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[3D 프린팅 강좌 ①] Industry 4.0 시대와 3D 프린팅 적층제조 산업의 국내외 산업동향
  • 인더스트리뉴스 기자
  • 승인 2020.05.31 09:30
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3D 프린팅 기술 활용과 애플리케이션 마스터 강좌

[글 메탈쓰리디 주승환 CTO] ‘코로나19 팬데믹’은 글로벌 산업계에 예상치 못한 도전과 응전이라는 과제를 남기고 있다. 이러한 때에 경기불황이라는 도전을 멋지게 응전할 수 있는 것이 바로 3D 프린팅 산업이다. 실제로 3D 프린팅 산업은 제조현장의 환기장치용 밸브와 개인용 보호 장비 등에 이르기까지 코로나19 팬데믹을 극복하는데 많은 기여를 하고 있다. 여기서는 이 같은 비상체제를 슬기롭게 극복할 수 있도록 항공, 자동차 및 헬스케어는 물론 치의료 산업과 주얼리 산업 등의 엔드유저와 파트너에게 3D 프린팅 기술을 활용하는 무궁무진한 세계로 안내하고자 한다.

3D 프린팅 산업은 코로나 팬데믹으로 시작된 글로벌 제조산업의 위기를 극복할 방안 중 하나가 되고 있다. [사진=pixabay]

‘3D 프린팅’이라는 말은 그 동안 시제품 제작에 사용됐던 용어에서 최근에는 대량 생산에 맞는 적층제조(Additive Manufacturing, 이하 AM)라는 용어로 시장 변화에 맞춰 변화되고 있다.

3D 프린팅의 세계 시장현황과 전망

3D 프린팅(AM) 시장의 규모를 예측하기 위해서는 전체 제조시장의 규모를 기준으로 산정하면 향후 얼마나 커질 것인지에 대한 예측이 가능하다. 전체 제조 시장은 깎는 방식, 공작기계를 사용한 제조 방식인 SM(Substractive Manufacturing)과 붙이는 방식인 3D 프린팅, 즉 AM 등 2가지로 구성이 돼 있다.

사진 1. 3D 프린팅 산업의 시장규모와 경제효과 [자료: AT 커니사]

이 조사에 따르면, 2019년 기준으로 3D 프린팅의 글로벌 시장의 규모는 12조 8천억 달러에 달한다. 이것은 2018년 기준, 산업용 AM 시장은 88억 달러로 전체 생산시장 규모(Global Manufacturing Market)의 1%에도 채 미치지 않는다. 하지만, 만약 1%까지만 성장한다면, 120조원 규모의 시장으로 늘어나게 된다. 이런 생각을 기준으로 시장규모를 파악하게 되면, 앞으로 3D 프린팅 시장이 어떻게 확대될지 쉽게 짐작할 수 있다. 3D 프린팅 산업은 해외는 물론 국내에서도 대기업 중심으로 생산이 진행 중인 시장이다. 산업발전이 시작된 연륜이 짧은 것을 감안하면 앞으로 시장 규모는 전체 생산 시장에서 약 16%까지 차지할 것으로 예측되는 성장 가능성이 무궁무진한 산업이다.

일례로, 3D 프린팅 시장은 그 규모가 1조원으로 성장하는 데 약 20년이 걸렸고, 그 이후 시장규모가 2배인 2조원으로 성장하는 데에는 불과 5년이 걸렸다. 또 2014~2015년 기간에는 시장규모가 1조원으로 성장하는 데 불과 1년이 걸리는 등 성장주기가 상상을 초월할 정도로 단축되고 있어서 오는 2021년까지 260억 달러 시장으로 성장될 것으로 예측되고 있다.(사진 1) 그 이유는 메탈 프린터로 제작한 각종 부품이 기존의 의료와 건강산업에서 이제는 산업용 및 기자재산업으로 확대되고 있기 때문이다. 사진 2는 메탈 프린터로 제작한 GE 발전부분에 사용되는 노즐의 단면부를 나타낸 것이다. 이 부품은 현재 대량생산 체제가 장착돼 판매까지 이루어지고 있다. 따라서 향후에는 메탈 3D 프린터로 제작한 각종 부품 대체는 항공뿐만 아니라 발전부분, 중공업부분까지 확대되고 있다.

사진 2. 메탈 프린터로 제작한 GE 발전부분에 사용되는 노즐 [사진=메탈쓰리디]

현재의 3D 프린팅 시장규모는 초기 전자상거래 산업에서 아마존이 처음 창업을 했을 때와 비교하면 그 규모를 훨씬 상회하고 있다. 오늘날 전자상거래 시장은 전문가들의 예측을 훨씬 뛰어넘는 엄청난 규모로 성장했다. 그 중에 아마존은 서점에서 시작해서 세계 최대의 유통 대기업으로 성장하는 등 변신에 성공했다. 이제, AM 신시장에서 아마존과 같은 회사가 국내에서 탄생해야 한다. 수 년 전까지만 해도 3D 프린팅 산업의 시장규모는 불과 60억 달러 수준의 규모를 보이고 있는데 이는 1994년의 전자상거래 시장(e-commerce) 시장과 비슷한 규모다.

이 시기에 아마존은 창업을 해서 전자상거래 시장에 뛰어든 결과, 지금은 전 세계적으로 누구나 알아주는 글로벌 기업이 됐다. AM 시장 또한 지금은 아마존과 같은 글로벌 기업이 출현해야 하는 중요한 시기이다. 따라서 이 같은 기준으로 현재 AM 생산기술이 언제 기존의 항공산업에서 의료산업, 자동차 및 조선산업 등으로 파급될 지를 알아보는 것이 매우 중요하다.

2019년 세계 3D 프린팅 시장규모

이미 완성된 AM 생산기술이 관련 산업으로 언제 파급이 될지, 앞으로 폭발할 시장의 시기를 찾아내는 것이 사업 성공의 비결이라고 할 수가 있다. 국가별 시장점유율은 기계⋅항공분야에 강점을 가지고 있는 미국이 세계 시장점유율 1위(38%)를 차지하고 있고, 우리나라는 8위(4%)에 랭크돼 있다.(사진 3)

사진 3. 3D 프린팅 산업의 국가별 시장점유율 [자료=메탈쓰리디, 2017년 3D프린팅산업진흥시행계획]

(1) 국내 3D 프린팅 시장 및 현황

국내 3D 프린팅 시장규모와 성장률과 관련한 NIPA의 조사결과에 따르면, 국내시장은 2014년 1,815억원에서 2015년 2,230억원으로 증가했고(표 1), 지난해에는 5,082억원 규모로 성장(CAGR 22.9%)한 것으로 예측되고 있다. 2019년 기준, 국내 3D 프린팅 장비의 보급현황은 약 110대 정도가 도입된 것으로 파악되고 있으며, 시장형성은 정부기관이 중심이 돼 장비를 구입한 것으로 나타나 있다. 장비 구매와 관련해서는 유럽과 미국산 해외 제품구매 시장에서 기능이 비슷한 중급시장은 국산과 중국산 장비가 많이 구매되고 있다. 한편, 서비스 시장과 관련해서는 참여기업들의 수가 증가하고 있으며, 해를 거듭할수록 그 규모가 매우 커지고 있다.(표2) 일례로, 당사인 메탈쓰리디가 H 중공업의 납품 기업으로 등록돼 있고, 라오닉스가 H 자동차 납품기업으로 등록되는 등 시제품 제작시장에서 대기업의 납품시장으로 변화하고 있다.

국내 3D 프린팅 시장은 제조업의 활용 수요부족과 시장 미성숙 등으로 인해 세계 시장 성장률(CAGR 31%)보다 낮을 것으로 전망되며, 현재 정부기관을 중심으로 많은 외산 제품을 수입해서 설치하고 있어 일부를 제외하고는 운영기술과 전문인력 부족으로 장비 운용도 쉽지 않은 실정이다. 반면에 기업체에서는 의료용(메디세이, 커스메디, 메탈쓰리디), 주조, 금형, 귀금속, 치과 분야 등을 중심으로 사업을 진행하고 있고 기업체의 연구소에서는 금형 제작기간을 기존의 한 달에서 불과 며칠로 단축했고, 여러 서비스 기업체의 가세로 활용도가 매우 높은 편이다.

표 1. 3D프린팅 시장 규모 및 제품 시장 현황, CAGR은 추정치(2016~2019) [자료=메탈쓰리디, 국내 3D 프린팅 산업 실태조사]
표 2. 국내 3D 프린팅 산업 실태조사(2014~2015) [자료=메탈쓰리디, NIPA]

(2) 국내외 시장 동향

메탈 3D 프린팅 시장은 AM 기술의 발전으로 인해 현재 산업화로 인해 제품의 양산이 진행되고 있다. 2017년 파리 에어 항공 쇼에서 GE 항공이 AM 생산방식의 노즐을 장착한 제트 엔진이 경쟁사를 따돌리고 27조원의 계약을 성사시킨 바가 있다. 또 세계 최초의 GE 메탈 3D 프린팅 생산공장은 2018년에 이미 3만개의 부품을 납품한 바가 있다.(사진 4)

또, 중국의 BLT사는 110대의 메탈 3D 프리팅 장비를 설치한 공장을 설립해서 에어버스와 중국 공군에 부품을 납품하고 있다. 국내에는 당사인 메탈쓰리디가 10여대의 메탈 3D 프린팅 장비를 설치한 공장을 건설해서 현재 H중공업에 납품 중에 있다.(사진 5) 의료산업에서는 메탈 3D 프린팅 장비를 사용해서 인공 뼈와 수술 가이드 등을 상용화해서 현재 제품을 생산하는 등 주조와 금형, 귀금속, 치과 부분에서는 이미 생산기술을 굳건히 확립한 상태이다.

사진 4. GE의 항공기 메탈 3D 프린팅 생산공장 [사진=메탈쓰리디]
사진 5. 울산에 소재한 메탈쓰리디의 생산공장 [사진=메탈쓰리디]

이제는 정부의 융자지원을 통해 장비보급을 확대시켜 산업을 활성화해야 할 때이다. 특히 의료산업에서는 메디세이와 커스메디 같은 기업들은 메탈 3D 프린팅 장비를 활용해 제품을 생산하기 시작해서 이미 수 천 건이 실제 수술에 사용되고 있다. 이 외에도, 한국적층제조사용자협회 같은 기관에서 메탈 3D 프린팅 부문에서 많은 인력을 양성하고 있으며, MP웍스사는 대구의 3D 프린팅 센터와 더불어 의료용 부품을 양산하는 공장을 설립해서 조만간 제품을 출시할 예정이다. 한편, 메탈쓰리디는 의료용 전문 OEM 공급공장을 건설해, 오는 9월에 메탈 임플란트를 출시, 공급할 계획이다.

항공우주산업과 임플란트 뼈, 치아 등에서는 메탈 3D 프린팅을 활용한 제품 생산이 이미 시작되고 있다. 국내의 경우, 현재 조선과 중공업, 자동차산업까지 메탈 3D 프린팅이 사용되고 있다. 울산에 소재 기업인 메탈쓰리디는 AM 공장을 국내 최초 설립해서 H 중공업과 H건설기계의 납품기업으로 등록, 현재 부품 양산 중에 있다. 라오닉스는 H 자동차의 납품기업으로 지정돼 부품을 납품 중에 있다. 또한, 2018년에는 국내 8개사가 컨소시엄을 구성, H중공업 그룹과 부품 개발 MOU를 체결한 바가 있다.

그중 메탈쓰리디는 국내 최초로 메탈 3D 프린팅으로 다양한 부품을 양산해서 H중공업에 납품 중에 있다. 의료산업과 관련해서는 국내 의료허가를 받아 현재 메탈 임플란트와 관련해서 약 44건에 달하는 부품을 허가를 받아서 생산 중에 있다. 사진 6은 메탈쓰리디와 한국적층제조사용자협회가 제작한 목 디스크와 허리디스크용 케이지 임플란트 세트를 나타낸 것이다.

사진 6. 메탈쓰리디가 H 중공업에 납품중인 부품 [사진=메탈쓰리디]
사진 7. 스마트팩토리 양산 프로세스 개념도 [자료=메탈쓰리디]

우리나라의 3D 프린팅 기술적용 분야로는 조선산업과 항공산업, 환자 맞춤형 부품이 필요한 의료산업, 건축 및 건설산업 등 모든 제조산업에 걸쳐 적용되고 있으며, 기존에 RP가 적용되던 자동차나 의료, 산업용기계, 교육, 건축 및 소비재 산업까지 많은 영향을 끼치는 등 대량 생산을 위한 공장이 계속 건설되고 있는 또 연구소나 개발실에서 메탈 3D 프린터를 사용함으로써 금형 제작으로 경비 및 기간 단축은 기본이고, 생산현장에서도 증설이 진행되고 있다.

해외의 경우, GE 사례를 살펴보면, 기존의 사업부를 독립해서 새로운 메탈 프린팅 자회사인 GE-Additive 회사로 설립하고, 1조5천억원을 투입해서 독일의 컨셉레이저사와 스웨덴의 전자빔 메탈 프린터 회사인 아캠(Arcam)사를 인수한 바가 있다. 또 1,000여대의 메탈 프린터를 자사의 생산용으로 설치하고, 9,000대를 협력사에 설치해서 제품을 생산하겠다는 계획을 발표하고 현재 진행 중에 있다. 미국이나 유럽을 가게 되면 실제 3D 프린팅 장비로 제품과 부품을 생산하는 GE 공장을 쉽게 볼 수가 있는데, 여러분도 미국의 피츠버그나 독일 등에 가면 쉽게 GE 공장을 견학을 할 수가 있다. 필자도 해외의 많은 기업들을 견학해보았다. 일본에서는 고가 장비를 구입할 경우, 융자를 지원해주는 시스템이 있어서 중소기업들도 쉽게 장비를 증설해서 그 분야에서 1위로 도약한 기업들을 많이 봐왔다.

따라서 우리나라도 기반기술이 완성된 사업에서는 기업체들이 장비를 구입할 경우, 정부차원에서 융자를 지원해주는 제도가 반드시 필요하다. 미국의 경우, 메탈 프린터 기업인 트럼프사는 자체 은행을 통해 구입자금을 융자로 지원받아서 판매하고 있다. 하지만, 우리나라는 기업이 100% 자체 분담해서 구입하기 때문에 장비도입에 한계가 있을 수밖에 없다. 만약 우리나라도 앞으로 3D 프린팅의 생산방식과 디자인 방식을 따라가지 않으면, 제 4차 산업 혁명에서 선진국가에 비해 도태될 수밖에 없다.

최근에는 고가의 메탈 프린터 시장이 급속히 성장함에 따라 장비의 가격이 급격히 떨어지고 있다. 기존의 메탈 3D 프린터의 가격대는 주로 6~10억원대였지만, 독일의 한 회사는 가격을 보급형으로 제시해서 250W 이상의 레이저를 장착한 메탈 3D 프린터를 1억 5천만원대로 출시해서 보급함으로써 이미 국내에도 2대가 설치돼 제품생산에 사용되고 있다. 심지어 미국의 Xact사는 동일한 레이저 출력대의 메탈 3D 프린터를 약 12만 달러에 제품을 출시하고 있으며, 국내에서는 인스텍, 윈포시스, 대건테크, 큐브테크, 참시스템즈, 원광이엔텍, 스멕 등이 메탈 3D 프린터 제품을 개발하거나, 출시 중에 있다. 우리나라에도 국산과 외산 장비를 활용한 제조공장이 속속 건설되고 있는 실정이다. 이러한 추세로 인해 최근에는 중국산 제품도 국내에 많이 유입되고 있는 실정이다. 대표적인 중국 기업으로는 파순, 샤이닝3D, BLT 등을 들 수 있다. 파순사의 경우는 이미 국내에 설치돼 치과 분야에 10대 이상 설치돼 의료용 부품생산에 활용되고 있다.

사진 8. 양산 중인 부품의 상태를 파악해서 문제 발생시에 바로 처리가 가능한 공정 모니터링 소프트웨어 [사진=메탈쓰리디]
사진 9. 공정 모니터링 소프트웨어를 활용한 타이타늄 다공성 초경량 3D 프린팅 안경 [사진=메탈쓰리디]

(3) AM 공장 건설

불과 수년 전만 하더라도 3D 프린팅은 기업체 연구소 차원에서 시제품 제작의 DFAM(Design For Additive Manufacturing) 경량화 설계에 국한됐지만, 이제는 주 관심사가 양산 가능한 모든 부품에 적용되고 있다. 몇몇 기업들은 국내 최대의 제조기업인 H중공업 등의 물성 테스트에 합격해서 납품 중에 있으며, 또 양산에 대한 고민을 본격적으로 시작하고 있다. 양산을 위해 250mm 장비에서 500mm 이상의 장비를 활용한 생산이 진행돼 대량생산을 위한 기틀을 마련했고, 대형 장비를 활용한 양산 기술을 확보하기 위해 노력 중이다. 대량 생산을 위해서는 품질 관리가 필수인데, 프로세스 모니터링 소프트웨어와 유사한 소프트웨어가 국내에서 개발돼 현재 품질관리에 이용되고 있다. 올해를 기점으로 공정개발을 넘어 1,000~2,000개까지 대량으로 생산할 수가 있을 것으로 보이며, 심지어는 10,000개 이상의 생산도 조만간 국내에서 이루어질 것으로 보인다.(사진 7)

또한 공정 모니터링 소프트웨어가 개발돼 현재 양산 중인 부품의 상태를 파악해서 문제 발생 시에는 바로 처리가 가능하다. 이 소프트웨어는 국내 AM 공장에 설치, 생산에 이용되고 있다.(사진 8) 대표적인 사례로 공정 모니터링 소프트웨어를 활용한 타이타늄 다공성 초경량 3D 프린팅 안경 4종이 있다.(사진 9)

결론적으로, 3D 프린팅 산업은 기존의 시제품 생산의 3D 프린팅 부품 생산에서 현재는 양산으로 넘어가는 시기에 맞는 경영자의 투자 결정이 필요다. 이제 CNC를 사용한 양산 기업체의 약 15% 이상이 변화의 시기에 맞추어 변화에 적응해야 할 때다.

글 메탈쓰리디 주승환 CTO
*한국적층제조사용자협회(KAMUG) 회장

 

 

[인더스트리뉴스 기자 (webmaster@industrynews.co.kr)]

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