3D프린터의 무한한 응용분야
3D 프린터의 응용분야
1986년 처음으로 상용 3D 프린터가 출시된 이래 3D 프린터는 주로 시제품 제작에 활용되어 왔다. 기존의 생산 시스템 하에서는 디자인이 바뀔 때마다 금형 등 생산 설비를 교체해야 하지만, 3D 프린터는 제품 디자인을 바꾼 후 모델링만 수정하면 즉시 새로운 제품을 제작할 수 있기 때문이다. 제품 성능을 수시로 확인하는 과정에서 디자인이 수 차례 반복될 수 있다는 점을 감안할 때, 3D 프린터의 효율성은 어마어마하다. 따라서 우주항공, 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 시제품 제작에 3D 프린터를 도입하고 있다. 최근에는 3D 프린터의 상용화가 급속도로 이루어지면서, 시제품 제작의 한계를 벗어나 차세대 생산 기술로 주목받고 있기도 하다. 출력물의 완성도 향상, 제작 속도 개선, 다양한 소재 활용 등 기술 자체가 고도화되고 있기 때문이다. 3D 프린터로 직접 제작한 부품이나 제품을 소비자에게 바로 전달되는 직접디지털가공도 이루어지고 있다. IT 기술이 발달하면서 전문가들뿐 아니라 일반 사용자들도 손쉽게 제품을 디자인할 수 있게 되고, 온라인상에서 디자인을 공유하는 것도 가능해졌다. 또한 의료산업, 의류, 음식 등 생활에 밀접한 분야에서도 폭넓게 쓰이게 됐다.
우주항공, 자동차 산업
자동차나 항공기 생산업체에서 3D 프린터가 산업현장에 급속히 퍼지기 시작한 것은 최초 개발자에게 보장되는 특허 유효기간 20년이 종료돼 기술적 제약이 완전히 풀린 2000년대 중후반 부터다. 글로벌 자동차 업체들의 3D 프린터 도입 비율은 매년 가파르게 증가하고 있다. 스트라타시스에 따르면 자동차 업계의 3D 프린터 활용도가 12%에 불과했던 2009년도에 비해 2014년에는 33%로 증가했다.
자동차 업계가 신차를 개발할 때 걸리는 기간은 3~5년 정도이며 개발에 투자되는 비용은 보통 수천억원 이상이다. 이 중 시제품을 제작하여 각종 성능들을 테스트 하는 과정이 기간적으로나 비용적으로 가장 큰 비중을 차지한다.
자동차에는 수 만개의 부품이 들어간다. 따라서 일부는 공용되는 부품을 사용하지만 자동차를 새로 개발하게 되면 상당수의 부품들을 개발해야 한다. 수년간의 개발기간 동안 여러 항목에 걸친 테스트를 수행해야 하기 때문에 상당수의 시제작 차량이 필요하다. 차체는 물론, 엔진 및 트랜스미션을 비롯한 자동차 부품 대다수가 금속으로 이루어져 주조나 절삭 등을 통하여 가공되어야 하기 때문에, 시제품을 만드는 데에만 막대한 비용과 시간이 투입된다.
이러한 까닭에 자동차 업계는 제품 개발에 3D 프린터 기술을 적극 활용하고자 노력해왔다. 현재는 대부분의 자동차 업체에서 널리 쓰이고 있다. 2000년대 이후 복합적인 소재를 사용할 수 있는 3D 프린터가 공급된 이후 더욱 다양한 부품을 3D 프린터로 완성할 수 있게 됐다. 자동차 업계가 3D 프린터 기술을 일찍 도입한 덕분에 다양한 소재를 직접 요구할 수 있었고, 이는 곧 3D 프린터의 기술 발전이라는 선순환으로 이어졌다.
프로토 타입으로 시제품에 싸고 빠르게 적용하는 용도로 쓰였던 3D 프린터가 개발 이후 양산과정에서 부품을 생산하는 과정에서도 사용되기 시작되었다. 적용 분야도 기존의 플라스틱 류에서 금속류 등 실제로 사용하기 힘들었던 분야로 넓혀가고 있다.
이를 뛰어넘어 자동차 전체를 3D 프린터로 제작하는 업체도 등장하기 시작하였다. 미국 애리조나에 본사를 둔 전기자동차 업체 로컬모터스는 열가소성 소재로 3D프린트를 이용해 제작한 저속력 전기차를 선보였다. 현재는 미 교통법에 따라 최고 56km/h 까지만 주행 할 수 있지만 조만간 고속도로를 주행하는 차량도 이어서 출시될 예정이다.
3D 프린터로 만든 전기자동차 스트라티와 제조과정 (출처: Local Motors)
물론 1년에 수 백만대의 자동차를 생산하는 메이져 글로벌 자동차 업체에서 실제 양산 설비에 3D 프린터 기술을 대폭적으로 적용하는 건 힘들 것이다. 새로운 형태의 소재를 사용해야 하는 부품의 경우 양산 설비에 3D 프린터를 적용하여 생산할 수 있지만, 일반적인 자동차 부품을 3D 프린터를 활용하는 것은 비효율적이다. 3D 프린터의 출력 방식은 비용과 속도 측면에서 소품종 대량생산으로 대표되는 자동차 업계에는 적절하지 않다고 생각되기에 시제품 생산에 최적화되었다고 평가한다.
그러나 항공∙우주분야는 상황이 다르다. 수주를 받아서 제작을 시작하는 선박, 항공기나 우주선 제조는 자동차와는 달리 단시간에 많은 수량을 완성할 필요가 없다. 미국의 항공기 전문업체 보잉은 2015년 총 762대의 상용기를 항공사에 인도하였다. 한 달에 64대 수준으로, 항공 산업이 다품종 소량생산에 가까운 산업이라는 것을 알 수 있게 해주는 대목이다. 항공업계가 전통적인 제조설비를 다품종 소량생산에 유리한 3D 프린터 기술로 교체하려고 노력하는 이유가 여기 있다. 특히 복합재와 같이 가벼우면서도 강도가 높은 특수한 재료를 활용한 부품 제작에 있어서는 3D 프린터의 활용도가 더 높아 질 것이다.
따라서 우주항공산업 분야에서는 3D 프린터가 양산에 직접 활용된다. 보잉과 GE, 록히드마틴, 에어버스 등 글로벌 항공우주 업체는 금속 및 플라스틱 소재 등을 사용해 부품 별로 3D 프린터 기술을 활용한 부품을 생산한다. 효율성이 떨어지더라도 세밀하게 제품을 구현해낼 수 있는 3D 프린터를 활용하면 제품의 품질 및 성능 향상에 더욱 도움이 되기 때문이다.
보잉은 군용기 및 민항기용으로 제작하는 부품 중 2만 2천 여종을 3D 프린터로 제작할 예정이다. 항공기 엔진을 비롯한 주요 부품을 제작하는 GE도 별도의 R&D센터를 설립하여 2020년까지 10만여 종의 제트 엔진 부품을 생산할 방침이라고 한다. GE는 이미 3D 프린터로 실제 생산 설비를 꾸려 미국 알라바마주에 항공기 부품 생산을 위한 3D 프린터 공장을 세웠고, 제트 엔진의 연료 노즐 부품을 만들었다.
무중력 공간(MSG)서 3D 프린터 실험을 하는 모습 (출처: NASA·3D Systems)
3D 프린터를 통해 우주정거장 등에서 필요한 부품을 직접 제작하는 시대도 앞당길 수 있다. 지구에서 우주선에 물건을 쏘아 보내는데 1kg 당 약 5,000만원의 비용이 들지만 3D 프린터를 활용하면 이 엄청난 비용을 절감할 수 있는 것이다. 실제로 지난 2014년 미국 우주항공국(NASA)은 국제우주정거장(ISS)에서 3D 프린터로 인쇄 결과물을 출력하는데 성공했다.
나아가 자동차보다 훨씬 오랜 기간 동안 운용하는 항공 산업의 특성 상, 생산한지 오랜 기간이 지난 일부 기종 부품의 단종으로 인하여 정비의 어려움이 있을 수 있다. 이러한 경우 관련 부품에 대한 도면만 있다면 사용자가 직접 부품을 3D 프린터로 생산하여 단종된 부품을 대체 할 수 있다. 실제 우리 공군도 F-15K에 탑재된 F110 엔진의 고압터빈 덮개 등을 3D 프린터로 찍어내 정비에 사용하고 있다.
의료/바이오 산업
의료산업은 다품종 소량생산의 특징이 가장 뚜렷하게 나타나는 분야다. 인체의 특성이 사람마다 다르기 때문에 의족과 의수 및 두개골 모양, 인공 관절과 인공 치아의 형태를 제작하는 것이 일반 제조업 분야의 성격과는 완전히 다르다고 볼 수 있다. 비슷한 특성을 가지고 있지만 사람마다 정확한 대응이 이루어질 때야만 효과를 볼 수 있기 때문이다.
의료 분야에 3D 프린터가 도입되자 환자의 신체 특성에 맞는 치아 및 관절, 뼈 등의 형상을 3D 모델링하여 데이터로 만들고, 크기 및 절단면과 일치하는 디자인을 스캐닝하여 출력하는 게 가능해졌다. 환자의 신체 형태를 스캐닝하여 모델링 후 환자 특성에 맞는 구조물을 제작하는 것이다. 한 마디로 3D 프린터의 기본 개념을 가장 잘 활용하는 사례이다.
