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3D 프린팅기술 관련 금형금형산업과 3D 프린팅 기술의 짜릿한 만남
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승인 2014.05.20  13:24:35
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산업정보분석실 선임연구원 김지희(Tel: 02-3299-6293 e-mail: kjh@kisti.re.kr)

[요 약]

1 1. 3D 프린팅(printing)은 플라스틱 액체 또는 분말과 같은 원료를 사출해 3차원 모양의 고체 물질을 자유롭게 찍어내는 기술로 자동차, 항공, 우주, 방위산업, 가전제품, 의료장비, 치의학, 건축, 교육, 애니메이션, 완구류, 패션 등 다양한 분야에서 제품을 개발하는데 활용되고 있다.  

  2. 3D 프린팅기술 관련 금형시장규모는 시제품 금형과 금속 주형제작 등을 포함하여 2013년 기준 약 3.5달러의 시장을 형성할 것으로 추정된다. 

  3. 3D 프린팅 기술로 인해 제조업의 프로세스 단축과 제조원가하락의 장점이 있지만, 아직까지는 장비가 고가인 점과 메탈파우더가 비싸기 때문에 일반 중소기업에서 적극적으로 활용하기 위해서는 아직 넘어야 할 산이 많다.

제품의 개요
3D 프린팅(printing)은 플라스틱 액체 또는 분말과 같은 원료를 사출해 3차원 모양의 고체 물질을 자유롭게 찍어내는 기술을 말한다. 즉, 대상 물체를 3D 그래픽 설계 프로그램으로 생성한 다음 3D 프린터를 통해 분말(Powder), 액체(Liquid; Photopolymer), 실(Polymer Wire) 형태의 원료로 사출하여, 물체의 형상대로 얇은 층을 무수히 반복해서 쌓아 만드는 첨삭가공(Additive Manufacturing) 기술이다. 아래 그림은 (a) 액체기반의 3D 프린팅 기술방식인 SLA(Stereolithography), (b)는 분말기반 SLS(Selective Laser Sintering), (c)는 고체기반의 FDM(Fused Deposition Modeling)의 원리를 나타낸 것이다.

   
(a) SLA(Stereolithography)   (b) SLS(Selective Laser Sintering)  (c) FDM(Fused Deposition Modeling)
*자료: "3D 프린팅 기술동향“, 한국콘텐츠진흥원(2013)
[그림 1] 3D 프린터의 기술별 원리
기존 플라스틱 모형 제조방법은 틀을 만들어 찍어내기 때문에 하나의 물건을 만드는데 들어가는 비용이 매우 높지만, 3D 프린터로는 틀 없이 원료를 한 겹씩 쌓아서 물건을 만들 수 있어 다품종 소량생산에 매우 적합하다. 또한 어떤 모양이든 자유롭게 만들어 낼 수 있기 때문에 자동차, 항공, 우주, 방위산업, 가전제품, 의료장비, 치의학, 건축, 교육, 애니메이션, 완구류, 패션 등 다양한 분야의 제품을 개발하는데 활용되고 있다.

최근 들어 제조업의 뿌리라고 할 수 있는 주조, 금형, 용접산업 등은 기존의 부정적 의미인 3D(Dirty, Difficult, Dangerous)업종에서 탈피해서 3D(Digital, Dynamic, Decent)로 가기 위한 신공법, 신기술 개발에 역점을 두고 있는데 그 중 하나가 3D 프린팅 기술을 제조업에 적용시킨 것이다. 일례로 2013년 베타뉴스에 따르면 고급 스포츠카 제조업체인 Lamborghini는 스포츠카 Aventador 시제품 제작에 3D 프린터를 사용하여 4달 동안 40,000달러의 비용이 소요되던 기존 과정을 20일 동안 3,000달러 수준으로 줄였다. 또한, 3D 프린팅 기술은 기존의 제조업 생산방식인 “금형제작→사출 또는 프레스 가공→조립 및 제품생산”에서 “3D 설계→3D 프린터→제품생산”의 방식으로 전환시켜 가공방식에 제한 없이 복잡한 구조의 제품생산을 가능하도록 하였다. 이는 뿌리산업 특히, 금형산업에 중대한 변화를 초래하였을 뿐만 아니라 기존의 절삭가공방식에서 발생되는 원재료의 손실도 없어 제조원가의 하락을 가져올 수 있다. 구체적으로 금형산업에서의 3D 프린팅 기술을 활용한 사례에 대해 알아보고자 한다.

금형산업에서의 3D 프린팅기술 활용
금형산업분야는 3D 프린팅 기술을 가장 효율적으로 사용한 대표적 제조 산업 분야 중 하나이다. 금형은 정확한 형태·동일사이즈의 부품, 제품을 대량 생산하기 위한 금속재료 틀 및 이를 제작하는 기술을 말하며, 최종제품의 디자인과 품질을 좌우한다. 일반적으로 금형 제조 프로세스는 아이디어, 디자인, 금형제작, 성형 그리고 측정 및 후가공으로 구성된다. 3D 프린팅 기술은 아이디어와 디자인단계에서 쾌속조형(Rapid Prototyping: RP) 및 목업(Mockup) 단계에서 적용된다. 즉, 제품 설계에서부터 시제품 제작과 완제품의 대량 생산까지 도달하는데 필요한 시행착오를 컴퓨터 기반으로 통합하면서 제품 생산시간을 단축시킬 수 있고 목업 제작 대비 제작비용이나 기간을 획기적으로 단축시킬 수 있게 해준다. 다시 말해, 실제 금형을 만들기 전에 설계된 대상 부품의 형상을 사전에 검증하고, 설계 문제점을 사전에 파악할 수 있다.
   
*자료: 한국생산기술연구원(2013)
[그림 2] 금형 제조프로세스(Manufacturing Process)
최근, 사출금형 개발 분야에서 제품의 생산성 향상과 변형을 최소화시키기 위해 형상적응형 냉각채널(Conformal Cooling Channel)을 가진 금형과 이종 재료 혼합식 금형 개발에 대한 쾌속 툴링(Rapid Tooling; RT) 공정연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 쾌속 툴링(Rapid Tooling; RT)은 컴퓨터 3차원모델, 즉 3D CAD, CT, MRI Scan 또는 3D Scanning 데이터로부터 곧바로 실물형상을 만드는 기술로서 디자인과 시제품 그리고 최종제품 생산에 이르는 시간과 비용을 대폭 줄여 준다. 그 중 금속분말을 3D 프린팅 하는 방법 중 Direct Metal Laser Sintering(DMLS)기법을 이용한 쾌속 툴링(Rapid Tooling; RT)기술은 기존 기계가공에 의한 공법보다 소재의 낭비가 없을 뿐만 아니라 친환경적인 방법으로 금형 형상 및 냉각채널을 제작할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 아래 그림에서 보는 바와 같이 DMLS 공정을 제품 생산 공정에 적용하게 되면 인서트 단가, 생산성, 사이클 타임, 성형품 품질을 향상시켜줄 수 있으며 기존 금형제작공정에 비해 원가절감 효과가 크다. 하지만 장비가 고가인 점과 3D 프린팅 재료인 메탈파우더가 비싸기 때문에 일반 중소기업에서 적극적으로 활용하기 위해서는 아직 넘어야 할 산이 많다.
   
*자료: EOS(e-Manufacturing Solutions), 한국생산기술연구원(2013)
[그림 3] 기존 금형제작공정과 DMLS 공정비교
이러한 문제들을 해결하기 위해 많은 노력들을 기울이고 있는데 이 중에서 저가 메탈파우더인 일반 산업용 금속(합금)분말을 사용할 수 있는 DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling) 기술을 자체 기술력으로 개발한 AF(Additive Fabrication)분야의 선도 기업인 인스텍을 꼽을 수 있다. 이 기술은 아래 그림에서 보는 바와 같이 고출력레이저 빔을 이용하여 3D CAD 데이터로부터 직접 금속제품과 금형 등을 빠른 시간 내에 제작할 수 있는 신개념의 레이저 금속성형기술이다. 인스텍은 미국에 이어 세계 두 번째로 이 기술을 성공적으로 개발하였으며 전자, 자동차, 의료, 국방 등 다양한 산업에 적용시키고 있다.
   
[그림 4] DMT(Laser-aided Direct Metal Tooling)기술로 제작된 금형
이와 같이 3D 프린팅 기술로 금형을 제작하면 짧은 SETUP 시간, 공구 작동 오차감소, 생산성 향상 등의 이점이 있지만 국내 금형관련 약 7,000개 중소기업 중 30개 업체만이 3D 프린팅 기술을 적용하려고 시도하고 있다. 이는 금속 3D 프린터 장비가 중소기업이 구매하기에는 고가이며, 금형제작에 쓰이는 메탈파우더가 kg당 약 25만원으로 고가라는 문제가 있다. 또한 3D 프린터로 금형을 제작할 경우 표면이 거칠고 후가공이 필요하다는 것도 단점이다. 따라서 3D 프린팅 기술로 제조업의 패러다임을 바꾸기 위해서는 저렴한 장비와 저가 메탈파우더 개발, 속도, 정말도 등의 문제를 시급히 해결해야 할 것이다.

시장 및 업체동향
3D 프린팅 글로벌 시장규모는 2012년 13억 달러에서 연평균 24.3%로 성장하여 2019년에는 31억 달러의 초대규모 시장이 형성될 것으로 예상된다. 반면 국내 3D 프린터 분야는 현재 도입 초기 단계라 할 수 있으며 현재까지 정확한 시장규모도 파악되지 않고 있는 상황이다. 다만 시장관련 기사들을 종합하였을 때 2012년 기준 국내 시장규모는 300억원 내외로 추정될 만큼 작은 시장이며 현재 국내에서 사용되는 3D프린터의 90%이상이 해외 제품일 뿐만 아니라 글로벌 시장에서도 소수의 미국계 기업이 과점시장을 형성하고 있어 국내 기업들의 참여가 활발하지 않다. 그러나 2019년까지 글로벌 시장은 연평균 24.3%, 한국시장은 40%의 성장률을 전망될 정도로 다른 어떠한 산업보다 성장잠재력이 큰 시장으로 평가받고 있다. 3D 프린팅 기술을 적용한 제품시장규모를 용도별로 구분하였을 때, 금형관련 시장규모는 시제품 금형과 금속 주형제작 등을 포함하여 2013년 기준 약 3.5억 달러의 시장을 형성할 것으로 추정된다. 

<표 2> 3D 프린팅 시장규모                                                                    (단위: 억 달러, 억원)

년도

개요

시장 규모

연평균성장률(‘12~’16)

2012

2013

2015

2017

2019

세계시장

13

16.2

20.9

25

31

24.3

국내시장

300

420

590

820

1,160

40

*자료: Wohlers Association(2012)

<표 3> 3D 프린팅 기술을 적용한 제품시장규모(2013년 기준)                            (단위: %, 억 달러)

구분

(용도별)

시장 규모

직접부품생산

기능성모델

시제품 금형

조립공정

설계/제작

금속주형제작

프리젠테이션

교육/연구

공구제작

기타

비중

19.2

18.4

12.2

12.1

10.1

8.9

7.8

7.0

2.7

1.8

세계시장

3.11

2.98

1.98

1.96

1.64

1.44

1.26

1.13

0.44

0.29

  자료: Wohlers Association(2011), KISTI 재작성

   
*자료: 3D printer and 3D printing news(2013)
[그림 6] 메탈(금속) 3D 프린터 시장점유율
금형을 제작하는데 사용되는 3D 프린터는 금속분말을 사용하는 금속 프린터이며, 장비 공급업체로는 EOS, CONCEPT LASER, Arcam, MCP Systems, Optmec이며 서비스업체로는 3T RPD, Cal RAM 등이 있다. 금속 3D 프린터 시장점유율을 보면 독일 EOS가 전체 시장의 46%를 점유하고 있으며 그 뒤로 CONCEPTLASER가 17%, Arcam AB 10%를 차지하고 있다.

현황 및 전망
3D 프린팅 기술이 국내 시장에서 상용화되기 까지는 넘어야 할 기술 장벽도 많겠지만 기존의 생산기술 영역을 넘어 새로운 가능성을 보이고 있는 것은 분명하다. 3D 프린팅 산업은 전통적인 생산기술이 이루지 못했던 영역에서 새로운 가능성을 시사하면서 제조업의 가치창출을 변화시켜 나갈 수 있다. 이에 장기적인 관점에서 차세대 생산기술로서 3D 프린팅의 잠재력에 주목하고 기술개발 강화 및 관련업계의 적극적인 노력은 그 어느 때보다 절실히 요구되며 이것이 현 시점에서의 문제를 해결할 수 있는 해답일 것이다.

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