3D프린팅 기술과 시장이 성숙하기 위해선 기존 제조방식과 동일한 물성을 확보할 수 있도록 원소재 공급기업과 3D프린팅 장비회사 간 협업을 통한 플라스틱 소재물성 개선이 시급한 것으로 나타났다. 또한 자사 공정에 맞거나 틈새시장을 공략할 수 있는 산업용 3D프린터를 개발할 수 있도록 지원하고 관련 부품도 국산화하려는 노력도 병행해야 한다는 의견이 제시됐다.

3D융합산업협회는 지난 16일 밀레니엄 서울힐튼 주니어볼룸에서 ‘3D프린팅 표준화 전략과 산업활성화 핵심기술 분석 세미나’를 개최했다. 이번 세미나는 3D프린팅 표준동향과 산업 최신동향 공유를 통한 국내 전문가의 표준관련 인식제고 및 산·학·연 협력기반 구축을 위해 마련된 자리로 100여명이 넘는 관계자가 참석했다.

3D프린팅은 30여년전에 상업화된 이래 기술이 지속적으로 진보하고 있으며 GE와 같은 글로벌 기업이 항공기에 들어가는 양산부품을 3D프린팅하면서 적층제조시대로 접어들고 있다. 그러나 아직도 가격, 속도, 소재 등의 문제가 숙제로 남아있다.

특히 어느 산업이건 시장과 기술이 활성화되려면 자금력과 기술인력을 잘 갖춘 대기업이 시장에 진입하는 것이 필요한데 3D프린팅 산업에서는 활발하지 못하다. 이날 ‘3D프린팅용 플라스틱 소재개발 사례’를 발표한 강종원 롯데케미칼 파트장은 “현재 3D프린팅용 플라스틱 소재는 대부분 의료용 등 스페셜티 제품시장을 위주로 발달돼있어 세계시장을 다합쳐야 수천억원 수준에 불과하기 때문에 대기업들은 미성숙시장으로 여기고 관망하고 있는 상황”이라고 진단했다.

그러나 세계적인 화학소재 기업들은 소재 기술역량 강화, 장비업체와의 협업, 인수합병을 통한 소규모 비즈니스 모델 개발 등 전략을 통해 미래를 준비하고 있다. 3D프린팅 플라스틱 소재가 자동차 등 실제 부품을 만들 때 들어가는 기존 범용소재로 확장될 경우 매력적인 시장으로 변하기 때문이다.

최근 세계적인 화학기업 바스프는 HP와 함께 HP 3D프린터 전용 플라스틱 분말을 개발했으며 롯데케미칼도 지난 2017년 9월 그룹 계열사인 캐논코리아의 신제품 보급용 3D프린터 ‘MARV MW15’ 전용 프리미엄 PLA 필라멘트를 개발해 판매했다. 화학소재기업들은 소재의 특성과 시장의 요구를 잘 알고 있기 때문에 장비기업들이 자체적으로 소재를 개발하는 것 보다 장점이 많다.

강종원 파트장은 “3D프린팅 장비 업계가 원하는 속도 향상을 위해 롯데케미칼은 소재 결정화 속도를 빠르게 함으로써 출력속도를 3~5배 향상시키고 부가적으로 내열성, 강도, 도색성까지 개선하는 효과를 거뒀다”며 “3D프린팅 시장이 본격적으로 커지기 위해선 출력제품의 물성이 기존 사출공정 대비 유사 또는 동등할 정도로 소재를 개발하는 것 시급하다”고 강조했다.

소재 물성과 함께 반드시 해결해 나가야할 문제는 원가경쟁력이다. 단적으로 PA12를 3D프린팅용으로 만들 경우 가격이 9배 이상 뛰기 때문에 기존 공정의 가격경쟁력을 따라잡을 수 없다. 강종원 파트장은 단종 자동차 부품을 즉시 생산하는 등 고객 맞춤형 서비스, 3D프린팅의 장점을 최대한 발휘할 수 있도록 DfAM(적층제조를 위한 디자인)을 통한 자유로운 디자인과 공정 단순화 등 사업모델을 구축할 필요가 있다고 제언했다.

주조시뮬레이션 전문기업 애니캐스팅의 김성빈 대표는 ‘금속 3D프린터의 기술동향 및 향후 극복과제’를 주제발표하면서 제조공정에 적용되고 있는 3D프린팅용 금속소재의 한계성과 장비개발의 중요성을 강조했다.

UL리서치에 따르면 금속 적층제조 세계시장은 2023년까지 연평균 30% 성장을 거듭해 77조원시장으로 성장하고 이중 부품제작 및 서비스시장이 33조원에 달할 것으로 기대되고 있다. 현재는 우주항공산업이 금속 3D프린팅 시장을 이끌고 있는데 이는 절삭이든 적층으로 만들어졌든 부품은 반드시 HIP(Hot Isostatic Processing) 등 열처리 공정을 거쳐야하기 때문이다. 열처리는 3D프린팅 부품의 품질을 기존 공정과 유사한 수준으로 높여준다.

김성빈 대표는 “3D프린팅으로 부품을 출력할 경우 제작시간은 획기적으로 단축되고 우주항공 부품 공급가 높고 경량화, 위상최적화 등 효과를 고려하면 제작 비용은 크게 문제가 되지 않아 우주항공에서 먼저 3D프린팅 적용이 활성화 된 것”이라며 “그러나 자동차 등 타산업의 경우 부품 열처리가 필요 없고 공급 단가도 낮아 3D프린팅 적용 확대가 더딘 상황”이라고 진단했다.

또한 제조공정에 가장 많이 사용되는 3D프린팅 소재도 타이타늄 합금인 ‘Ti-6Al-4V’ 외엔 검증된 것이 별로 없으며 작업 중 불활성 가스 주입 방법, 프린팅 방향 등 부품 품질상태가 변할 수 있는 변수가 많다. 또한 3D프린팅 출력물은 다양한 패턴이 있기 때문에 공인기관이 판단할 측정검사 방법이 별로 없어 표준을 적극 제시하고 참여할 필요가 있다.

김성빈 대표는 “금속 3D프린팅을 선도하고 있는 독일은 장비에 들어가는 부품의 80% 이상을 국산화했기 때문에 경쟁력이 있는 것”이라며 “3D프린터로 어떤 것을 출력하는 것 보다는 프린터를 우선 개발하고 부품도 국산화하는데 투자가 이뤄져야 한다”고 강조했다. 또한 “자사 공정에 맞거나 사형주조 등 틈새시장을 공략할 수 있는 산업용 3D프린터를 개발할 수 있도록 지원하고, 또한 현재 널리 알려진 PBF 방식이 아닌 새로운 방식의 금속 3D프린터를 개발하는데 눈길을 돌릴 필요가 있다”고 제언했다.

현재 애니캐스팅은 구리, 니켈 등 부품을 출력할 수 있는 전기화학 노즐 유체역학 방식의 금속 3D프린터를 개발 중이며 5대를 만들어 테스트 중이다. 주로 소형 바이오 및 전자센서, 배터리 전극, 전자부품 냉각핀 등 출력을 타깃으로 하고 있다.

한편 한국건설생활환경시험연구원(KCL)은 장비연계형 3D프린팅 소재기술개발사업의 ‘3D프린팅 장비·소재·출력물의 성능 및 품질 평가 체계 개발’ 과제를 통해 2018년 6월까지 3년간 장비 7종(FDM, Polyjet, SLS, 3DP, SLS, DMLS, LOM)과 장비 별 대표 소재 11종, 출력물 21종에 대한 품질평가 방법에 대한 가이드라인을 개발하고 있다. 또한 국내 기업이 차별화된 전략으로 새로운 세계시장을 개척하기 위한 발판을 마련하기 위해 신규 국제표준제안도 진행 중이다.

특히 3D프린터 가동 중 발생될 수 있는 실내공기 오염 등 안전성 관련 표준이 국제적으로도 전무한 상태에서 KCL은 2015년 국가표준기술력향상사업으로 3D프린터에서 발생되는 미세먼지 방출량 평가 방법을 개발해 국제표준화기구(ISO)에 제안하는 성과를 거뒀다. 이는 국내 제조업체들이 친환경 소재 및 장비 개발을 유도해 차별화된 전략으로 국내외 시장을 개척할 수 있는 발판이 되고 있다.

이러한 표준을 주도하고 있는 박경호 KCL 책임연구원은 “우리가 개발한 안전 관련 표준을 가지고 미국 안전인증 시험기관(UL)이 안전표준 개발을 진행하고 있다”며 “미국, 유럽 등에서 날로 3D프린팅 안전에 대한 관심이 높아져 가격이 아닌 안전성이 주요 제품 경쟁력으로 자리잡게 될 가능성이 높은 만큼 우리 기업들도 관심을 가지고 이들 표준을 제대로 알고 적극 대응해야 한다”고 밝혔다.