Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(2)

세라믹 제조혁신을 위한 3D 프린팅 기술

류태산, 이지현, 손현진, 백인우, 박수진_한국재료연구원 연구생
장성완_한국재료연구원 박사 후 연구원
백승훈_부산대학교 기계공학부 교수
배창준_한국재료연구원 책임연구원

1. 서론

코로나19 대유행으로 인해 재택근무가 일상화 및 세라믹 노동인력 감소로 인해 세라믹 제조산업은 큰 어려움에 직면해 있다. 또한, 전통적인 제조기술로서는 인건비 상승, 기업의 투자 감소, 공급망 교란 등을  해결하기 어려워 이를 타개하기 위하여 새로운 기술들이 적용되고 있다.  차세대 기술인  인공지능, 3D프린터, 블록체인, 사물인터넷 등이 도입되며 세라믹 제조업체들의 대량 생산 시스템을 탈피해 고객맞춤형 다품종 소량 생산 방식 변화 및 글로벌 생산, 글로벌 소비를 꾀하고 있다.  새로운 변화의 물결에서 세라믹 제조 산업의 글로벌 경쟁력 강화를 위한 전략 구축과 시대에 걸맞는 제조혁신은 필수 요건이 되고 있다.
　제조혁신이란 제조 업체의 양적 투입 위주 성장 방식에서 벗어나 제조산업에 차세대기술(AI, 빅데이터, 3D프린터)들을 도입하여 제조 업체 내-외부 기술, 인력, 공정, 경영전략 등을 재배치하여 효율성 중심으로 생산기술을 전환시켜 새로운 상품을 내놓거나 원가절감, 납기단축, 품질향상 등의 새로운 가치를 창출하는 생산전략이다. 제조혁신에 대한 기술개발은 크게 두가지 방향으로 전개되고 있다. 그 첫번째는, 제조를 포함해 설계부터 소비자에게 유통되기까지 일련의 과정들을 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 빅데이터(Big Data)와 같은 IT 기술들을 활용하는 방식이며, 두번째는 적층 제조 개념(3D 프린팅)을 융합한 패러다임을 적극 활용하는 것이다. 특히나 스마트공장을 통한 제조혁신의 중심에는 이 두가지 방향의 기술개발이 필수적이기 때문에 IT 기술과 3D 프린팅 기술 모두에 대한 집중적인 연구와 융합 개발이 요구된다.

그림 1. 글로벌 제조혁신 트렌드 (출처 : 자체 제작)

제조혁신에 대한 세간의 관심은 몇 해 전부터 뜨거웠졌는데, 미국에서는 2011년부터 제조업 경쟁력강화를 위해 국가단위에서 첨단제조파트너십(AMP, Advanced Manufacturing Partnership)과 제조업혁신센터를 운영하여 산업계와 교육계가 협력연구를 하고 있으며, 3D 프린팅 역량 강화 및 미국 제조업 부흥을 위한 10대 핵심 제조기술로 3D 프린팅 기술을 지정하고, 시제품 제작 시간 개선과 비용 절감을 위한 3D 프린팅 기술과 관련한 창업활동을 적극적으로 지원하고 있다. 독일의 경우는 신흥개도국들의 기술력 추격에 대응하기 위해 “인터스트리 4.0” 정책을 추진하고 있으며, 이는 제조업을 ICT 기술과 결합하여 제조공정을 자동화, 최적화하는 것이다. 일본의 경우 제조산업의 생산성 향상을 위해 2013년부터 “일본재흥전략”을 매년 수립하고 있으며, 사물인터넷, 빅데이터, 인공지능 분야에 민간투자 및 정책 방안을 마련하고 있다. 중국은 제조강국 도약을 위해 2015년 “중국제조2025”를 발표하고, 노동생산성 향상을 위해 IT기술과 제조업을 융합한 산업 발전계획을 제시하기도 했다. 국내의 경우도 제조혁신화 전략을 추진하고 있으며, 그 예로 2014년 산업통상자원부를 통해 “제조업 혁신 3.0 전략”을 수립해 대응하고 있다. 해당 전략은 제조업의 생산현장, 제품 품질, 지역생태계를 개선하기 위해 IT 기술을 융합한 제조기술을 산업계 전반으로 확산하는 것을 핵심 목적으로 하고있다. 여기에는 3D 프린팅 기술 선도국가로의 도약을 위해 기업의 제조혁신 인프라 구축 및 3D 프린팅 사업 모델과 사업화 지원 내용을 포함하고 있다. 이뿐 아니라 2017년에는 산업정책과에서 국내 산업을 유연생산 체제로 전환시키는 것에 목적을 둔 “스마트제조혁신 비전 2025”을 발표했으며, 3D 프린팅 기술 육성 내용을 포함하고 있어, 3D 프린팅 기술이 제조산업에 전반적으로 가져다 주는 영향력은 파급효과가 클 것으로 예상된다.

표 1. 제조업 혁신 3.0 세부추진 방향 (출처 : 산업통상자원부 자료 참조하여 자체제작)

2. 제조혁신과 세라믹 3D 프린팅 기술

세라믹 3D 프린팅 기술은 기존의 제조방식과는 달리 이름 그대로 삼차원의 형상을 프린터로 출력하는 기술을 말하는데, 층을 쌓는 방식으로 성형체를 제조하기 때문에 적층가공이라고도 한다. 3D 프린팅 기술은 기존의 제조방식과는 전혀 다른 패러다임을 가진 공정으로서, 다품종 소량 생산 최적화, 개발 기간 및 자원 절감, 복잡 형상 구현 등의 관점에서 기존 가공을 대체할 수 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 차세대 스마트공장 인프라 구축의 주축 기술로, 산업계에 제조 혁신을 이끌 주역으로 각광받고 있다.
　전통적인 가공방식에서는 성형물을 제조할 때 재료를 절삭하거나 소성변형 시키는 방식으로 주로 물건을 만들어 왔다. 하지만 적층 가공은 프로그래밍 된 형상 정보를 바탕으로 레이어를 쌓아 형상을 구현하는 기술로, 금속, 세라믹, 고분자 등의 재료를 다양한 메커니즘으로 맞춤제작이 가능하다.
　3D 프린팅의 제조 프로세스는 모델링, 슬라이싱, 적층 과정으로 분류된다. 모델링 과정은 사용자가 출력하고자 하는 형상을 컴퓨터 모델링 프로그램을 통해 이를 구체화하는 과정을 말하며, 구체화 된 형상은 소프트웨어를 통해 슬라이싱 되어 프린터의 제어 명령어를 생성한다. 이후 제어 명령어가 입력된 3D 프린터에서는 명령어에 따라 재료를 적층하게 된다.

그림 2. 3D 프린팅 제조 과정 (출처 : Omnexus, ” 3D Printing / Additive Manufacturing Using Polymers - Complete Guide”)

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