산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2016.10.10 특집 (2) (p50 ~ 54)

여기까지 진화한 3D프린터의 생산혁명
약점인「비싸다」「느리다」를 극복


수 년 전에 일대 붐이 일었던 누구나 ‘제조(모노즈쿠리)’를 할 수 있는 「Maker’s 혁명」. 지금까지 주로 개인이 주체가 되었던 산업혁명이 기업 쪽으로 옮겨가기 시작했다. 사무실부터 자동차 차체, 가열로까지. 3D프린터의 활용이 여기까지 도달했다. [「모노즈쿠리(제조)」: 혼신의 힘을 쏟아 최고의 제품을 만드는 장인정신으로 일한다는 뜻의 일본어]

아랍에미리트연합국(UAE)의 두바이 금융가에 올해 5월, 한 눈에 보아도 특이해 보이는 순백의 건물이 세워졌다. 직사각형의 속이 뚫려있는 거대한 관을 옆으로 지면에 눕힌 듯한 형태로, 전체적으로 둥그스름한 형태를 띄고 있다. 건설한 것은 두바이 정부. 건설에 사용된 것은 높이 약 6m, 폭이 약 12m, 길이가 약 36m인 거대한 3D프린터이다. 노즐에서 나오는 시멘트를 철골 위에 겹겹이 쌓아 올려 부품을 만들고, 건설현장까지 운반하여 조립했다. 완성까지 약 20일. 비용은 14만달러(약 1,400만엔)로, 일반적인 공법보다 저렴하게 마칠 수 있었다고 한다.

3D프린터는 지금까지「미래의 생산기계」로 주목을 받아오면서도, 실제로는 거의 활용되지 않았다. 그 최대 이유는「가격」과「시간」이다. 노즐로부터 조금씩 재료를 흘려 보내어 굳히는 작업을 했기 때문에, 각각의 다른 설계의 부품을 만들어 내는 것에는 적합하다. 단지, 일정량 이상의 생산이 되면, 금형이 세트 된 프레스 기계를 사용하는 편이, 1개 만드는데 드는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

올해에 들어, 참신한 발상으로 3D프린터의 약점을 극복하는 사례가 눈에 띄고 있다. 두바이의 사무실도 그 중 하나이다. 지금까지 건축물의 일부에 3D프린터를 활용하는 사례는 있었으나, 내장을 포함한 사무실 전체를 만드는 경우는 거의 없었다. 대형 3D프린터를 새로 만들어도, 동일한 설계의 건축물을 여러 개 만들어야만 채산이 맞기 때문이다.

두바이 뿐만 아니다. 스위스의 시멘트 세계 최대 기업인 라파르지홀심(LafargeHolcim)은 9월 20일, 3D프린터 기술을 이용한 대형건축기술을 확립했다고 발표했다. 일본에서도 시미즈(淸水) 건설이 건축물의 모형을 3D프린터로 만드는 등, 대형 종합건설회사에서도 흔치 않는 시도를 개시했다. 시미즈 건설은 2015년 겨울부터 대수를 늘려, 본격적으로 활용함으로써, 모형제작에 드는 시간을 대폭 절약할 수 있었다고 한다.

-- EV의 차체를 통째로「인쇄」 --
3D프린터의 컨설팅회사, 미국의 Wohlers Associates의 조사에 따르면, 2015년의 3D프린터를 사용한 제품이나 서비스시장은 51억 6,500만달러(약 5,165억엔)로, 전년보다 25.9% 확대되었다. “모노즈쿠리”의 최전선에도 변화가 일어나고 있다. 9월 중순에 미국 시카고에서 개최된 공작기계박람회「IMTS2016(통칭, 시카고 쇼)」. 올해는 3D프린터를 사용한 사례들이 많이 출전했다. 그 중에서도 주목을 받은 것은 EV(전기자동차)벤처기업인 미국 Local Motors가 출품한 자동운전버스「Olli(올리)」이다. 미국IBM의 인공지능「왓슨」을 탑재하여, 승객과의 대화가 가능. 목적지를 물어보거나 주위의 맛집 정보를 제공하는 것도 가능하다.

이 올리의 제조에 3D프린터를 사용한 것은「고객의 니즈에 맞는 자동차를 만들 수 있기 때문」(Local Motors기술자 아르씨). 이 회사는 EV 차체를 통째로 만들 수 있는 3D프린터를 타사와 공동으로 개발하여, 2014년에 3D프린터로 “인쇄”한 세계 최초의 EV를 발표했다. 신개발의 3D프린터는 1시간에 16kg의 재료를 배출할 수 있으며, 최대 높이가1.8m, 폭이 2.4m, 길이 6.1m의 형체까지 만들 수 있기 때문에 차체를 통째로 제조할 수 있다.

3D프린터는 복잡한 형태를 만드는 것이 뛰어나다. 따라서, 예전에는 따로 제작해야 했던 부품들을 일체화 시킬 수 있다. 통상적인 EV의 부품수가 약 2만점이라는 것을 감안할 때, Local Motors EV의 부품수가 50점으로 극도로 적은 것도 이 때문이다. 공장도 일반의 자동차 공장보다 작게 만들 수 있다. Local Motors는 세계 각지에「마이크로 팩토리(Micro Factory)」라고 부르는 작은 공장을 지어, 그 지역의 고객이 원하는 자동차를「인쇄」하는 것을 목표로 삼는다. 창고 등의 비용도 들지 않고 운송비용도 절감할 수 있다.

독일 다임러(Daimler AG)도 3D프린터를 사용한 자사의 트럭 부품제조에 뛰어들었다. 올해 9월부터 스프링의 수지로 만든 덮개 등, 교환부품 약 30점의 제조를 시작했다. 이 부품들은 수리・교환서비스가 필요해, 재고를 안고 가야만 했다. 고객의 요구가 언제 올지 알 수 없어서 점포마다 재고를 가지고 있었다. 3D프린터를 사용하면, 발주가 도착한 후, 개별로도 부품생산이 가능하며, 점포에 불필요한 재고를 쌓아 둘 필요가 없어진다. 다임러는 앞으로, 금속부품에도 3D 프린터를 적용할 방침이다.

-- 소니(SONY)는 신제품의 부품으로 채용 --
아로마스틱(AROMASTIC)은 립스틱 정도의 크기(직경 약25mm, 길이 약 85mm), 무게 약40g으로 가볍게 핸드백 등에 넣고 다닐 수 있다. 발상은「워크맨 아로마 버전」(소니 신규사업창출부 후지타 씨). 5가지 종류의 아로마 중, 한 개를 선택하여, 측면의 버튼을 누르면 언제 어디서든 향기를 즐길 수 있다. 3D프린터를 사용한 것은 향기 성분을 세어 나오지 않게 밀봉한 카트리지의 안쪽 부분이다.

계기가 된 것은 2012년에 사내에서 열린 전시회였다. 소니와 같은 대형업체에서는 사내의 기술을 타 부서의 기술자와 공유하기 위한 전시회를 자주 열고 있다. 소니 본사의 연구개발 부문에 소속되어 있는 후지타(藤田) 씨는 여기에서 어떤 기술에 눈을 떼지 못했다. 생산부문 자회사인 소니 EMCS에서 3D 조형담당 매니저인 키하라(木原) 씨가 출품한 3D 제조기술이었다.

그 기술은 빛에 닿으면 단단해지는 수지 위에 레이저 빔을 고속으로 쏴서 조형물을 만드는 3D프린터의 일종. 글라스판(版)의 윗면에서 빔을 쏘면서, 글라스판의 아래에서 굳어가는 조형물을 글라스에서 떼어낸다. 2가지 동작을 병행해, 진행시키면서 생산효율을 높였다. 후지타 씨는 「이 기술을 사용하면, 향기를 담는 부품을 양산 할 수 있을지도 모른다」라고 생각했다.

카트리지(Cartridge)는 극도로 미세한 구조를 하고 있다. 직경이 수십~수백 마이크로 미터(마이크로는 백만분의 1)의 마이크로 유로(流路)를 5개, 내부에 만들고, 그것들의 벽면에는 다른 향기의 성분을 코팅시켰다. 이렇게까지 미세하고 복잡한 형태는 3D프린터가 아니면 만들 수 없다. 문제는 양산할 수 있을 정도의 생산 스피드를 확보하는 것이었다. 그 문제를 해결한 것이 키하라 씨의 기술.「키하라 씨를 만나지 못했다면, 이 상품은 탄생하지 못했을 것이다」라고 후지타 씨는 말한다.

-- 프레스용 형틀을 한번에 만든다 --
3D프린터를 상품의 개발 단계에서 잘 활용함으로써, 개발기간을 대폭 감축시키려는 시도가 이루어지고 있다. 3D프린터 업계의 최대주인 미국 Stratasys(SSYS)와 타카라토미(Takara Tomy)가 다수의 일본 국내 중소기업과 손잡고 서로 다른 업종끼리 연대를 맺은 프로젝트이다.

프로젝트의 목표는 타카라토미의 히트상품인 미니어처 자동차(토미카)의 시작품 100개를 3주만에 만드는 것. 원래 토미카 상품은 강도 및 안정성 확인을 목적으로 약 100대의 시작품을 만든다. 검증과정에서 시작품이 부서지는 경우가 많기 때문에 그 정도의 대수는 필요하다. 3D프린터로 시작품을 만들어 활용해 보니,「지금까지 4개월 걸렸던 것이 3주에 끝났다」(타카라토미 기술개발부 마츠오카 씨)고 한다.

기간단축의 최대요인은 시작품의 형틀을 3D프린터로 만든 것. 일반적으로, 형틀을 제작하기 위해서는 3개월 정도가 소요되지만, 3D프린터의 경우, 하룻밤이면 된다. 「저녁에 설계한 디자인의 형틀을 밤중에 출력하여, 다음날 아침에는 그 형틀로 부품을 만들어보고 검증할 수 있게 되었다」(마츠오카 씨).

이번 프로젝트에서는 여러 가지 공법에 사용되는 형틀을 3D프린터로 만드는 것에 도전하였다. 그 결과, 시작품 대부분의 부품을 3D프린터로 만든 수지(樹脂)재질의 형틀(Digital Mold)로 만들 수 있었다고 한다. 머플러나 시트 등의 수지재질의 부품은 형틀에 수지재료를 흘려 넣고 굳히는「사출형틀」이라는 공법을 사용했다. 차체부분은「로스트 왁스법(Lost Wax Process)」이라고 불리는 공법으로 만들었으나, 이 형틀에도 디지털 몰드를 채용했다.

놀라운 것은 호일 부품의 프레스용 형틀에도 디지털 몰드를 사용한 것이다. 호일 부품의 소재는 알루미늄 판이다. 금속소재를 수지 재료의 형틀에 밀어 넣으면 형틀이 금방 망가져버릴 것 같지만,「100대정도라면 충분히 견딜 수 있다」(스트라타시스 재팬의 카타야마 사장)고 한다.

3D프린터를 시작품에 이용하면 완성품의 품질향상으로 이어진다. 「단기간에 디자인의 재검토를 몇 번이나 할 수 있는 것이 장점. 본격적으로 도입하는 것은 아직 미정이나, 이번 시도로 3D프린터의 새로운 사용법을 확인할 수 있었다」라며 타카라토미의 마츠오카 씨는 기뻐한다.

완전히 새로운 데이터 형식의 3D프린터를 만들자---. 약 3년간의 개발기간에 걸쳐, 후지 제록스와 케이오주쿠 대학이 금년 7월에 발표한 것은 입방체로 쌓아 올린 듯한 모양을 만드는 데이터 형식으로, 입방체 하나하나에 색과 재질을 지정할 수 있다. 후지 제록스 등이 무료로 제공하고 있는 어플리케이션으로, 설계에서 내구성의 시뮬레이션까지 한번에 진행할 수 있다.

데이터 형식도 어플리케이션의 제공도 비즈니스로써는 성립되지 않는다. 단, 공략하는 것은 그 앞에 놓여있는 시장이다. 기존의 데이터 형식은 후지 제록스가 가진 2차원의 프린터 기술에서 살리기는 힘들다. 새롭게 개발한 데이터 형식으로는 2차원 프린트의 잉크를 수지나 금속 등으로 전환하는 방법에 가까우며,「색 번짐을 억제하는 기술이나 데이터 시큐리티의 관점에서 지식을 살릴 수 있다」고 후지이(후지제록스 연구개발본부 연구주임) 씨는 말한다.

금년 9월에 영국에서 열린 3D프린터에 관한 학회에서 후지 제록스는 이 데이터 방식을 발표했다. 그러자 의외의 상대로부터 찬사를 받았다. 프린터 분야에서 경쟁하고 있는 미국의 휴렛 팩커드(HP)이다. HP도 새로운 데이터 개발형식의 개발에 뛰어들었으며, 후지 제록스에게「일단은 교육현장에서의 사용을 검토해 보지 않겠는가」라는 제안이 들어왔다고 한다. 이 데이터 형식이 세계표준이 될 가능성이 크다.

-- 불가능한 설계를 가능하게 --
부품의 성능을 비약적으로 높인 것이 가열로의 제조까지 만드는 금속소재 업체인 Daido Steel (大同特殊鋼)이다. 3D프린터로 만든 부품을 강철부품의 강도를 높이기 위한 가열로에 채용했다. 주로 자동차 부품업체 등이 사용하는 설비이다.

3D프린터를 사용하는 것은 열 교환기라고 불리는 부분. 가열로에는 내부를 가열시키는 연소시스템이 내장되어 있다. U자형의 관 옆에는 버너가 설치되어 있으며, 그 버너를 태우면 U자형 관 안의 공기가 뜨거워진다. 버너를 태우기 위해서는 U자형 관 안의 공기를 새로운 공기와 맞바꿀 필요가 있다. 그 때, 뜨거워진 공기를 밖으로 배출하면 에너지가 손실된다. 배출 전에 열을 회수하여, 관 안에 있는 공기 쪽으로 이동시키는 것이 열 교환기이다.

지금까지의 열 교환기는 금속제. 금속은 열전도율이 높지만, 수 천도의 고열에 의해 변형되거나, 확장되기 때문에 복잡한 형태의 부품은 만들 수가 없다. 열 전도율을 높이기 위해서는 공기와의 접촉 면적을 크게 만드는 것이 강권이었으나, 지금까지는 불가능했던 것이다.

효율을 높이는 방법 중 하나가, 열전도율이 금속보다 높은 세라믹을 채용하는 방법이 있다. 열에 의한 변형 및 팽창도 적기 때문에 복잡한 형태의 부품을 만드는데 적합하나, 단단하기 때문에 가공하기 힘들어, 지금까지 잘 활용되지 못했다.

3D프린터 기술의 발전으로 현재는 다양한 소재를 사용할 수 있게 되었다. 세라믹도 그 중 하나이다. Daido Steel은「3D프린터로 적층(積層)시킨다면, 세라믹으로 복잡한 형태를 만들어 낼 수 있다」(Daido Steel 열처리설비 설계실 이토 기술총괄부장)고 생각했다. 조사해 보니, 미국의 대형 세라믹 조형물을 만드는 3D프린터를 개발하는 벤처기업이 있다는 것을 알아냈다.

5년에 걸쳐, 개발한 것이 세라믹제의 열 교환기기를 채용한 신형 연소시스템「DINCS」이다. 복잡한 형태를 만들 수 있는 3D프린터의 특성을 살려, 볼트 같은 모양을 한 부품의 내부에 좁은 공기가 통하는 길을 여러 개 만들었다. 공기와 접하는 표면적이 커짐으로써, 효율이 10%나 높아졌다. 

Daido Steel은 DINCS를 탑재한 가열로를 올해 3월에 발매, 2년간 300대를 목표로 하고 있다. 「효율이 높기 때문에 연간 수 백만 엔의 에너지비용을 절감할 수 있어서, 고객이 얻는 이익은 크다」(이토 총괄부장). 3D프린터에 의한 생산비용이나 스피드는 기존의 방법을 따라가기에는 아직 시간이 걸릴 듯 하다. 하지만, 공정자체의 “모노즈쿠리”에 혁신을 가져올 것은 분명하다.

     -- 끝 --