3D프린팅은 연속적으로 계층에 물질을 뿌려 적층해 3D 물체를 만들어내는 부가 제조 기술의 일종이다. 3D프린터 또는 입체 프린터란 컴퓨터 등의 신호를 입체물로 제작하는 장치를 말하고, 일반적으로 다른 부가제조 기술에 비해 사용하기 쉽고 속도도 빠르다.

3D프린팅에 대해 여러 방식이 존재하지만 그 중 첨가형과 절삭형이 가장많이 사용되는 방식이다. 첨가형은 가루나 액체를 굳혀가며한 층씩 쌓는 방식으로 적층식이라고 불리기도 한다. 이 방식을 이용하면 비교적 복잡한 모양을 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다. 반면 완성품의 품질이 상대적으로 떨어진다는 게 흠이다. 이와 함께 많이 사용되는 방식에는 절삭형이 있다. 커다란 합성수지를 둥근 날로 깎아가며 모양을 만드는 이 방식은 비교적 매끄럽게 인쇄할 수 있지만, 컵 같은 안이 비어있는 모양에는 날이 들어가지 않아 만들기가 어렵다.

산업전반에 지각변동을 일으킬 것

3D프린터로 출력이 이뤄지는 과정에 대해 윌리봇이라는 3D프린팅을 개발한 오브젝트 빌드의 윌리암 SH 주 부회장은 “3D프린팅의 원리는 간단하다.
MP3를 인식할 수 있는 플레이어에 MP3 파일을 넣으면 음악이 나오는 것처럼 3D프린터가 인식할 수 있는 3D 도안 파일을 넣으면 물체를 만들어내는 것”이라고 설명했다.
3D프린터로 제품을 만들기 위해서는 우선 CAD(캐드) 소프트웨어나 3D 모델링 소프트웨어를 통해 설계하고, 3D프린터에서 인쇄할 수 있게 STL 형태로 파일을 추출한다. 그 다음 3D프린터에서 제품을 인쇄할 때 사용하는 명령어인 G코드로 변환해 입력하면 마치 MP3 플레이어로 노래를 듣는 것처럼 간단하게 인쇄를 할 수 있다.

3D프린팅이 각광받는 이유
지금까지 우리가 알고 있는 프린터란 인쇄를 할 수 있는 인쇄기를 의미했으며, 기껏해야 모니터에 나타난 글자와 그림을 종이에 그리는 기계라고인식해 왔다. 3D프린터는 인쇄할 파일을 데이터에 넣고 인쇄 명령을 내리면 인쇄가 시작하듯 특정 소프트웨어로 그린 3D 설계도를 보고 입체적인 물건을 인쇄한다. 사실 3D프린팅 기술이 개발된 것은 어제, 오늘의 일이 아니다. 이미 30년전인 1980년대 초반 미국 3D시스템즈사가 세계 최초로 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 만드는 프린터를 개발했다. 현재 3D시스템즈는 세계적으로 3D프린팅 분야의 선도 기업으로 인식되고 있다. 그렇다면 이미 기술이 개발된지 30여년이 흐른 지금에 와서 3D프린팅이 각광받기 시작했을까?

그 이유는 바로 가격 때문이다. 주 부회장은 “플라스틱과 관련된 3D프린팅 특허가 풀리면서 과거 2만 달러를 상회하던 제품이 1,000달러 대로 약 20분의 1의 가격이면 프린터를 구입할 수 있는여건이 됐다. 그러면서 플라스틱 3D프린팅이 대중화됐다. 이처럼 점차 다른 특허들도 만료되는 시점이 다가오면서 3D프린팅에 대한 대중적 관심은 점점 높아질 것”이라고 예상했다.

그는 “이는 제임스 와트의 증기기관개발과도 비교할 수 있다. 알다시피 산업혁명의 기초 기술인 증기기관 속도제어기를 제임스 와트가 개발했다. 그러나 바로 산업혁명이 시작된 것이 아니라 발명 후 20여 년이 지나서야 급속도로 산업혁명에 불을 짚었다. 그 이유 역시 특허 때문이었다. 이처럼 특허가 만료되면 가격이 낮아져 저렴한 프린터가 많이 등장하게 될 것이고, 이는 급속한 기술발달을 이끌 것”이라고 설명했다.

특허만료로 가격이 떨어진다
실제로 지난 2012년에 3D프린팅 기술인 FDM(Fused Deposition Modeling)에 대한 특허가 만료됨에 따라 저가의 3D프린터가 대량 생산돼 가정용으로 보급되고 있다. 불과 5년 전에 1만4,000달러에 이르던 FDM 방식의 3D프린터가 1,300달러까지 떨어졌다는 사실을 통해 2014년 2월 SLS(SelectiveLaser Sintering, 선택적 레이저 소결 기술)에 대한 특허가 만료되면 SLS3D프린터 가격도 크게 떨어질 것으로 기대된다.

SLS는 레이저를 이용한 3D프린팅 기술로 플라스틱은 물론 금속도 인쇄할 수 있는 기술이다. 가루 형태의 원료를 원하는 부분만 레이저로 소결(열이가해진 분말이 결합·응고되는 현상)시켜 한층 한층 쌓아나가는 방식이다. 제품 설계도를 횡단면으로 얇게 썰어 각 부분을 인쇄해 결합하는 미적분 개념이 적용됐다. 미국 텍사스오스틴대 학부생이었던 칼 R 데커드가 그의 스승이었던 조 비먼 교수와 함께 1980년대 중반 개발했다.

3D프린팅 업계 관계자들은 하나같이 3D프린터가 산업계 전반에 적용되지 못했던 이유로 높은 가격을 꼽는 만큼 이번 특허 만료가 큰 기회가 될것으로 보인다. 또한 이 기회를 틈타 경쟁 우위에 서기 위한 업체와 개인들의 노력이 기술도 덩달아 발전시킬 것으로 전망되고 있다. 시장조사업체 럭스리서치는 3D프린터를 이용해 생산한 제품 시장 규모가 자동차 업계를 중심으로 빠르게 커져 현재 8억 달러 수준에서 2025년 84억 달러까지 늘어날 것이라고 전망했다.

금년 2월, 첫 국정연설에서 버락 오바마 미국 대통령은 “한때 폐쇄되었던공장이 이제 첨단 연구소로 바뀌어 3D프린팅 관련 연구를 수행하고 있다”고 밝히고, 이를 벤치마킹해 기업, 국방부, 에너지부에서 공동으로 당해 지역을 글로벌 첨단 직업 센터로 변모시킬 3개의 제조 허브를 론칭할것이라고 발표했다.

이와 같이 비단 국내뿐만 아니라 세계적으로 3D프린팅에 대한 관심은 높아지고 있는 추세다.

3D프린터의 시작은 단순했다
원래 3D프린팅이 등장한 이유는 보다 손쉽게 프로토 타입(시제품)을 만들기위해서였다. 제품이 양산에 적합한지 알기 위한 시제품을 만들어 실제 제품에서 발생할 수 있는 문제점을 찾기 위해 개발된 3D프린팅이 최근에는 우주, 비행기 등 특수 분야는 물론 의료분야에서도 활발하게 이용되고 있다. 향후 집까지도 3D프린터로 찍어낼 수 있을 것이란 전망도 나오는 가운데 3D프린팅의 가능성의 끝은 어디일까?

원래 3D프린터를 만든 목적은 상품을 내놓기 전 시제품을 만들기 위해서였다. 값싸고 성형하기 쉬운 재료로 똑같이 생긴 시제품을 만들어 미리 문제점을 파악하기 위해 시제품 제작용으로 3D프린터를 만든 것. 실제로 대량생산을 위해 공장에 라인 설비를 구축하는 것은 큰 자금이 드는 일이며, 라인을 바꾸는 것에도 비용이 많이 든다. 즉, 설계와 제품 사이에 이를 확인할 수 있는 시제품이 필요했기 때문에 이를 확인할 필요가 있었고, 그 용도로 다소 비싼 값을 지불하고서 기업과 공장에서는 3D프린터를 사용해왔다. 특히 건설이나 자동차를 비롯한 제조 공장에서 처음부터 3D로 설계하기 때문에 3D프린터를 이용한 시제품 제작이 그리 어려운 일은 아니다.

자동차 업계 3D프린터 활용사례
앞에서 얘기한 것처럼 이미 시제품 제작에 3D프린터가 많이 활용되고 있다.
3D프린팅 기술은 금형이나 틀 없이도 플라스틱 분말 등 원재료를 잉크처럼 분사해 입체적으로 물건을 찍어낼 수 있어 저렴하고 빠른 제작·소비자 맞춤형 생산이 가능하다. 제품이 마음에 들지 않는다면 설계도를바꾸면 되고, 짧은 시간에 단점을 보완할 수도 있다. 제조업체 입장에서는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 요건을 갖춘 셈이다.

또 설계를 바꿔 즉시 제품에 적용할 수 있기 때문에 소비자 개인에 맞게 생산하기 쉽다. 이와 같은 장점으로 자동차 업계에서는 3D프린터로 시제품과 차량부품 제작은 물론 완제품까지도 만들고 있다. 이탈리아의 유명 스포츠카업체 람보르기니는 지난해 아벤타도르의 시제품을 만들면서 3D프린터를 활용했다. 람보르기니는 3D프린터를 이용함으로써 시제품 제작비용이 4만 달러에서 3,000 달러로 대폭 감소했으며, 제작기간도 4개월에서 20일로 짧아졌다고 밝혔다.

포드는 지난해 말 유투브를 통해 3D프린터를 이용해 자동차 부품을 만드는 과정을 공개했다. 업체가 소개한 3D프린터 메이커봇(MakerBot)은 자동차부품 모형을 수 초 안에 만들어낸다. 포드는 여러 부품 모형들을 만드는 데 1,000달러(약110만원)도 들지 않는다고 설명했다. 포드는 이미 F-150과 익스플로러에 들어가는 크고 작은 부품들을 3D프린터로 만들고 있다고 밝혔다.

GM도 2014년형 쉐보레 말리부 모형을 3D프린터로 제작했다. GM은 3D프린팅 기술 중 SLA 기법을 사용해 클레이 조각을 더 빠르게 만들 수 있게 됐으며 비용도 절감됐다고 밝혔다. 업체에 따르면 보통 3~4년 단위로 자동차 개발 방식을 업데이트 하는데, 3D프린터를 이용하면 추가적인 비용 부담 없이 이를 18개월로 줄일 수 있다고 한다. 3D프린터로찍어낸 완제품 형태의 전기차도 조만간 현실이 될 것으로 기대된다.

얼비(Urbee)라는 회사는 최근 자동차의 모든 부품 등을 컴퓨터로 설계 한 후 이를 3D프린터로 출력한 하이브리드 차량인 얼비2가 앞으로 2년 이내에 선을 보일 것이라고 밝혔다.

얼비2의프로토 타입은 3D프린터로 인쇄 하는데 2,500시간이 소요된다. 차체의 무게가 544kg으로 매우 가볍기 때문에 보통 스포츠카의 절반 정도의 에너지만 있으면 달릴 수있다. 업체는 연료 37.8리터로 뉴욕에서 샌프란시스코까지 횡단하는 4,000km 주행에 도전한다는 계획도 세웠다.

3D프린터는 산업전반에 다양하게 활용된다

이미 미국과 유럽 등에서는 3D프린팅을 이용해 자동차와 제조를 넘어 우주항공·비행기·건축은 물론 의료에서 까지 활발히 활용되고 있다.

최근미국 항공우주국(NASA)에서는 3D프린터를 사용해 로켓엔진 연료 분사장치를 만들어 냈다. 연료 분사장치는 로켓 제조에서 가장 복잡한 부품인데,이를 구현할 정도로 3D프린팅 기술이 발전했다는 증거다. 보잉도 항공기 소형 부품 300여종을 3D프린터로 제작하고 있다. 미국의 적극적인 움직임 속에 유럽연합(EU) 일본 중국도 가세하고 있는 상황이다.

이렇듯 주요 분야에서 3D프린터의 활용 빈도가 점점 높아지고 있는 반면 국내 제조업체들은 3D프린팅에 대한 관심이 미비한 상황이다.

삼성전자, LG전자, 삼성전기 등 대표 제조업체에서는 3D프린터를 생산하는 것도 검토하지 않고 있으며, 산업 현장에서도 활용하고 있지 않은 것으로 확인됐다. 이에 대해 삼성경제연구소는 산업용 3D프린터의 가격이 1000만~10억원 수준으로 여전히 고가이며, 생산 속도와 제품 내구성 향상 등 과제가 산적해 있어 도입이 적은 것이라고 설명했다.

활용보다 시급한 것이 국내 기술로 제품을 개발하는 것이다. 3D프린팅에대한 관심이 높아지면서 국내 제조업계를 위시해 자동차, 의료 부문에서 3D프린팅 수요가 증가할 것으로 보이지만 3D프린터 제작에 대한 관심은 미미하다. 3D프린터를 판매해 수익을 내는 기업이 거의 없어 3D프린팅 연구에 대한 관심이 요구되고 있다. 기술의 중요성을 감안한다면 정부가 이를 육성하기 위한 방안을 마련해야 할 것이다.

미래 3D프린팅 시장 전망
미국의 제조산업 컨설팅 전문 기관인 홀러스 어소시에이츠(Wohlers Associates) 2011년 37억 달러(약 4조 2,600억원)였던 3D프린팅 시장 규모가 2019년에는 133억 달러까지 늘어나는 등 해마다 17.3%의 고속 성장을 기록할 것이라고 전망했다. 글로벌 리서치 업체 가트너는 3D스캐너와 디자인도구의 발전으로 3D프린팅 기술이 단기 제조 분야를 포함해 건설, 엔지니어링, 토목, 의료 등으로 확대될 것이라고 예측했다. 3D프린팅 시장이 급격히 성장하면서 업체 간 인수·합병도 더욱 활발해지고 있다.

세계 1, 2위 기업을 보유하고 있는 미국이 현재 단연 3D프린팅 산업을 선도하고 있는 나라로 꼽히고 있으며, 한국은 앞서 언급한 것처럼 매우 뒤쳐져있다.
홀러스 어소시에이츠에 따르면 지난해 미국은 세계 3D프린팅 시장의 38.3%를 점유하고 있다고 한다. 미국은 가장 선두권에 위치하고 있음에도 지난해 8월 오하이오주에 3D프린터 기술을 집중 연구하는 국립첨삭가공혁신연구소(NAMII)를 만들고 3D프린팅 산업의 선두를 공고히한다는 목표다.
유럽연합(EU)도 3D프린팅을 제조업이 한 단계 도약할 수 있는 기회로 삼고있다. EU는 지난해 10월 첨단 기술을 육성해 GDP대비 제조업 비중을현재 16%에서 오는 2020년까지 20%로 늘릴 계획이다. EU는 3D프린팅이 첨단 제조업 육성의 견인차 역할을 할 것으로 기대하고 있다. 영국 정부도 3D프린팅이 항공에서 주얼리 산업까지 다양한 산업에 영향을 미칠 수 있는 잠재 기술로 평가하고 기술전략 위원회를 통해 700만 파운드(약 120억원)를 투자하기로 했다.

세계 3D프린팅 부문 2위인 일본(10.2%)과 4위 중국(8.6%)도 3D기술 개발에 박차를 가하고 있다. 일본은 정부가 3D프린팅 기술 개발을 주도하고 있으며,중국은 10개 도시에 3D프린팅 혁신센터를 세울 계획이다. 또한 지난해 10월 베이징에 3D프린터 기술 산업 연맹을 세우고 산·학·연·관 협력체계를 구축해 산업표준을 빠르게 제정한다는 목표다. 이와함께 중국 과학기술부는 올해 3D프린터 기술을 ‘국가 연구발전 계획’에 포함했고 지방정부도 개발단지 조성에 뛰어들었다.

국내 3D프리팅 산업의 현재
한국정부도 이와 같은 현실을 직시하고 산업통상자원부에서 3D프린팅 산업육성을 위한 3D프링팅 산업 발전전략 포럼 발대식을 가졌다. 산업부는 이번 포럼에서 논의된 발전 방안을 토대로 관계부처 간 추가 논의를 거쳐 구체적인 3D프린팅산업 육성 정책을 마련한다는 계획이다. 김재홍 산업부 1차관은 “3D프린팅산업을 기반으로 주력산업의 경쟁력 향상과 제조업 패러다임의 혁신을 끌어낼 수 있을 것”이라며 “기술 국산화·산업생태계 조성 등에 정부 D의 지원을 아끼지 않을 것”이라고 강조했다. 이렇듯 정부D의 3D 육성이 강화된다면 아직은 걸음마 단계에 불과하지만 3D프린팅에서 한국이 점점 발전하기를 기대할 수있을 것으로 기대된다.

3차 산업혁명의 도화선 3D프린팅
3D프린팅 기술은 전통적인 제조업의 패러다임 자체를 뒤바꿀 수 있을만한 기술로써 인식되고 있다. 제조 공장의 거대한 생산 설비를 3D프린터가 대체할 수 있는 셈이다. 프린터의 트레이가 바로 생산 라인의 전부가 될수 있다. 이렇게 되면 생산 설비를 짓는데 필요한 막대한 투자비용이 획기적으로 줄어드는 동시에 인건비와 재고 부담에서 자유로워진다. 또한, 여러 종류의 물건을 생산하기 위해서 다양한 생산 설비가 필요한 것이 아니라 입력하는 디자인만 바꾸면 가능해 진다는 것도 큰 강점이다. 3D프린팅은 일차적으로 개인 맞춤형 제품을 생산하는 데 적합하다. 또한, 현재 제조업 하에서의 원가보다 저렴하게 생산할 수 있는 단가인하가 이뤄진다면 공장에서 생산해서 고객에게 전달하는 것이 아닌 원하는 제품을 원하는 시간에 생산가능한 ‘On-demand 시장’이 탄생할 것이다. 이런 이유로 3D프린팅을 2차 산업혁명에 비견될 3차 산업혁명의 도화선이 될수 있는 매개로 인식하고 있다.

또한 3D프린팅 기술로 인해 열리는 시장이 3D프린터를 생산하거나 3D프린터를 이용해 물건을 생산하는 분야에 국한되지 않는다는 것이다. 단순히 디자인과 제품 제조가 이뤄지는 단계를 넘어서 디자인 창작물을 유통하고 관리하는 플랫폼 개발이 필요하다. 또한, 일반 대중들도 쉽게 디자인을 할 수 있도록 돕는 제작 툴, 디자인 도안 파일들을 저장할 cloud 형태의 저장공간을 제공하는 시장이 형성될 것이다. 또한, 개개인이 각각 3D프린터를 소유하는 단계에 이르기에 앞서서 여러 대의 3D프린터를 구비해 놓고 생산을 대행해주는 ‘공방’과 같은 개념의 가게들이 먼저 생겨날 가능성이 높다. 이와 같은 개념의 가게들은 현재 인쇄소와 크게 다르지 않다. 인쇄 장비를 들여놓고, 요청에 받아 2D로 인쇄하던 것을 3D프린터를 들여 놓고, 데이터를 받아 제품으로 출력해주면 된다. 또한 시대적 요구인 개인화와 다품종 소량생산을 통해 고객지향적으로 커스터마이즈 할 수 있다면 인쇄인들에게도 분명 새로운 기회가 돌아갈 것이다.

문제점이 없는 것은 아니다
3D프린터를 활용해 제작하고자 하는 대중들의 수요가 있으며, 이는 점차 확대될 전망이다. 이미 산업현장에서의 활용사례도 양적, 질적으로 증가하고 있지만 3D프린터의 대중화는 그리 쉽게 이뤄지지는 않을 것으로 전망된다. 즉,현재 인쇄소와 같은 형태의 3D프린팅 전문 공장이 생길 것이며, 현재와 달리고객은 개인에서 기업까지 다양한 층을 이룰 것이다.

그러나 분명 걸림돌도 존재한다. 이론적으로 모든 물건을 만들 수 있는 만큼 사회적인 부작용에서 자유로울 수 없다. 예를 들어 총기를 비롯한 흉기를 제작한다거나 하는 게 가장 큰 문제가 될 수 있는 예인데, 실제로 3D프린터로 권총을 제작할 수 있는 도면을 인터넷 상에 공개해서 전세계 10만명이 넘는 사람들이 다운로드를 받았다. 권총을 제작할 때 필요한 16가지 부품 중 나사 하나를 제하곤 모두 3D프린터로 생산이 가능하다. 따라서, 이처럼 간단히 도면 배포를 통해 어떤 물건이든 제작이 가능한 것도 문제지만 배포되는 도면들에 대한 저작권 보호도 이뤄질 것이다.

<출처 월간PT 9월>