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Nikkei Monozukuri_2023.3 특집 요약 (p35-62)

3D프린터 활용의 확대
붐이 일어난 지 10년, 명확해진 용도

약 10년 전, ‘누구나 제조업체가 될 수 있는’ 툴로서 화제를 모았던 3D프린터(적층제조 장치, AM: Addative Manufacturing). 당시에는 개인 취미나 시제품 범위를 넘어선 활용 사례가 적었기 때문에 산업 용도로는 아직 사용하기 어렵다는 이미지가 퍼지면서 붐은 종식됐다.

그런데 착실하게 기술이 진보하면서 유럽과 미국을 중심으로 점점 최종 제품을 만드는 수단으로서 이용하고 있다. 유럽이나 미국과 비교해 3D프린터의 보급이 늦은 일본에서도 조금씩 활용 사례가 증가하기 시작했다. 선진적인 활용 사례와 함께 최근의 개발 동향을 소개한다.

Part 1. 총론
최근 10년새 명확해진 유저의 용도, 전 세계에서 본격화되는 최종 제품 전용 활용

“10년 전과 달리 최근에는 유저의 용도가 명확해지고 있다”. 3D프린터 업계 관계자는 이구동성으로 이렇게 말한다. 3D프린터가 세상에 널리 알려진 것은 약 10년 전이다. 당시에는 개인 취미 용도나 시제품용이 주된 용도였다.

그러나 최근에는 산업용 장치로 이용하는 기업이 늘고 있다. 그 용도도 시제품에 그치지 않고 최종 제품의 중소량 생산이나 금형 보수 등으로 다양해지고 있다. 새로운 3D프린터 활용의 물결이 눈 앞으로 다가와 있다.

-- 오바마 대통령도 혁신적이라고 평가한 10년 전 --
검색 키워드의 인기도를 알 수 있는 ‘구글 트렌드’로 2004년 이후의 동향을 조사하면, 전 세계적으로 2013년 5월에 ‘3D printer’ 검색수가 부쩍 증가했다. 일부 3D프린터의 기본 특허가 만료되면서 값싼 3D프린터가 속속 등장한 점, 미국의 기술잡지 ‘WIRED’의 전 편집장 크리스 앤더슨의 저서 ‘메이커스’와 미국 오바마 대통령의 국정연설에서 3D프린터가 혁명적 툴로 소개된 점 등이 열풍에 불을 붙였다.

참고로 3D프린터 기술 자체는 새로운 것이 아니다. 1980년에 나고야시 공업연구소에서 근무하던 고다마 히데오 씨가 발명한 광조형 방식의 장치가 3D프린터의 원형이라고 한다.

당시 ‘누구나 제조업체가 될 수 있다’며 특히 주목받은 것은 주로 열용해적층방식(FDM방식)의 개인용 3D프린터였다. 다만 개인용 프린터의 조형물은 적층의 얼룩무늬가 심했고, 치수 정밀도도 그리 높지 않았다. 시제품이나 개인 취미 용도라면 괜찮지만 산업 용도나 최종 제품 제조에는 아직 사용하기 어렵다는 이미지가 퍼지면서 결국 몇 년 만에 열광적인 붐은 사라졌다.

-- 전시는 듬성듬성해도 성황 --
다만 한때의 열광이 종식된 이후에도 3D프린터 업계는 꾸준히 성숙해왔다. 전술한 바와 같이 기업 유저의 용도가 명확해지면서 관심이나 흥미도 장치 그 자체에서 산업 용도로서의 구체적인 활용 방법으로 옮겨오고 있다. 그것은 세계 최대 3D 프린팅 전시회 ‘Formnext 2022’(22년 11월 15~18일, 독일 프랑크푸르트)에도 나타났다.

이 전시회에 출전한 독일 EOS는 이용 목적에 맞는 장치를 찾고 싶어하는 유저의 요구에 맞춰서 방문객과 논의할 수 있는 넓은 장소를 마련했다. 3D프린터 본체 전시는 2대뿐이었다. 3D 프린터라고 하는 새로운 툴을 배울 목적으로 전시회를 방문하는 사람이 많았던 약 10년전에는 생각할 수 없는 부스 제작 방식이다.

미국 GE Additive도 장치를 설치하지 않고 디스플레이의 투영 자료나 조형품을 사용한 관람객과의 커뮤니케이션에 무게를 두고 있었다. 부스를 찾은 이들은 “전시된 장치가 별로 없는데도 사람들로 북적거렸다”고 말했다.

과거 10년간 3D프린터에 특필해야 할 기술적인 돌파구가 있었던 것은 아니다. 3D프린터를 개발하는 한 기업의 담당자는 “유저의 요구를 반영한 개발을 착실하게 계속해 왔다”고 말한다. 개발된 툴에 대해 유저는 새로운 개선점을 찾아서 새로운 요구를 한다.

그러한 ‘유저의 요구’와 ‘업체의 개발’이라는 순환을 지속적으로 반복하며 장치, 재료, 소프트웨어의 진화를 통해 3D프린터가 산업 용도로서도 실용적인 툴로 발전해 온 것이다.

-- 항공기나 자동차의 부품을 생산 --
세계에서는 이미 최종 제품에서 활용하는 사례가 늘고 있다. 예를 들어 미국 보잉은 세계 20개 AM 거점에서 7만 점 이상의 부품을 3D프린터로 만들어 항공기에 탑재하고 있다.

미국 포드(Ford Motor)는 2022년에 미국 거점에서 3D프린터와 자동운반 장치를 조합해, 거의 쉬지 않고 자율적으로 자동차의 커스텀 부품을 제작하는 생산 시스템을 구축했다. 포드의 스페인 공장에서는 제조 과정에서 도움이 되는 지그, 고정구, 공구 등을 포함한 5,000개 부품의 데이터를 작성해, 2021년에만 이 곳에서 2만개의 부품을 3D프린터로 조형하고 있다. (Part2 활용 사례 참조)

3D프린터의 산업 이용은 유럽과 미국만의 트렌드가 아니다. 야노경제연구소에 따르면, 국내의 3D프린터 출하 대수는 기본적으로 상승하고 있다. 장치의 타입을 개인용을 포함한 데스크탑형과 산업용의 2종류로 나누어 보면, 과거 몇 년간은 산업용이 차지하는 비율이 증가하고 있다. 이는 일본에서도 최종 제품에서 이용하는 비율이 증가하고 있는 것을 시사한다고 할 수 있다.

예를 들면, 금형 업체인 후지(사이타마현)는 자동차 관련 업체의 주조용 금형을 금속 3D프린터로 보수했다. 기존의 TIG 용접 보수와 비교하면 열피로를 줄일 수 있어 금형 수명을 3배로 늘릴 수 있는데다 수리 완료까지의 리드타임을 90% 줄일 수 있다고 한다.

금속가공 업체인 아즈마금속산업(시즈오카현)도 금속 3D프린터로 항공 관련 부품이나 산업 기계 전용의 고기능 노즐을 만들고 있다. (Part2 활용 사례 참조)

-- 산업 이용을 의식해서 대형/고속으로 --
최종 제품에서의 이용이 증가하는 가운데 장치에 대한 유저의 다음 요구는 ‘대형화’와 ‘고속화’다. 가능한 한 높은 생산성으로 조형 사이즈의 제약을 받지 않고 자유롭게 만들고 싶은 욕구가 강하다.

이에 독일 SLM Solutions Group(SLM)은 2022년 11월에 최대 3.0ⅹ1.2ⅹ1.2m 크기의 부품을 제조할 수 있는 분말바닥용융결합(PBF: Powder Bed Fusion) 방식의 금속 3D프린터를 개발한다고 발표했다. 현재, 최대 조형 사이즈가 한 변에 1m를 넘는 PBF 방식의 금속 3D프린터는 많지 않아 완성되면 대형 금속 부품을 3D프린터로 만드는 돌파구가 될 것으로 기대된다. (Part3 장치의 진화 참조)

일본발 대형/고속 장치도 등장했다. ExtraBold(도쿄)는 21년 9월에 공업용 그레이드의 수지계 3D프린터 ‘EXF-12’를 발매. 자동차나 인테리어 용도로도 이용이 확대될 전망이다(Part3 장치의 진화 참조).

닛폰스틸 출신자 등이 2021년 2월에 창업한 스타트업 기업 SUN METALON(가와사키시)은 일반적인 PBF 방식과 비교해 500배의 속도로 조형할 수 있는 ‘새로운 원리’의 조형 방식의 금속 3D프린터를 2023년에 발매한다. (Part3 장치의 진화 참조)

-- 서포트는 자동으로 제거, 후처리는 간단하게 --
3D프린터를 이용한 조형의 전후 공정에 관련된 기술도 최종 제품의 생산을 의식한 것으로 바뀌고 있다. “Formnext 2022에서 특히 주목을 받은 것은 후처리 전시다"(업계관계자).

많은 3D프린터는 조형물의 발판이 되는 ‘서포트’가 필요하다. 조형 후에는 제거해야 하기 때문에 생산성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 이에 EOS는 금속 3D 프린팅의 서포트를 대폭 줄일 수 있는 기술 'Smart Fusion'을 개발했다. 이 기술을 통해 조형물 내부의 서포트를 90% 이상 줄일 수 있었던 예도 있다. (Part4 주변기술의 진화 참조)

영국 스타트업 기업 Rivelin Robotics는 서포트를 자동으로 제거하는 장치를 개발했다. 후처리 공정의 비용을 대폭 낮출 수 있다고 한다. (Part4 주변기술의 진화 참조)

소프트웨어에서는 벨기에의 Materialise가 3D프린터와 관련된 소프트웨어의 오픈 플랫폼 ‘CO-AM’의 파트너 기업을 늘렸다. 그 결과, CO-AM으로 부품 설계부터 후처리까지의 폭넓은 공정을 일괄적으로 관리할 수 있게 되었다. 최종 제품의 제조에서 빼놓을 수 없는 품질보증이나 자동화 실현을 뒷받침한다.

-- '실제품에서의 활용은 10년 늦어지고 있다' --
세계에서 최종 제품 전용의 3D프린터 활용이 가속화되는 가운데, 전술한 후지나 아즈마금속산업과 같이 일본에서도 3D프린터를 적극 활용하는 기업이 나타나고 있다. 그러나 “아직 최종 제품에 대한 실례는 적다”는 지적도 많다. “실제품에서의 활용은 유럽과 미국에 비해 10년 늦어지고 있다”고 한다. (일본AM협회)

일본에서 보급이 늦어지는 이유 중 하나는 항공우주나 의료 등 3D프린터로 만든 고부가가치 제품이 도입되고 있는 산업의 경쟁력이 높지 않기 때문이다. 금속 3D프린터의 권위자인 긴키대학 차세대기반기술연구소의 교고쿠(京極) 교수는 “자동차 등 일본이 세계를 리드하는 업계에서 3D프린터를 활용한 좋은 제품이 나오면 활용은 더욱 진전될 것”이라고 말한다.

안전 등을 중시하는 일본의 보수적인 문화도 최종 제품 전용으로 3D프린터를 활용하는 데 방해가 된다. 기존 공법으로 제품을 만들 수 있다면 바꿀 필요가 없다는 의견이 적지 않다. Digital Metal의 Christian Lonne CEO는 “3D프린터의 이용이 가장 활발한 곳은 실험 정신이 왕성한 미국이고 다음이 유럽이다. 일본은 신중한 자세다”라고 평한다.

그러나 일본에서 주조나 단조를 담당하는 숙련공이 감소하고 있는 것은 사실이다. 교고쿠 교수는 “기존 공법의 강점이 약해지고 있는 환경에서, 제품의 고기능화를 가능하게 하는 3D프린터 관련 기술을 사용하지 않으면 일본 제품이 세계에서 패배할 가능성이 높다”라고 경종을 울린다.

3D 프린팅 기술은 하루아침에 익힐 수 없다. 왜냐하면 설계, 후가공, 품질보증까지 모두 AM 사양으로 바꿔 나가야 하기 때문이다. 원하는 것을 얻기 위해 조형조건 설정에 애를 먹었다는 얘기도 많다. 일본AM협회은 신중한 자세의 일본 유저에게 “시장이 만들어진 후에 참가하겠다는 생각으로 정보 수집만 하고 있으면 따라잡을 수 없게 된다”고 경고한다.

금속 가공을 전개하는 다이마루텟코(이바라키현)는 장래의 AM 관련 시장의 확대를 전망하고, 금속 3D프린터에 선행 투자했다. 이러한 선구자가 3D프린터 활용의 물결을 탈 수 있다. (Part2 활용 사례 참조)

Part 2. 활용 사례

■ Schneider Electric, Ford Motor 등 (소재: 금속, 수지)
밸브나 필터, 지그도 조형, 기존 공법보다 빠르고, 싸고, 고기능

미국 HP는 세계 최대 규모의 3D 프린팅 전시회 ‘Formnext 2022’에 참가, 금속과 수지 부품을 조형할 수 있는 자사의 3D프린터를 선보였다. 부스의 대부분은 유저의 조형품 전시에 할애했다. 금속 3D프린터는 앞서서 이용한 기업이 최종 제품을 포함한 생산에 활용하고 있다.

■ Stratasys, nFrontier (소재: 수지)
2인승 전동차를 통째로 프린트, 구상에서 완성까지 불과 3개월

미국 Stratasys는 내외장 등을 3D프린터로 만든 전동 모빌리티 ‘UILA’의 프로토타입을 세계 최대 규모의 3D 프린터 전시회 ‘Formnext 2022’에서 선보였다.

■ 하나오카금속 (소재: 수지)
로스트 왁스의 원형 제작, 개발 가속이나 부품 일체화가 매력

금속 재료의 판매나 금속 부품의 설계 협력 및 가공을 전개하는 기술 기업인 하나오카금속(도쿄)은 수지계 3D프린터로 주조법의 일종인 ‘로스트 왁스’의 원형을 만드는 제안을 시작했다.

■ 아즈마금속산업 (소재: 금속)
항공이나 반도체로 사업 확대, 상황 악화를 피할 수 있는 비장의 카드

금속가공업체 아즈마금속산업(시즈오카현)이 금속 3D프린터를 활용해 제조의 부가가치를 높이려 하고 있다. 아즈마금속산업은 14년에 처음으로 3D프린터를 도입했고, 23년 기준 5대가 가동 중이다.

■ 다이마루텟코(大丸鐵興) (소재: 금속)
EV 시장 개척하는 ‘4번 타자’로, 5년만에 매출 10% 향상 목표

대형 금속 가공을 전개하는 다이마루텟코(이바라키현)는 주력 제품의 매출 감소가 전망되는 가운데 새로운 사업을 키우기 위해 22년에 금속 3D프린터를 도입했다.

Part 3. 장치의 진화

■ SLM Solutions Group (소재: 금속, 조형방식: PBF방식)
'최대가 최고'가 모토, 3m의 조형 가능한 장치를 개발 중

니콘이 인수한 독일의 금속 3D프린터 제조업체 SLM Solutions Group(SLM)이 최대 3×1.2×1.2m 크기의 부품을 제조할 수 있는 대형 금속 3D프린터를 제공할 방침이라고 밝혔다.

■ SUN METALON (소재: 금속, 조형방식: 신원리)
조형 속도 500배, 비용 90% 감소 / 새로운 조형 원리로 미국 시장 진출

‘조형 속도 500배, 비용 90% 감소’. 그런 충격적인 수치를 내세운 금속 3D프린터가 나타났다. 개발한 곳은 닛폰스틸 출신자 등이 21년 2월에 창업한 스타트업 SUN METALON(가와사키시)이다. 지금까지의 3D 프린터와는 다른 ‘새로운 원리’의 조형 방식을 채택했다.

■ ExtraBold (소재: 수지, 조형방식: FGF방식)
‘10년은 사용 가능’ 공업용 그레이드, 공작기계에 AM 기능 후부착 구상도

ExtraBold(도쿄)는 ‘제조업에 침투하는’ 3D프린터를 개발하고 있다. ‘제조업에 침투한다’는 것은 일본 기업이 원하는 공업제품을 만들 수 있는 성능과 품질, 안정성을 갖춘 것을 의미한다.

■ Photocentric(소재: 수지, 조형방식: 광조형방식)
8K 액정 패널로 1m급에 대응, 자동차 분야의 대형 부품 노린다

수지계 3D프린터를 전개하는 영국 Photocentric은 세계 최대 규모의 3D 프린팅 전시회 ‘Formnext 2022’에 출전해, 새로 개발한 자사 최대의 3D프린터 ‘Liquid Crystal Titan’을 전시했다.

■ Digital Metal (소재: 금속, 조형방식: BJT방식)
노즐 변경으로 조형 속도 5배, 티타늄이나 알루미늄도 다루기 쉽게

3D프린터를 개발/제조하는 미국 Markforged 산하의 스웨덴 Digital Metal은 조형 속도가 자사에서 판매한 기존 제품 ‘DMP2500’에 비해 조형 속도가 5배인 금속 3D프린터 ‘DMP/PRO’를 개발했다.

Part 4. 주변기술의 진화

■ EOS (주변기술: Smart Fusion)
서포트 리스로 조형 시간 반감, 품질보증 기능 응용해 레이저를 제어

3D프린터는 버튼 하나로 제작이 완료되는 것처럼 보이지만 실제로는 귀찮은 후처리가 뒤따르기 마련이다. 그 중 하나가 조형물을 지탱하는 '서포트'를 제거하는 작업이다.

■ Rivelin Robotics (주변기술: NetShape)
AI를 사용해 서포트를 자동 제거, 오퍼레이션 비용 90% 절감

영국 스타트업 기업 Rivelin Robotics는 금속 3D프린터를 이용한 제작으로 조형물의 토대나 발판이 되는 '서포트'의 제거 등 후처리 공정을 자동화하는 장치를 개발했다. 인공지능(AI) 등을 활용한 제어 소프트웨어에 의해, 다양한 모양의 조형품의 서포트를 로봇 팔에 장착한 커터 등의 공구를 사용해 자동적으로 제거한다.

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