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[기고]강민철 3D프린팅연구조합 상임이사
해외에서 조사한 3D프린팅 산업 현황에 따르면 불과 4년전인 2013년만해도 한국은 전세계 점유율 2% 정도에 불과한 후진 국가로 인식됐다. 이 무렵부터 도입단계를 지나 발전 단계에 있는 3D프린팅산업의 활성화를 위하여 정부가 주도적으로 나서서 많은 투자가 이루어 졌다. 국가차원의 대응전략을 수립했으며 기존 제조업 경쟁력 강화 및 관련 산업생태계 조성을 위한 정책을 발굴해 오고 있다.
일례로 정부는 4차 산업혁명을 유발할 기술로 3D프린팅을 선정하고 ‘3D프린팅산업 발전전략 포럼을 개최하는 등 관계 부처간 협의를 통한 육성계획을 수립하였다. 그 이후 2014년 ‘3D프린팅 산업발전 전략수립’, 2015년 ‘제조업 혁신 3.0 전략’, 2016년 ‘3차원프린팅 산업진흥법’ 시행을 한 바 있으며 올해부터는 ‘3D프린팅 산업진흥계획’을 관계부처 합동으로 수립해 3대 목표로 △글로벌 선도기업 육성 △시장 점유율 제고 △독자기술 확보로 정하고, 4대 전략으로 △신규수요 창출 △기술 경쟁력 강화 △산업확산 기반 강화 △제도적 기반 강화 등을 추진할 계획이다.
3D프린팅기술에 대한 다양한 시장수요와 산업적 활용도에도 불구하고 제조업에서의 활용도는 초기 단계인 금속관련 장비의 기술과 보급현황의 조사가 부족하였으나 최근 들어서야 3D프린팅연구조합을 통해 전수 조사되었다.
본고에서는 국내 금속 적층장비기술의 현 산업구조를 분석하고, 국내외 기술수준과 국내 기업의 국내 산업환경에 맞는 신시장 및 신개념 사업모델 발굴을 위한 시장분석을 하고자 한다.

국내 금속적층 장비 구축 100대 돌파



강민철 3D프린팅연구조합 상임이사
■금속부품 적층제조 기술의 종류
적층제조장비로 금속부품을 만드는 방법은 <표 1>과 같이 간접방식과 직접방식으로 나눌 수 있다.

간접방식은 정밀주조나 사형주조방식에서 기존 금속을 그대로 사용 가능하며 정밀주조의 경우 왁스를 대신하여 패턴을 적층제조 후 세라믹 코팅한 다음 가열 후 패턴을 제거한 공간에 용융금속을 주입하는 방법으로 비교적 소형부품 제작에 사용된다.

주로 사용되는 패턴 적층제조 기술은 광경화 수지를 사용하는 방법과 PMMA 수지를 접착제로 분사하는 접착제 분사(Binder Jetting) 기술이 사용된다. 치과용이나 쥬얼리 산업에서는 정밀도가 우수한 DLP를 사용하며 중형 크기 정도의 부품은 Photopolymerization(SLA) 또는 PMMA 수지를 사용하여 항공기 터빈브레이드나 각종 밸브류, 자동차 터보용 부품으로 널리 적용되고 있다.

사형주조는 과거 목형이나 금형을 제조하지 않고 모래를 적층하며 주로 접착제인 바인더를 선택적으로 분사하는 Binder Jetting 방식을 이용하여 적층 크기 및 시간 단축이 가능하여 최장 4m의 크기까지 제작이 가능하다.

직접방식은 금속분말이나 금속 와이어를 사용하여 레이저, 전자 빔(Electron Beam), 플라즈마를 에너지로 사용하여 직접 용융시켜 3차원으로 형상을 제작한다. 직접방식은 PBF(Powder Bed Fusion)방식과 DED(Directed Energy Deposition)방식으로 대별되며 최근 이러한 적층과 가공을 겸한 하이브리드 장비가 일본을 중심으로 시판되고 있다.
<표 1>금속부품 적층제조방식의 정의 및 장단점


기업체 52대 구입·활용, 의료·금형·시제품 개발 활발

장비 구입 및 운영비 부담, 기업 지원·소재 국산화 필요



국내 금속적층 장비 보유현황
■국내 금속 3D프린터 1위는 PBF 방식
국내에 보급된 3D프린터는 플라스틱 장비를 제외하고 금속부품의 제조가 가능한 장비는 총 107대이다. 이중 DLP나 SLA방식은 제외한 정밀주조(6대)나 사형주조(18대)가 가능한 장비는 총 24대이다.

메이커별로는 한국의 센트롤이 12대로 제일 많으며 독일 Voxeljet 장비가 9대가 보급되었다. SLS 방식의 국내 주물사 프린터인 센트롤사의 S600 프린터 등이 시판되고 있으나 조형 속도가 느리고 크기가 작아 코어 또는 소형 주물에만 가능하다. 이러한 단점을 극복하기 위해 현재 한국생산기술연구원에서 Binder Jetting 방식의 국산 주물사 프린터와 함께 주물사 및 바인더를 개발 중에 있다.

금속분말을 이용하여 금형이나 제품 제조가 가능한 장비는 83대로 조사되었다. 이중 방식별로 세분하면 형상 자유도가 우수한 PBF 방식이 69대이며, DED방식과 하이브리드 방식이 각각 7대로 파악되었다.

107대 장비를 구입처별로 살펴보면 기업체가 52대, 정부 지원자금으로 구입한 테크노 파크나 정부출연연구소 등 공공기관은 35대, 대학의 연구용은 19대로 집계되었다.

국내 기업에서 구매한 장비가 예상보다 상당히 높은 절반에 육박하는 것으로 나타났는데 특히 금형이나 시제품 개발 등을 위해 금속장비를 지속적으로 도입하는 것으로 조사되었다. 또한 기업 장비의 가동률도 높아 관련 소재의 구입 금액도 높은 편이다. 사용용도별로는 치과나 정형외과용쪽이 특히 활발하며, 대기업의 양산 가능성을 위한 개발용이나, 중소중견기업의 금형, 방산품 등에도 적용사례가 많이 있으나 경쟁사를 의식하여 공개를 꺼려하고 있다.

연구용 및 공공기관에서 구입한 장비의 경우 정확한 장비의 가동률은 조사된 바 없지만 장비 판매업체 관계자에 의하면 기업체에 비해 소재 구입액수가 적은 것을 감안하면 가동률은 기업체에 비해 현격하게 떨어지는 것으로 판단된다. 지역적으로 설펴보면 서울 경인다음으로는 대구 경북지역 보급률이 높으나 제주도, 경남, 부산, 광주, 전남 등은 상대적으로 거의 불모지와 같은 상황이다.

■기업체 중심 정부지원 전환으로 산업 활성화해야
최근 전세계 금속 3D프린팅 장비의 판매는 매년 50% 이상 증가하고 있는데 2014년 누적 판매대수는 1,601대이며 향후 2025년에는 3만4천대 이상이 될 것으로 예상된다. 아울러 관련 금속소재 시장의 경우 2015년 80% 이상의 고성장을 이루고 있다. 이는 금속 적층제조가 단순 시제품이 아닌 생산 기반 또는 부품 제조시장에 진입하고 있음을 시사한다.

따라서 국내 적층제조 시장이 진입단계를 벗어나 산업화를 위해서는 공공기관이 아닌 기업체 중심으로 정부지원이 이루어져야 한다. 정밀주조, 사형주조, 금형업체들을 위시한 방산업체, 에너지발전관련 기업 등은 적층장비의 매력을 대부분 인지하고 있으나 관련기업들은 최소 3억에서 최대 10억 이상 호가하는 장비를 도입함에 있어 부담이 다소 큰 것으로 나타났다.

이때문에 정부는 과거 공공기관 중심의 지원에서 벗어나 수요기업 대상으로 장비 구입비용을 지원하는 형태를 지향하여 많은 성공사례를 이끌어내야 할 것이다. 또한 사형주조용 모래, 바인더와 함께 Kg당 40만원에 육박하는 광경화성수지 등의 국산화도 강한 요구가 있다. 특히 3차원 입체냉각몰드 제작을 위한 금형용 금속분말을 위시해서 고가의 타이타늄 분말 등도 국산화가 이루어져 기업이 장비 가격과 소재 구입 부담을 덜고 발전할 수 있도록 지원함으로써 세계적인 적층제조의 모범국가로 거듭나기를 기대해 본다.

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편집국 기자 (shin@amenews.kr) [기자의 다른 기사보기]
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