제조업 기반 흔드는 3D프린팅, 다품종 소량 생산 시대 대비하라

Article at a Glance

3D프린팅 기술은 적층가공 방식으로 물건을 생산한다. 적층가공은 절삭가공 대비 조형속도가 빠르고, 나노 스케일 수준의 정밀도로 복잡한 형태의 제품생산이 가능해 다방면에서 쓰임이 많은 혁신 기술이다. 그러나 3D프린팅은 윤리적 문제나 지적재산권 침해 및 보안 이슈 등 풀어야 할 숙제도 많다. 가령, 3D 설계도면 및 프린팅 기술을 이용해 개인이 총기 등 무기류를 제작하거나 인체조직을 제조하는 등 사회적으로 논란의 여지가 있는 문제들이 쟁점화될 수 있는 만큼 사회 구성원 간 충분한 논의와 협의가 이뤄져야 한다.

인류는 상상하는 것을 실제로 구현하는 생산 방식을 통해 문명을 발전시켜왔다. 역사 수업시간에 너무나 자주 들었던 빗살무늬 토기부터 오늘날 최첨단 우주선까지, 인간은 원하는 것은 무엇이든 만들어냈다. 이렇게 무엇인가를 만드는 산업을 우리는 제조업이라고 부른다.

지금까지 제조업에서는 금속이나 플라스틱 등 다양한 소재를 밖에서 안으로 깎아서 제품을 생산하는 절삭가공 방식을 핵심 기술로 사용해왔다. 절삭가공은 성형하고자 하는 소재보다 경도가 큰 절삭공구를 사용하는데, 이 방식은 가공 후 매끄러운 표면을 유지하는 장점이 있는 반면 복잡한 형태의 제품구현이 상대적으로 힘들며 가공 가능한 소재의 한계가 있다는 단점이 있다. 그래서 복잡한 형태의 제품은 금형을 이용해 주조 등의 방식으로 부품을 생산하고 이를 조립해 완성품을 만들게 된다. 이 경우 금형 제작에 고정적 투자가 발생하며 금형에 기초해 생산하기 때문에 디자인 자유도 역시 떨어지는 현상이 있다. 완제품 생산을 위한 다양한 후처리 및 조립과정이 필요하기 때문에 장기간의 리드 타임도 수반된다.

그러나 최근 지금까지 당연하게 생각했던 제조방식에 변화가 발생했다. 3D프린팅이라는 혁신적 생산방식이 등장한 것. 3D프린팅은 기존 절삭가공이 아닌 적층가공이라는 방식으로 우리가 원하는 것을 생산한다. 적층가공이란 플라스틱, 스테인리스, 티타늄, 섬유 세라믹 등 다양한 재료를 분사하거나 녹이면서 쌓아서 완성된 형태를 만드는 가공기술이다. 이는 절삭가공 대비 조형속도가 빠르고, 나노 스케일 수준의 정밀도로 복잡한 형태의 제품생산이 가능하다. 특히 디지털 데이터로 설계된 모델을 출력해 제품을 생산하기 때문에 신속한 프로토타입 개발과 피드백 반영으로 시장요구에 즉각적 대응이 가능하며 고정비 절감, 재고 감축, 실시간 생산에 따른 원가 절감까지 그야말로 다양한 효과를 누릴 수 있는 혁신 기술이다.

3D프린팅은 1981년 일본 나고야공업연구소 히데오코다마에 의해 처음으로 구현됐고, 이후 미국, 독일 등 연구소에서 플라스틱을 활용한 3D프린팅 기술을 특허로 출원하며 모형, 시제품 등 단순 제품을 만드는 데 활용하기 시작했다. SLA(Stereo Lithography Apparatus, 광경화 수지 조형), SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결 조형) 같은 기술 관련 특허가 만료됨에 따라 3D프린팅에 대한 기업, 소비자의 접근성이 향상됐다. 금속 소재 활용도 증가와 정밀도 증대에 따라 산업 현장에서 3D프린팅을 적용하는 사례가 증가하고 있다. 앞으로 나노 스케일 수준의 초정밀 기술발전과 함께 의료, 반도체 등 3D프린팅 활용산업은 더욱 증가할 것이며, 동시에 한계점으로 지적됐던 출력속도 향상으로 대량 생산이 가능한 환경이 구축될 것으로 예상된다.
 

3D프린팅 기술 유형

3D프린팅 기술은 활용하는 소재와 적층방식에 따라 분류할 수 있다. 3D프린팅에 활용되는 소재는 수지, 금속, 종이, 식재료 등 매우 다양하나 이 중에서 수지와 금속이 가장 상용화돼 있다. 금속 소재는 알루미늄, 티타늄 등이 많이 사용되며 주로 의료 및 기계부품 분야에 적용되고 있다. 반면 수지는 플라스틱 위주로 시제품, 완구 등에 적용되며 기술적으로는 거의 완성단계에 도달해 있다.

3D프린팅 관련 특허 출원은 점점 증가하는 추세이며 다양한 원료물질이 개발되면서 적용 분야가 점점 확대되고 있다. 3D프린팅 대중화는 주요 기술의 특허가 만료됨에 따라 가속화되고 있으며, 특히 2009년 FDM(Fused Deposition Modeling) 특허가 만료되면서 저가 3D프린팅 장비가 급속도로 확산됐다. 현재에는 제조시간 단축, 가격경쟁력 강화, 정밀성 향상, 금속소재 개발 등의 관점에서 기술 개발이 진행 중에 있다.

3D프린팅의 산업 적용 시나리오

3D프린팅은 5가지 관점에서 기존 제조업의 문제점을 극복할 수 있을 것이다. 첫째, 다양한 형상의 제품을 동시에 제공해 시장 고객의 니즈에 신속한 대응이 가능하다. 전통적 제조업 방식은 단일 공정 기반에서 한 가지 형상의 제품만이 가능한 구조였으나 3D프린팅은 단일 형상이더라도 다양한 소재로 생산이 가능하며 미세한 부분의 변화는 설계의 일부 변경으로 즉각적으로 대응할 수 있다. 둘째, 제품 생산 시 부품 조립 최소화로 공정 비용이 절감된다. 수많은 부품을 조립해 완성하는 전통적 제조업 방식과 달리 3D프린팅은 부품 조립을 최소화하는 제품 설계도면을 바탕으로 생산이 가능하다. 일례로 로켓 제작 업체 ULA는 140개 부품으로 구성됐던 기존 제품을 3D프린팅을 활용해 16개 부품으로 줄일 수 있었다. 셋째, 대형 설비 최소화에 따른 투자자본 축소가 가능하다. 제조공장 설립에 필요한 대규모 부지, 대형 가공기기 대비 3D프린팅은 제품 크기에 맞는 3D프린터 운용만으로 제작이 가능하다. 사업 초기뿐만 아니라 추가 생산설비 증설에 따른 투하자본 비용을 급격히 절감할 수 있다. 넷째, 다품종 소량 생산 체계가 용이하다. 과거에는 고가의 제품만이 고객 맞춤화로 제작됐다면 3D프린팅은 일반 소비재 제품의 고객 맞춤화식 대응도 가능하게 해준다. 다섯째, 분산화된 공급/유통/재고관리 체계 구축이 가능하다. 전통적 제조업은 중앙집중화된 공장에서 제품을 생산해 세계 각지로 제품을 유통해 판매했다. 3D프린팅은 수요지역에서 직접 생산하고, 주문 후 생산 대응이 가능해 물류 및 재고비용의 절감을 유도할 뿐만 아니라 고객 니즈 대응의 적시성도 높아질 것으로 전망된다. 3D프린팅 기술은 현재 다양한 산업 중에서도 크게 산업장비, 항공, 자동차, 전자/소비재, 의료 부문에서 적극적으로 활용하고 있다.

3D프린팅이 가장 많이 활용되는 분야는 산업장비 영역으로, 금속 소재 3D프린팅 기술 발전과 함께 절삭가공과 적층가공을 동시 진행할 수 있는 하이브리드 산업용 설비가 지속 개발 중이다. 특히 일본 선도 정밀기계/공작기계 업체들이 3D프린팅으로 제품을 출력하고, 절삭가공을 활용해 표면을 매끄럽게 다듬는 하이브리드형 산업장비를 시장에 선보이며 시장을 선도하고 있다. 국내 현대위아는 금속 3D프린팅 전문업체인 인스텍과의 협업으로 하이브리드 산업장비를 출시하고 있다. 금형을 디지털 모델링으로 대체하며 점차 산업장비의 생산 자유도가 높아지는 방향으로 기술이 발전하면서 동시에 출력속도가 개선되면 장기적으로 산업장비 전체 부품을 3D프린팅이 대체할 수 있는 생산 인프라가 구축될 것이다.

항공 분야 역시 3D프린팅이 적극 활용되고 있다. 미국 GE는 항공기 부품을 3D프린팅으로 대량 생산하겠다고 천명하면서 스웨덴 아르켐과 독일의 SLM솔루션 등 2개의 유럽 3D프린팅 업체를 1조5000억 원에 인수했다. GE는 해당 기업 인수를 통해 2020년까지 약 4만 개 부품을 3D프린팅으로 생산할 예정이며 이에 따른 비용 절감 효과를 30억∼50억 달러로 예측했다. 미국 NASA 또한 핵심 부품인 로켓엔진 연료분사장치를 3D프린팅 생산을 통해 4개월 만에 프로토타입 구현에 성공했다. 우주 항공산업은 미래 성장 가능성이 높은 영역이다. 현재는 수많은 부품을 조립하는 과정에서 많은 비용과 리스크가 존재한다. 3D프린팅은 신소재 활용 가능성을 높이고 복잡한 형태의 우주항공 부품을 단일 구조로 제작해 조립기간과 유지보수 비용을 절감할 것이다. 장기적으로 우주공간에서 필요한 부품을 현지 생산하는 것이 NASA의 목표이기도 하다.

자동차 분야에서는 주요 완성차 생산기업 중심으로 생산라인의 3D프린팅 도입이 가속화되고 있다. 람보르기니는 ‘아벤타도르’ 시제품을 만들 때 3D프린팅을 활용해 개발 기간을 3개월 10일 단축할 수 있었다. 포드는 자체 개발한 ‘마커 봇(Marker Bot)’이라는 3D프린터를 통해 일부 부품을 생산하고 있으며 BMW그룹은 롤스로이스 팬텀 제품군에 들어가는 부품 1만 점 이상을 3D프린팅을 활용해 생산할 예정이다.

3D프린팅은 소량의 프로토타입을 생산할 경우 전통적 제조방식 대비 리드타임 관점에서 효율적이나 대량 생산의 경우 차량 1대당 출력에 필요한 시간이 길어 효율성이 떨어지는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 단위 생산당 출력시간을 절감하는 데 각 업체가 더욱 노력을 기울일 것이다.

소비재 영역은 3D프린팅 기술이 가장 쉽게 피부로 와 닿는 영역이 아닐까 한다. 아디다스는 ‘퓨처크래프트(Futurecraft)’ 신발 라인을 출시하며 개인별 신체구조를 디지털 설계에 반영한 후 3D프린팅 기술을 활용해 제품을 생산했으며, 샤넬은 아이코닉 아이템인 트위드 재킷을 3D프린팅을 통해 제작했다. 미국 가전업체 월풀(Whirlpool)은 오브젯 3D프린팅 기술을 활용해 가죽으로 디자인된 냉장고를 최초로 생산했다. 미국 NASA의 연구비 지원을 받고 있는 SMRC는 상온에서 보관 가능한 복합 탄수화물, 당류, 단백질 등을 필요할 때마다 생산할 수 있는 3D프린터 개발에 성공했고, 축산물을 3D프린터로 생산하는 기술을 개발 중이다. 소비재 시장은 산업재 시장 대비 맞춤화(Customization) 니즈가 더 큰 시장이다. 향후 3D프린팅 기술은 이러한 개별 소비자의 맞춤화 니즈에 개별적으로 대응 가능한 역량 확보에 초점을 맞춰 진화, 발전할 것이다. 또한 프로토타입 및 제품 개발기간이 단축됨으로써 소비재 트렌드는 현재보다 더욱 빠르게 변화할 것이다. 이러한 진화가 지속되며 개인용 3D프린팅 보급이 가속화되는 시기가 도래할 경우, 소비재 산업은 제품을 판매하는 시장이 아닌 디자인과 디지털화된 설계도면을 판매하는 시장으로 변화할 것이다. 즉, 공급자가 완제품을 소비자에게 제공하는 것이 아닌 소비자가 요구하는 설계 및 디자인을 제공하고, 생산은 소비자가 직접 진행하는 구조로 변화할 것이다.

의료 영역은 3D프린팅 잠재 활용 가능성이 매우 크다. 현재 의료산업에서 3D프린팅을 활용한 의족, 의수 등 보조기기, 임플란트 등 치과용 의료기기는 이미 높은 수준의 상용화 단계에 있다. 이외 인공 뼈, 인공 귀 등 다양한 인공 신체 부위 생산을 위해 3D프린팅을 사용하는 사례가 지속적으로 증가하고 있다. 의료산업에서 3D프린팅 수요가 높은 이유는 개별 의료 서비스 소비자가 다른 신체 구조를 보유하고 있어, 그 어떤 산업보다도 맞춤화에 대한 수요가 크기 때문이다. 의료산업에서 사용되는 3D프린팅 기술은 정밀화될 것이다. 지금까지는 비교적 단순한 구조를 가진 뼈, 연골 등의 신체기관 중심으로 3D프린팅 기술이 적용됐다면 향후에는 내부 장기, 세포조직 등 보다 정밀한 기술이 요구되는 복잡한 구조를 가진 인체 부위로 대상이 확대될 것이다. 다만 인체에 사용되는 3D프린팅 제품이 별도의 허가심사 기준을 거치지 않기 때문에 안정성에 대한 고민이 필요하며, 이에 따라 인체에 무해하고 인체 친화적인 소재 개발이 지속돼야 할 것이다.