯했지만 여전히 3D 프린팅은 제조업의 미래를 바꿀 유망한 산업으로 주목받는데요. 우리나라도 늦지 않게 3D 프린팅 기술력을 갖춰 제조업 경쟁력을 고도화해야 합니다.