플라스틱 적층제조 양산 시스템 전환, 신소재가 이끈다

◇연재순서
(1)전시회 총괄 평가
(2)산업용 금속 적층제조 장비 및 소재
(3)산업용 플라스틱 적층제조 장비 및 소재
(4)바이오 메디컬 분야 적층제조 기술
(5)적층제조 후공정 및 디지털 매뉴팩처링
(6)적층제조 S/W 기술 발전 방향
(7-完)적층제조의 미래 발전 방향

이번 ‘폼넥스트 2019’에서 본 플라스틱·세라믹 3D프린팅(적층제조) 솔루션은 기존 시제품 제작에서 벗어나 양산기술로 진화하고 있으며 소재의 발전으로 적용 범위도 확대되고 있었다.

대표적 기술인 광중합(PP, Photopolymerization) 3D프린팅 솔루션인 DLP(Digital Light Processing)와 SLA(Stereo Lithography Apparatus)는 연속 생산 시스템으로 전환되고 있다.

DLP 장비 글로벌 1위는 엔비전텍(Envisiontec)이고 SLA 장비는 3D시스템즈이다. 4년전에 Cabon 3D에서 연속생산 시스템을 선보였지만 이액형 재료에 완성도가 낮았다.

2018년에는 소프트웨어 기술을 기반으로 제품의 정밀도 및 편의성을 추구하였다면 올해는 글로벌 리드 회사 모두 완성도 있는 DLP 기반의 연속생산 장비를 선보였다. 전시장 안에서 직접 시연도 했는데 출력속도는 시간당 70mm 이상에 50㎛이상의 정밀도 그리고 양산화 까지를 전부 구현했다.

SLA, FDM, SLS와 같은 다른 방식의 장비보다 출력속도는 10~50배 이상 빠른 것이다. 향후 300mm 이하의 플라스틱 3D프린팅 분야에서 진정한 강자로 발전해 나갈 것으로 생각된다. 산업분야의 양산 생산에 본격적으로 적용하기 위해서는 디자인 혁신을 통한 비즈니스모델 및 내열성 재료 개발이 동반되어야 될 것이다.

한국, 일본, 중국 등 장비회사는 미국, 독일과의 기술 격차가 좁혀지지 않고 있다. 그 이유는 축적된 경험의 부족과 재료회사와의 협력이 부족한 것으로 생각된다. 글로벌 리더 회사들은 재료회사와의 밀접한 관계를 유지하면서 기술을 발전시켜 나가고 있다. 2020년에는 양산화 적용 성공 사례를 가지고 나올 것으로 전망된다.

전년 전시회에서는 중국 SLA 장비 회사의 저가형 및 대형화가 주목받았지만 올해는 그러지 못하였다. 그 이유는 3D시스템즈의 장비를 복사(Copy)하는 수준까지는 왔지만 시장에서 요구하는 재료의 차별화 및 연속생산 시스템 전환은 아직 안된 것으로 보인다. 시장에서는 생산 환경을 위한 효율적 디지털 생산 시스템을 요구하고 있다. 2018년 3D시스템즈에서는 모듈식의 공장솔루션을 가지고 나왔으나 실효성에 대해서는 아직 보완할 점들이 많이 보였다. 올해도 차별화된 재료를 가지고 기계부품을 생산할 수 있도록 시스템을 구성하였다.

향후 양산화에 본격적으로 적용하기 위해서는 재료의 차별화, 디자인의 혁신, 생산 시간 그리고 코팅 및 후가공 장비가 보완 되어야 될 것이다.

▲ 3D시스템즈의 figure 4 Factory Solution(左)과 중국 프로토팹(ProtoFab)의 SLA 연속 생산 시스템 모형

3D프린팅에서는 재료의 기술이 시장을 진일보 시키고 시장을 주도한다. PP방식 3D프린팅 시장에서는 재료의 요구사항과 발전 가능성이 무궁무진하다. 작년에는 주로 덴탈, 주얼리 재료와 PP, ABS 물성의 재료 그리고 투명재료 일부가 선보였다면 올해는 재료의 발전이 뚜렷하게 나타나고 있다.

재료적인 특면에서 고강도 탄성재료, 내열성 투명재료, 고강도 고내열성재료의 요구가 매우 강하였다. 엔비전텍은 독일정부기관과 SKZ 3자가 고강도 사출 인서트 출력용 소재를 개발하여 선보였다. 최대 260도까지 견디면서 탄성(Elongation)을 가진 소재이다. 아직은 내구성이 떨어지지만 인젝션 몰드(injection mold) 시작금형 시장 진출을 노리고 있다. 그리고 태핑, 스레딩 등 나사산을 내응 공정에 적용할 수 있는 고강도 소재도 개발되어 지그나 픽스처 등에도 적용이 확대 될 것이다.

Carbon社의 경우 디자인과 고탄성 재료를 융합하여 스포츠 및 안전 헬멧보호구에 적용할 수 있는 재료를 선보였고 자동차 헤드라이트에 적용할 수 있는 투명 재료도 많이 눈에 띄었다.

이렇게 PP방식의 3D프린팅 소재가 발전할 수 있었던 이유는 시장에서의 요구가 매우 강하기 때문이다. 글로벌 소재 회사인 에보닉(EVONIK), 헨켈(Henkel), 아케마(ARKEMA) 등이 이번 전시회에 참가했고 세계적인 컬러 전문 회사인 DIC도 3D프린팅 재료 개발을 하면서 향후 발전 속도는 매우 빨라질 것으로 예상된다.

지난 수년간 LCD 방식의 3D프린터가 가장 주목 받았다. 이는 출력 크기는 SLA 장비와 같이 대형 크기의 제품을 제작할 수 있고 출력속도는 DLP와 비슷하고 장비 가격 또한 절반 이하 가격이기 때문이다. 아직은 기술적으로 당장 극복해야할 두가지 사항이 있는데 첫째는 소음이다. LCD 패널은 열에 약하므로 냉각시스템을 부착하는데 쿨링 에어 팬이 돌아가면서 발생하는 소음이 매우 높고 영상 제어 소프트웨어 기술개발을 통한 정밀도 및 표면 조도의 향상이 필요하다. 전년에 비해 전시회 참가 기업도 많이 줄어든 것을 보면 아직 기술적으로 극복해야 될 시간이 필요한 것으로 여겨진다.

▲ 엔비전텍의 고강도 고내열재료 출력물(左)과 coobx의 의료용 투명 깁스

전년 전시회에서는 PP 방식 장비 및 재료 회사 대부분이 덴탈 분야의 어플리케이션을 가지고 나왔다면 올해는 그 비중이 10% 이하로 내려갔다. 이제 덴탈 분야는 시장에 안착했고 고강도, 고탄성, 내열성 재료가 등장하고 연속생산 시스템으로 대량생산이 가능하면서 주얼리, 신발을 넘어 자동차, 기계 부품 등으로 적용이 확대되고 있는 것이다.

앞으로 자동차 분야와 다양한 분야의 비즈니스 모델이 개발될 것이며 2020년 전시회에서는 보다 많은 산업분야의 적용 사례가 선보일 전망이다. 결론적으로 PP방식의 3D프린팅은 산업화, 양산화의 시작점에 있고 디자인과 재료의 혁신을 통한 미래형 제조산업의 한 축을 담당할 것으로 생각한다.

PP 솔루션 속도·품질 향상 양산 근접, 선진 장비·소재社 협업 활발
PEEK 등 ME용 소재 개발로 적용분야 확대, 글로벌 소재社 진출 러시

▲ 스트라타시스가 PEEK 재료로 제작한 부품(左)과 자동차용 Air duct 적용 사례

■ME 솔루션, 소재 개발이 주도
폼넥스트에서 참가 기업수로만 보면 ME(재료압출) 방식(FDM, FFF, Delta 등)의 장비 회사 가 가장 많다. 기술적인 측면에서 장비 제작이 쉽고 재료 가격이 낮으며 대형화가 어렵지 않기 때문이다. ME 방식 회사의 글로벌 1위는 스트라타시스(Stratasys)다. 1세대 ABS 재료와 서포터 재료를 이용한 듀얼 노즐을 통해 ‘FDM’이라는 브랜드로 전세계 시장에 가장 널리 알려져 있다.

이번 전시회에서는 3세대 FDM 장비를 이용하여 고내열성 재료인 PEEK를 출력할 수 있는 시스템을 홍보했다. 후발회사와의 가장 큰 차이점은 시스템의 안정화에 따른 출력 품질이다. 그리고 재료 또한 UTEM, PEEK, PPSF, PC, TPU, Nylon 등 다양하다. 가장 큰 단점은 장비와 재료의 가격이 비싸다는 점이다.

많은 ME방식 장비회사들은 이번 전시회에서 PEEK, PPSF 등 고내열성 엔지니어링 플라스틱 재료 출력이 가능한 장비를 많이 출품했다. PEEK 재료의 경우 기존의 ABS, PA 재료보다 노즐 온도가 150℃ 이상 높고 챔버 온도도 200℃가 되어야 된다. 향후 PEEK 재료의 어플리케이션도 다양하게 전시될 뿐만 아니라 활용도도 높아질 것으로 기대 된다.

이번 폼넥스트의 가장 큰 특징은 글로벌 소재 회사들이 본격적으로 3D프린팅 시장에 진출한 것이다. 전년에 원재료를 홍보했다면 올해는 필라멘트(Filament)를 이용하여 활용 사례를 전시하면서 적극적으로 시장에 뛰어들었다.

▲ 바스프의 소재로 3D프린팅한 부품

Sabic은 ULTEM재료를 예전부터 스트라타시스에 공급하고 있었는데 올해는 많은 필라멘트 제조회사와 접촉하여 확장하고 있고 바스프의 경우 자동차, 컨슈머, 의료, 우주항공 등에 적용 가능한 TPU, TPV, PP, PET, ABS 복합 재료 등을 다양하게 전시하면서 적극적으로 마케팅에 나섰다.

PEEK 원재료를 생산하는 솔베이는 의료, 상업 등 시장을 본격적으로 선점하기 위한 전략으로 전시회에 참가하였다. 올해 또 하나의 특징은 소재의 강국인 일본 소재회사들의 전시회 참가다. 미쓰비시 케미컬(MITSUBISHI CHEMICAL)은 PMMA, PEEK 등의 재료를 선보이면서 향후 3D프린팅 재료 시장에서 공격적인 마케팅을 전개할 계획이다. 글로벌 소재회사들이 이전에는 간접적으로 이 시장을 바라보았다면 지금부터는 직접적으로 시장에 진출하겠다는 의미로 향후 ME 시장에서 재료회사가 핵심으로 등장할 것으로 예상된다.

이번 전시회에서 ME 방식 시장의 핵심 키워드는 PEEK이다. ME방식 글로벌 장비와 재료 회사들 대부분 PEEK 재료를 선보였다. PEEK는 생체적합성(Biocompatibility)을 가진 소재로 주목을 받았으나 이제는 고내열·고강도를 바탕으로 다양한 어플리케이션에 적용 될 것으로 생각된다. 필라멘트 가격이 kg당 80만원으로 고가인 것이 단점이지만 많은 재료회사들이 등장하면서 시장에 적합한 가격으로 낮아질 전망이다.

고내열성재료의 경우 자동차 및 다양한 산업분야에 적용 될 수 있으며 시장규모도 매우 커서 디자인과 어플리케이션 개발을 선도하는 회사가 이 시장에 진정한 강자로 등장할 것이라고 생각된다.

▲ XJET의 세라믹 3D프린터 및 출력물(左)과 3DCERAM의 출력물 및 소재

■세라믹 3D프린팅, 재료 분산·코팅이 핵심
3D프린팅 시장에서 기술, 산업 및 양산화 분야에서 금속 분야가 가장 앞서 나가고 있고 그 다음으로는 광경화 방식의 플라스틱과 열가소성 플라스틱이 뒤를 잇고 있다. 하지만 세라믹 분야의 경우는 시장의 파급효과와 관심은 매우 높으나 기술 개발이 아직은 완성되지 않았다. 지금도 기술개발이 진행 중이고 미래 가치가 높아 투자자들에게는 매우 큰 관심을 받고 있다.

이번 전시회에서 세라믹 3D프린팅 장비를 전시한 회사는 LITHOZ, XJET, 3DCERAM 등이 있다. 세라믹의 가장 대표적인 소재는 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아 (ZrO₂)가 있다. LITHOZ의 경우 세라믹 3D프린팅 기술과 경험이 가장 오래된 회사로 많은 시행착오를 거치면서 지금은 광경화수지(Photopolymer)로 분산한 고점도의 페이스트(Paste)를 사용하여 코팅 기술을 이용하여 적층하고 있다.

세라믹 3D프린팅 후가공 분야인 성형가공기나 소결로 회사가 보이지 않는 것은 아직 관련 분야 기술개발이 늦어지고 있음을 의미한다.

앞으로 세라믹 3D프린팅 핵심 기술은 재료의 분산과 코팅 기술이 될 것이다. 그리고 이 기술을 바탕으로 세라믹 3D프린팅 만의 서포트 소프트웨어, 세라믹 성형가공, 소결, 후가공 까지의 토털 솔루션을 완성시키는 회사가 이 분야의 리더가 될 것이다.