폴리머 3D프린팅 재료 급속한 발전, 산업용 시장 전환 목도

◇연재순서

1)전시회 총괄평가

2)적층제조 장비

3)금속분말 적층제조 소재

4)폴리머 적층제조 소재

5)메디컬 적층제조 응용분야

6)미래모빌리티 적층제조 응용분야

7)탄소섬유 적층제조 응용분야

8)좌담회-청년이 적층제조 미래를 이야기하다

하지만 아직까지 중국, 일본 기업의 전시 참여는 거의 없었다. 아시아 국가에서는 한국만이 유독 돋보이는 것은 전시회를 방문한 분들은 누구나 느꼈으리라 생각한다.

특히 중국의 기업들의 전시 참가가 없었는데도 불구하고 플라스틱(폴리머) 분야에서 전시 참가기업 수가 증가하고 기술력은 눈에 띄게 향상됐음을 느낄 수 있었다.

■시장을 주도하고 있는 플라스틱 재료 회사

이번 전시회에 가장 큰 특징 중 하나는 3D프린팅 재료회사의 약진이다. 코로나 이전 전시회때 보다 참가기업 수가 증가하였고 전시부스 규모도 매우 커졌다. 특히 주목할 점은 예전 재료회사들은 장비회사에 종속된 느낌이었다면 지금은 수요기업과 직접 비즈니스 모델을 개발 하고 많은 장비회사와도 네트워크를 확대하면서 시장을 주도하고 있다는 것이다.

전시회에서는 기존보다 강도·내열성이 향상된 유사고무 재료, 전기전도성 재료 등 기능성 플라스틱 재료가 출품됐다. 장비·SW 회사들의 기술개발 속도가 코로나 이전의 수준에서 약간 상승하였다면 재료의 회사들은 급속도로 증가하고 있다고 말할 수 있을 정도다. 이에 따라 기존에 시제품 및 디자인 검증에서 직접 소비자가 사용할 수 있는 제품의 물성을 맞출 수 있을 정도로 발전했다.

플라스틱 3D프린팅 활용 분야는 과거 쥬얼리, 교육, 피규어 시장에서 지금은 덴탈, 자동차, 전자, 안경, 신발 등 산업용 시장으로 흐름이 바뀌었다.

▲ 헨켈이 전시한 3D프린팅 조형물

■DLP 대형화·양산화 기술 발전 주목

DLP 3D프린터는 Top-down 방식으로 대형화가 이뤄지고 있으며 재료 물성이 향상되면서 산업계에서 부품을 양산화할 수 있는 장비로 전환되고 있다.

2019년 전시회만해도 LCD 패널을 탑재한 장비가 시장을 주도했지만 지금은 LCD 장비 회사들을 찾아보기가 어려웠다. LCD 장비는 대면적 적층제조가 가능하고 절반에 불과한 가격이 장점이었으나 이번 전시회에서는 Photocentric社만이 눈에 보였고 장비의 성능은 예전과 큰 차이가 없었다.

반면 DLP 장비의 기술 변화 속도는 빠르게 움직이고 있다. 대면적 적층이 가능한 Top-Down방식의 장비가 ETEC, 3D시스템즈, 캐리마社에서 출품한 것이 가장 큰 특징이다. DLP 장비의 큰 장점인 빠른 속도로 50㎛이하의 정밀도를 대면적으로 안정적으로 출력할 수 있다면 신발, 안경, 자동차, 의료분야의 다양한 기능성을 구현할 수 있는 UV 레진 재료과 함께 3D프린팅 플라스틱 시장을 주도할 것으로 생각된다.

폴리머 적층가공 방식 중 가장 높은 해상도를 보여왔으며, 기술의 발전이 어느정도 임계점에 온 것으로 여겨졌던 DLP(Digital Light Processing)장비 제조사 사이에도 펜데믹 이후 신흥 강자가 등장했다.

2019년 1개 부스로 참가한 초고해상도의 마이크로 DLP 장비사인 BMF(Boston Micro Fabrication)社는 3년만에 고속 성장을 하였다. 미국과 중국에 각각 본사를 둔 BMF사는 PμSL(Projection micro stereloithography) 방식을 적용, 2, 10, 25μm 해상도를 유지하며 최대 빌드사이즈는 50x50mm~100x100mm까지 가능한 획기적인 기술을 선보였다. 142°C에서 견딜 수 있어 PDMS 몰딩 패턴용도로 수요가 급증하고 있고, 구리(copper) 등의 소재로 도금까지 가능해 전도성을 가진 부품을 정밀하게 구현할 수 있다는 강점이 참관객들의 이목을 집중시켰다.

DLP재료 시장의 선두주자는 헨켈(Henkel)社이고 이번 전시회를 통해 다시 한번 더 확인할 수 있었다. 소재의 특성에 맞게 응용분야 비즈니스 모델별로 다양한 재료가 정리되어 있었고 많은 장비회사와 협력하면서 수요회사와 비즈니스를 확장해 나가고 있었다.

산업별 활용사례를 보면 신발분야의 내마모성이 우수하고 복원력이 좋은 유사고무 재료가 주를 이루었고 양산 단계로 접어들면서 재료가격 또한 경쟁을 하면서 양산화 관점에서의 경제성을 검토하기 시작하였다.

덴탈(Dental) 재료시장은 인증(CE, FDA)이 가장 우선되어야 하며, 영구치아, 투명교정기 재료가 최종 목표가 될 것이다.

DLP·SLA 대면적 적층장비 확대, 부품 양산 솔루션 자리매김

재료·장비社 협력 강화, 우주항공·방산 타깃 엔지니어링 소재 시장↑

▲ 캐리마의 Top-down 방식 대형 DLP 장비와 전시 조형물

■미터급 대형 SLA, 車·몰드 등 양산시스템 성장

SLA 장비는 레이저 수가 증가하면서 대형화가 이루어지고 재료·SW·후가공 장비의 개발로 대량생산시스템으로 변화되고 있다.

아직까지 코로나로 인해 전시장에는 중국의 기업과 관람객이 거의 없었는데 중국 SLA 장비 회사가 많기 때문에 전체적으로 SLA 장비를 전시한 업체수가 예전에 비해 적었다. 그래도 한국의 링크솔루션社는 2m 이상의 대형 장비를 소개하면서 현대차 모델(G80) 데이터를 받아 차체 앞부분을 실제 크기로 제작하고 후가공(표면연마, 페인팅, 코팅)기술까지 선보이면서 관람객들의 이목을 집중시켰고 서비스 회사들로부터 많은 문의를 받았다.

이번에 전시된 SLA 장비 및 재료 관련 전시 조형물들을 보면 자동차 부품, 타이어, 몰드 등이 눈에 띠게 많아졌다. 특히 플라스틱 몰드 시장을 경쟁적으로 준비하고 있는 것이 특징이다.

SLA 장비회사들은 레이저 수를 늘리면서 대형화를 추진하고 있다. 3D시스템즈는 2개의 레이저가 장착된 장비를 전시했고 링크솔루션은 3개 레이저가 장착되어 2m 이상 조형이 가능한 장비를 전시했다.

SLA 3D프린팅은 이제 자동화·양산화에 주력하고 있다. 목업이 아닌 부품으로 사용할 수 물성을 가진 재료를 찾고 있고 열변형이 적은 내열성 재료로 변화해 가고 있었다. 신터 모듈 S/W를 사용하여 1회 작업 시 최대로 부품을 생산하고 서포트제거 및 표면 처리까지 가능한 후가공장비는 시장에서 많은 관심을 받았다.

▲ 링크솔루션은 대형 SLA장비로 현대차의 G80을 제작해 전시했다.

■우주항공·방산 등 수요 증대 엔지니어링 플라스틱 확대

플라스틱 3D프린팅의 주요 트렌드 중 하나는 슈퍼 엔지니어링 재료를 이용하여 자동차, 국방, 우주항공, 에너지 등 산업으로 시장을 넓혀가고 있다는 것이다.

가장 많이 보급되어 있는 MEX(Material Extrusion)방식은 열가소성플라스틱(ABS, PLA, PU, PA, PEEK, ULTEM, PPS 등)을 필라멘트(filament)로 만들어 재료를 압출해서 적층하는 방식으로 장비와 소재의 가격이 저렴하여 교육, 개인용으로 사용되고 있다.

이 방식은 정밀도가 낮고 서포트를 제거하는데 시간이 많이 소요되기 때문에 복잡한 구조의 조형물을 제작하거나 대량생산에 부적합하다는 단점이 있다. 폼넥스트에도 많은 장비회사가 매년 참가를 하는데, 올해는 고내열성·고강도 슈퍼 엔지니어링 플라스틱(PEEK, ULTEM, PPS)을 적층할 수 있는 장비회사들의 기술이 약진했음을 확인할 수 있었다. 이들은 자동차, 우주항공, 방위산업, 기계부품 분야의 산업에 다양한 적용사례를 선보이면서 시장 확대를 추진 중이다.

PA(Polyamide)의 Powder를 사용하여 SLS방식으로 적층하는 장비를 가장 많이 판매하고 있는 회사는 HP社이다. 시제품에서 준양산 생산시스템으로 시장을 확대해 나가고 있으며 후가공 장비와 연계하여 자동화라인을 구축하는 방향으로 변화하고 있다.

열가소성 필라멘트 재료의 선두주자는 바스프(BASF)社이고 많은 장비회사들과 협력 체계가 구축이 되어있다. 26종의 필라멘트와 10종류의 분말(Powder) 재료가 있으며, 특히 3종류의 서포트 필라멘트(support Filament)를 보유하고 있다는 점은 3D프린팅 시장의 경험과 이해도가 높다는 것을 알 수 있다.

주요 산업 응용 분야는 자동차, 신발, Jigs & fixtures, Housing, Sockets 등 시장이다. 슈퍼엔지니어링 플라스틱은 자동차, 국방, 우주항공, 에너지 등 산업 분야에서 수요가 증가함에 따라 3D프린팅의 적용 확대도 기대된다.

▲ 링크솔루션이 PPS, PEEK 등 엔지니어링 플라스틱으로 제작한 조형물