자동차, 항공우주, 교육, 식품 등 다양한 분야 적용되는 3D 프린팅
[Industry News 전시현 기자] 스마트 팩토리의 핵심 분야인 3D 프린팅 사용으로 인해 미국 제조업이 발전할 전망이다.
장문희 미국 실리콘밸리무역관은 "3D 프린터는 제조공정에 친환경화, 스피드화, 스마트화를 실현하는데 핵심 역할을 한다. 또 3D 프린터로 타이타늄, 강철, 알루미늄 또는 여러 형태의 플라스틱 등 물리적 특성이 다른 여러 재료를 이용해 부품을 제조, 조립해 원재료의 연속적인 층을 쌓아 3차원 물체 제조가 가능하다"라고 전했다.
신제품 개발 시 프로토 타입을 위한 제작할 경우, 전통적인 방식으로는 많은 노력과 비용 및 시간이 필요하다. 하지만 3D 프린팅을 이용하면 적은 비용으로 샘플 제작시간을 단시간에 해결할 수 있으며 테스팅 후 대량생산과 시장진출까지 걸리는 시간도 최소화할 수 있다.
KOTRA 실리콘밸리 무역관 자료에 따르면 3D 프린터의 효능과 인기에 비례해 다양한 분야에서 3D 프린팅 기술을 채택하게 될 것이며, 2022년까지 향후 5년간 꾸준히 산업 수익이 증가할 것으로 예측된다. 또 IBIS WORLD 자료에 따르면 3D 프린터 사용하는 미국 제조시장은 2018년에 17.0%의 성장을 시작으로 연간 7.8%의 성장률을 기록할 전망이다.
자동차 분야
3D 프린터를 사용하는 제조 분야는 자동차, 항공·우주, 의료기기 등 두루 사용된다. 우선 자동차 분야에서는 자동차 업계는 '래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping)'이란 이름으로 주로 시제품 제작에 3D 프린팅을 사용된다. 프로토타입 부품을 만들고 테스트하는 과정에서 3D 프린팅을 통해 빠른 시간 내에 실제 크기, 또는 축소된 실물 모형을 직접 만지고 검증할 수 있기 때문이다.
미국 GM사는 신형 자동차의 플로어콘솔, 앞좌석 등판, 앞 범퍼를 3D 프린팅을 통해 제작한다. 훨씬 적은비용으로 윈드터널 테스트까지 진행한다. 크라이슬러사는 3D 프린팅 기술을 이용해 모델카를 제작하고, 메르세데스사는 3D 프린터로 트럭 금속파트를 만든다. 독일 폴크스바겐사는 공장 라인근로자들을 위해 3D 프린팅으로 인체공학 의자를 제작한다. 자동차 분야에서 3D 프린터 사용은 자동차 부품중 금속파트의 제작이 가능해지면서 증가하게 됐다.
항공우주분야
3D 프린터는 티타늄 및 플라스틱과 같은 경량 소재로 비행기 부품을 생산할 수 있어 친환경 항공기를 구축하는 데 도움이 된다. 3D 프린팅으로 랜딩기어나 비행기 날개부품 제조와 원자재 낭비가 줄어들어 전체 재료비 절감 효과가 있다. 이런 현실 속에서 GE는 2016년 Arcam AB와 SLM Solutions Group AG 등 2개의 금속 기반 3D 프린터 회사를 인수했다. 2020년까지 제트 엔진에 10만 개의 3D 프린팅한 파트가 사용될 것으로 보인다.
또한 3D 프린팅을 포함한 적층 제조방식으로 큰 비중을 차지하는 최초의 상업용 항공기 엔진인 어드밴스드 터보프롭(Advanced Turboprop) 개발함으로써 개별부품 수를 855개에서 단 12개로 줄이는 획기적인 상황을 만들었다. 그 결과, 전체 엔진 부품의 3분의 1 이상을 3D 프린팅으로 제작하게 됐다.
한편 에어버스(Airbus), 보잉(Boeing), 중국 상용항공기공사(COMAC)의 차세대 단일통로 항공기에 탑재될 LEAP 제트엔진용 연료 노즐을 3D 프린팅 기술로 생산하고 있다.
의료기기 분야
이미 의료기기 제조 분야에서 3D 프린팅은 중요한 위치를 차지하고 있다. 2022년까지 5년간 의료기기 제조업의 매출은 꾸준히 증가할 것으로 예상되며 3D 프린터는 사람의 형상을 더 정확하게 복제하는 것이 가능해 맞춤형 의료기기 제조에 점점 더 많이 사용되고 있는 게 현실이다. 또 새로운 헬스케어 제품들에 대한 구매가 높아지면서, 개개인에게 맞춤화된 제품들인 가령 보청기, 정형외과 임플란트와 치과용 임플란트의 수요가 급증하고 있다.
현재 3만 명의 환자들이 3D 프린팅한 정형외과 관련된 이식을 했으며 50만 명이 치과용 크라운, 브릿지, 캡 등을 이식했다. 외과의사들이 복잡한 수술을 하기 전에, 정확도를 높이기 위해 CT나 MRI로 찍은 부분을 3D 프린팅을 한다. 이것으로 수술하기 전에 참고를 한다.
앞으로는 큰 사고로 얼굴의 일부가 크게 손상되거나 유실 돼 사람들 앞에 나서기를 꺼리는 환자를 위해 정교하게 제작된 일종의 부분 가면과 같은 제품도 제작할 수 있을 것으로 보인다. 현재 바이오 잉크를 사용한 제품이 연구 중이다. 바이오 잉크는 세포나 인간의 인체 조직을 대체할 수 있는 소재를 3D 프린터에 적용해 다양한 인간의 신체 일부나 장기 등을 만들어 낸다. 이런 가능성이 멀지 않아 곧 임상실험을 거쳐 실제로 환자들에게 이식할 수 있는 수준에 이를 것으로 기대된다.
건설업계 분야
건축, 디자인, 엔지니어링 등의 건설업계 분야는 손으로 모델을 만들거나 옛날 방식의 차별 생산 기술을 사용했다. 하지만 3D 프린터 사용으로 비교적 쉽게 디자인을 3D 모델로 변환할 수 있어 3D 프린터 사용이 증가했다. 즉 기존에는 일일이 손으로 모델을 제작했으나, 이제는 3D 프린터를 이용해 모델을 제작 검토 후 변경이 필요 시 빠르게 대처하는 것이 가능하다. 지난 몇 년간 건설업계의 활황으로 인해 3D 프린터 구매도 높아졌다.
교육분야
2013년 시범 프로젝트를 통해 3D 프린팅을 통한 학습효과를 조사했다. 3D 프린터를 21개 학교에 도입한 결과, 3D 프린팅을 통해 학습할 경우 학생들의 수업에 대한 태도와 집중력이 높아졌다. 교육 전문가는 "과학, 기술, 엔지니어링과 수학(STEM) 과목에 참여도를 높일 수 있는 방법으로 3D 프린터 사용하라고 권하고 있다"고 전했다. 3D 프린터 사용이 증가함에 따라 3D 프린터 가격은 상대적으로 떨어지게 마련이다. 효과는 높고 부담없는 가격으로 인해 학교에서나 교육 기관에서의 3D 프린터 구매는 꾸준히 높아질 전망이다.
식품분야
3D 프린터에 플라스틱 수지나 분말을 사용하는 대신, 카트리지에 인간이 먹을 수 있는 각종 식재료를 넣고 층층이 쌓아 원하는 음식을 만들어내는 음식 3D 프린터가 시중에 나왔다. 현재까지는 다섯 가지 재료만으로 만들수 있지만, 앞으로 무궁무진하게 발전가능하다. 항공 우주국(NASA)에서는 우주 탐험가들을 위해 사용할 계획이다.
업계 전문가 말에 따르면 미국 3D 프린팅 시장은 기업 2곳을 제외하고는 작은 기업들이 차지하고 있다. 3D 프린터의 용도도 사용분야가 다양하기 때문에 상대적으로 우리나라 중소기업들이 시장 진입해 성공할 가능성이 높다. 특히 가정용과 교육용으로 쉽게 사용할 수 있고 저렴한 가격의 3D 프린터의 수요가 많아지고 있으므로 초급자용 3D 프린터 개발을 권장한다.
한편 전문가들은 "3D 프린터(하드웨어) 외에 교육으로 소프트웨어 개발도 필요한 시점"이라고 조언했다.
