독일 3D 프린터, 산업 생태계 바꾼다

- 3D 프린팅 융∙복합 기술에 이목 집중 -

- 신기술 시장 판로 개척으로 시장 선점 노력 필요 -

□ 3D 프린팅, 제조업 판도 변화 예고

 ○ 최근 두바이에서 세계 최초로 초대형 3D 프린터가 동원된 '3D 프린팅 사무실'이 등장해 주목을 끎.

  - 콘크리트를 비롯해 유리섬유 강화 플라스틱과 유리섬유 강화 석고의 혼합재를 사용해 높이 6m, 길이 37m의 건물을 약 20일에 걸쳐 완공해, 비용이나 시간, 효율성 면에서 건축 분야 내 획기적인 변화를 예고함.

두바이 '3D 프린팅 사무실’

자료원: 3druck.com, Dubai Media Office

 ○ 이와 같은 기술적 진보는 산업 생산에서도 커다란 변화를 불러일으키고 있음.

  - 3D 프린팅은 제품 생산에 있어서 완전히 새로운 가능성을 열어주는데, 특히 프린팅된 부품이 그 자체로 견고한 성질을 지닐 때 제품 활용 가능성도 크게 확대됨.

  - 최근에는 기존의 합성수지 소재를 활용하는 3D 프린터 외에 엔지니어링 플라스틱이나 유리섬유강화 소재, 탄소섬유 강화 플라스틱 등의 특수소재를 활용할 수 있는 산업 분야 역시 확대되고 있음.

 ○ 유명 컨설팅사인 Bain & Company는 최근 자체 연구를 통해 3D 프린터와 드론, 무인 자동차 등을 통해 제품을 시장에서 공급하는 데 있어 비용절감 효과가 최고 80%에 이를 것으로 전망함.

□ 3D 프린터, 강화 소재를 만나다

 ○ 3D 프린터 신공법으로 견고한 부품 생산 가능

  - 독일 내에서 3D 프린터를 통한 강화섬유 부품 생산을 위한 새로운 기법 연구에 선도적인 역할을 하고 있는 프라운호퍼 생산기술 및 자동화 연구소(IPA)는 최근 ‘3D Fibre Printer’를 개발함.

프라운호퍼가 개발한 ‘3D Fibre Printer’

자료원: 프라운호퍼 생산기술 및 자동화 연구소(IPA)

  - 이를 통해 탄소강화섬유가 포함된 열가소성 플라스틱 부품 제작이 가능하게 됨. 이는 새로운 노즐 기술 개발에 따른 결과로, 고강도나 경량 구조가 필요한 곳에 사용 가능하며, 특히 복합소재 사용이 가능함.

  - 독일 프라운호퍼 IPA 연구소 프로젝트 책임자 가이거는 탄소강화섬유 3D 프린트가 특수 가공이나 경량 부품 구조 생산에 효율적일 것이라고 전함. 가이거는 이 기술이 경량화 부품이 많이 사용되는 항공∙우주산업을 비롯해 자동차, 기계, 스포츠산업 분야 내 활용 잠재력이 클 것으로 예상함.

  - 이 기법은 기존에 소재를 사용하는데 제한이 있었던 것과는 달리, 강화섬유를 전력 흐름의 방향으로 정확하게 배치시키는 것이 가능해 생산된 부품이 하중에 잘 견딜 수 있게 됨.

  - 특히 이 제품의 특이한 점은 로봇의 머리 위에 장착된 노즐에 있는데, 적층식으로 제조되는 기존의 3D프린팅 방식과는 달리 완전히 새로운 자유로운 방식의 공정이 가능하다는 점임.

  - 이른바 '융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling)'에서 녹은 폴리머 소재가 3차원적으로 노즐을 통해 분사되고, 컴퓨터에서 초기에 구성된 제품을 단계별로 만들어나감. 가공 시 온도는 대개 200~300도이며, 노즐 평균치는 0.2~0.5㎜임.

  - 특히, 이 공정은 자석 또는 발광 필름 등의 반제품을 융합시키기 위해 언제든지 중단 가능해, 복합 최종 제품을 생산하는 데 적합한 것으로 알려짐. 프라운호퍼 연구소는 이미 이 노즐에 대한 특허를 취득한 상황임.

  - 이 외에도 조립이 필요없는 다양한 소재의 케이스나 맞춤형 제작 차원에서 인체공학적인 핸들이나 고품질의 공구를 위한 핸드그립 등에 활용이 가능함.

  - 가이거는 현재 탄소섬유 강화 소재를 프린팅할 수 있으며, 열가소성 폴리머를 자연소재와 조합해 생산이 가능하다고 전함. 또한, 이론적으로는 모든 용해 가능한 소재를 활용할 수 있으며, 요구조건에 따라 노즐 크기를 조절할 수 있다고 밝힘.

 ○ 산업 공정용 프린터와 탄소섬유 강화 소재 개발 과제

  - 현재 시장 내 탄소강화섬유 3D 프린팅의 선도기업으로는 미국 제조사인 MarkForged를 들 수 있음. 이 회사의 프린터인 ‘Mark One’은 6개의 축으로 된 로봇과 새로운 압력 노즐과의 조합으로 강화섬유 소재 3D프린팅이 가능한 최초의 프린터임.

  - 이 프린터는 탄소섬유나 내열성이 높은 케블라(Kevlar), 유리섬유 등의 강화 소재로 프린팅은 가능하나, 다만 아직은 비교적 작은 규모의 제조공정에 사용 가능하므로 산업용으로는 부적합한 것으로 알려짐.

  - 최근 1세대 모델인 Mark One에 이어 출시된 2세대 모델 ‘Mark Two’의 경우, 기존과 같이 탄소섬유, 유리섬유, 케블라를 이용한 강화 소재로 프린팅이 가능. 이는 기존 모델 대비 프린팅 속도가 40% 빠르고, 강화섬유를 15배 이상 작은 해상도로 프린팅할 수 있음.

MarkForged의 2세대 3D 프린터 'Mark Two'

자료원: 3druck.com

  - 이 외에도 프라운호퍼 연구소와 유사하게 강화섬유 3D 프린팅을 위한 소재 개발 연구를 하고 있는 뎅켄도로프 섬유화학 및 화학섬유 연구소(ITCF)는 현재 바이오 원자재로부터 강화 소재를 추출하기 위한 기술 개발에 주력 중이라고 밝힘.

  - 이 연구소는 이와 관련해 다양한 연구 프로젝트를 추진 중으로, 일례로 리그닌(Lignin)이나 셀룰로오스, 자연산 폴리머 탄소섬유를 개발하고 있다고 함.

  - 즉, 3D 프린팅은 이러한 신소재를 시험하고 효율적으로 투입할 수 있는 분야로, 이 연구소의 프랑크(Erik Frank)는 "탄소섬유 3D 프린팅은 현재 개발 단계에 있으나, 아직까지는 고압을 사용해 고밀도의 강화 소재를 생산해내고 있는 기존 공법에 견줄 만한 기술은 부족하다"고 지적함.

□ 전망 및 시사점

 ○ 현재 탄소강화섬유 소재 3D 프린팅이 가능한 프린터 기술 개발과 더불어, 다양한 고강도 복합 소재 및 산업용 부품 프린팅이 가능한 3D 프린터 개발이 지속되고 있음. 3D 프린터 기술 개발은 향후 제조업계에 일대 혁신을 불러올 것으로 전망됨.

 ○ 국내에서도 강화 소재를 활용한 3D 프린팅 융∙복합 기술 개발이 한창으로, 신 산업 3D 프린팅 융∙복합 시대를 맞아 기술 개발에 이은 새로운 판로 개척을 통한 시장 선점이 매우 중요한 시점임.

  - 특히, 향후 산업용 제작이 가능한 3D 프린터에 대한 수요가 크게 확대될 것으로 전망되는 가운데, 시장 진입을 위해서는 가격뿐만 아니라 속도 감축 효과나 섬세한 공정기술 등 기술적인 면에서 경쟁력을 선보일 수 있는 기회를 포착하는 것이 중요함. 이를 위해 전시회 참가를 통한 제품 홍보가 필요할 것으로 예상됨.

자료원: 프라운호퍼 생산기술 및 자동화 연구소(IPA), Produktion, elektroniknet.de, 3druck.com 및 KOTRA 프랑크푸르트 무역관 자료 종합