Special 소재산업 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술개발 동향(2)

디자인 및 공예, 예술분야 3D 프린팅 활용과 전망

최성권_이화여자대학교 산업디자인학과 겸임교수

1. 3D 프린팅 제조 기술의 등장과 발전

1-1. 3D 프린팅 기술의 등장과 현재

한층 한층(layer by layer) 재료를 쌓아 3차원의 형상을 만들어가는 3D프린팅 기술은 1987년 찰스 훌(Charles Hull´s) 박사에 의해 미국 3D Systems에서 SLA1 출시로 상용화 되었다. 그 후로 현재까지 약 30년의 결코 짧지 않은 역사를 만들어가고 있다.
  초기에는 현재의 대표적인 원리 또는 방식으로 인정받고 있는 7가지 방식들이 특허 출원되고 관련 장비들 시장에 나오게 되었다. 물론 현재는 이보다 많은 방식들이 개발되고 산업에서 활용되고 있다. 그 후 소재에 대한 다양한 물성의 향상이 이루어지게 되었다. 또한 장비와 소재의 발전과 함께 급속히 발전한 부분이 있다면 바로 소프트웨어 부분이다. 3D 프린팅을 위해서는 3D 모델링 파일을 만들어야 하고, 만들어진 파일의 수정과 오류 점검, 사전 시뮬레이션, 해당 장비별 방식별 작업 파일의 제작 등이 주 목적이다. 최근에는 관련 소프트웨어 개발에 인공지능(AI) 기술이 도입된 사례도 있다.

그림1. 3D프린팅 기술 발전 타임라인

  3D 프린팅 기술의 발전에서 최근 3년간 변화라면 플라스틱 시대에서 금속 시대로, 모형을 제작하던 프로토타입 시대에서 직접 생산을 의미하는 프로덕션의 시대로, 대량 생산에서 대중 생산의 시대로, 다품종 맞춤형 생산의 시대로 패러다임 변화가 진행되고 있다는 것이다. 이러한 가운데 국제표준협회(ISO)나 ASTM과 같은 인증기관에서도 과거 신속조형기술 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)으로 명명하던 용어를 이제는 적층제조(AM: Additive Manufacturing)라는 생산 개념이 들어간 용어로 격상 시켰다. 이것은 단지 용어의 격상뿐만 아니라 모형을 만들던 도구에서 소량 또는 대량까지도 가능한 직접 생산 시스템으로 받아들이고 있다는 것을 내포하고 있다고 볼 수 있다. 생산 시스템으로서의 역할을 하기 위해서는 시스템의 속도 향상, 소재 물성 고도화, 표면품질 향상, 자동화가 필수적이다. 이러한 요구는 장비 제조사들에게도 매우 중요한 부분이기도 한다.
  최근 들어 장비 제조사들은 100배 이상 빨라진 SLA 장비를 내놓거나 경제적 생산이 가능한 MJF, 거의 결이 보이지 않는 표면 조도를 가진 고성능 파트 제작이 가능한 장비들도 속속 출시하고 있다. 소재 역시 과거와는 차원이 다른 물성과 내구성을 겸비한 재료들을 개발하고 있다. 출력하여 바로 직접 사용 가능한 재료들이다. 이것은 일반 ABS, PLA, TPU 플라스틱부터 PEEK와 같은 고성능 엔지니어링 플라스틱까지 영역이 확대되고 있다. 금속 재료는 타이타늄, 코발트 크롬, 알루미늄, 스테인리스, 금과 은의 귀금속까지 아우른다. 표면품질은 파트의 최종 마감으로 소비자가 상품가치를 느끼는 매우 중요한 부분으로 현재 독일의 다이디멘션사가 표준화된 컴퓨터 조색 컬러 염색 시스템과 후처리(Post Processing) 장비를 선보이고 있다. 자동화면에서는 3D 스시템사의 모듈형 SLABOT과 공전관리 프로그램이 대표적이다. 향후 인공지능, IoT 기반 스마트 팩토리가 가속화 되면 3D 프린팅 즉 AM 시스템은 로봇 팔이 장착되고 카메라가 장착되어 파트의 검사까지 가능한 모뮬러 시스템으로 중소, 대기업의 생삼라인에 설치 될 것으로 보여 진다. 이미 몇몇 시험적인 공정을 시도하는 회사들이 등장하고 있기도 한다. 이러한 AM 제조 기술의 발전은 전 세계에 분산형 네트워크 공장(Factory)의 증가로 이어져 글로벌 AM 생산 그리드가 형성되고 지금까지와 다른 물류의 혁신도 가능케 할 것으로 전문가들은 예측하고 있다.
  최근 들어 연일 매스컴에 회자되는 제4차 산업혁명의 핵심 기술요소 또한 AM 제조 기술에 대한 중요성과 산업에서의 필요성을 대변하기도 한다. 2016년 세계경제포럼 클라우스 슈밥(Klaus Schwab)회장에 의해 주창된 제4차 산업혁명과 관련 기술요소들 중에 물리적인 제조방식의 혁신인 3D 프린팅, 바로 AM 제조 기술이 그것이다. 3D 프린팅 제조 기술의 중요성은 사실 2013년 버락 오바마 대통령의 연두교서가 큰 홍보와 비젼을 제시하는 역할을 했다. 연설에서 “3D 프린팅 기술은 거의 모든 것을 만들 수 있는 제조의 혁신이 될 것”이라고 언급했다. 이후 우리나라에서도 2014년 미래창조과학부와 통상산업자원부가 ‘3D 프린팅 전략기술 로드맵’을 작성 장비, 소재, 소프트웨어, 응용까지 국가 비젼과 준비에 대한 보고서를 내기도 했다.
  이러한 제조 기술 패러다임의 변화 속에서 우리나라의 경우 대표적인 제조업기반 수출경제 산업구조를 가진 국가로 이러한 제조기술 환경 변화에 민감하게 대응 할 수밖에 없는 상황이다. 물론 AM 산업 선진국인 미국이나 독일과는 차이가 있지만 한국의 경우 이러한 AM 기술 변화에 발 빠르게 대응하려고 노력하고 있다. 산업에서는 금속 부분이 특히 중요한데 울산, 창원 등 조선, 자동차, 화학 산업을 배후지로 가진 곳에서 한국적층제조사협회(KAMUG)에서 메탈 3D 프린팅 애플리케이션 전문교육을 진행, 관련 인력 양성을 하고 있다는 것이다. 최근에서는 항공, 우주 분야에서 인천산학융합원이 AM 전문인력 양성 사업을 시작한 것도 같은 맥락이라 볼 수 있다. 조만간 자동차 부품산업 분야 인프라가 있는 전북 테크노파크를 중심으로도 AM 메탈 교육과정이 준비되고 있는 것도 고무적이다. 산업적으로 메탈 3D 프린팅 교육이 필요한 이유는 바로 직접 금속 부품을 설계하거나 제작 할 수 있어야 한다는 것 때문이다. 금속은 매우 까다로운 작업이다. 다만 AM 기술을 통해 금형으로 불가능한 형상 제작이나 위산최적화나 레티스 구조를 통한 금속의 경량화를 가능케 한다. 금속은 특히 일반 부품은 물론 인체 삽입형 임플란트 등의 의료기기 제작도 가능하다. 이를 위해 AM 특화된 산업 인력이 되기 위해서는 AM특화설계인 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 교육이 필수적이다.
  앞으로도 AM 기술의 발전은 계속 될 것이다. 더욱 빠르고 정교하고 경제적인 생산방식으로 진화할 것이다. 최근 네덜란드 금융투자업체 ING에 보고서에 따르면 프린팅된 상품이 2040년에 전 세계 수입의 40% 이상을 차지할 것이고 3D 프린팅에 대한 투자가 현재 속도로 늘어난다면 2060년에는 세계 무역 규모의 23%나 감소하게 된다고 전망한다. 이제 3D 프린팅 즉 AM 제조 기술은 제조기반 국가에서는 선택이 아닌 필수가 될 것이라는 점을 인식해야 할 때이다.

그림2. 3D 프린팅이 가능한 소재 전반

-------이하 생략