[제조업 3D프린팅 ‘붐’ 일다-①] 시제품 넘어 양산으로…적층제조2.0 ‘공급망 디지털화’ 가속

2021.10.26 17:23:26

헬로티 임근난 기자 |

 

적층제조 기술로 알려진 3D프린팅은 기업들이 언제, 어디서, 어떻게 부품을 생산할지에 대한 유연성과 민첩성을 제공한다는 점에서 기존 방식보다 경쟁 우위를 갖는다. 특히, 3D프린팅은 시제품을 넘어서 양산을 위한 부품 제조에 주로 활용되면서 글로벌 공급망의 공급과 수요에 혁신을 불어넣고 있다. 이른바 적층제조2.0시대가 온 것이다.

 

적층제조의 기술 및 시장 동향과 3D프린팅이 주는 이점은 무엇인지, 지난 9월 ‘3D프린팅 유저 컨퍼런스’에서 스트라타시스코리아 문종윤 지사장이 강연한 내용을 바탕으로 정리했다.

 

 

3D 인쇄로도 알려진 적층제조(Additive Manufacturing)는 디지털 모델에 따라 재료의 레이어를 하나씩 지정하여 물리적(또는 3D) 객체를 만드는 데 사용하는 프로세스이다. 재료 블록을 절단하여 최종 제품을 생산하는 절삭 제조와 달리 적층제조에서는 부품을 추가하여 최종 제품을 형성한다. 이러한 적층제조 기술은 품질이나 성능에 영향을 주지 않으면서 기존 제조 방법보다 더 빠르고 저렴한 비용으로 프로토타이핑(Prototyping) 또는 지그와 픽스처(Jig & Fixture)를 만든다.

 

최근 분석 자료들을 보게 되면, 글로벌은 제조·조립·품질검사 단계에서 활용되는 지그와 픽스처용의 비중이 30~40%를 차지하는 반면, 국내는 프로토타이핑과 교육용 목적으로 적층제조 프린터가 많이 활용되고 있으며 실제로 지그와 픽스처용은 2 0%이나 프로토타이핑은 30~40%로 사용 비중이 높다.

 

적층제조 관련 글로벌 메가트렌드

 

적층제조 관련 글로벌 메가트렌드는 크게 4가지이다. 첫째는 온쇼어링이다. 그동안 기업들은 전통적인 제조방식에서는 인건비와 단가를 맞출 수 없었기 때문에 국내에 있던 공장을 중국이나 베트남 등 다른 나라로 옮기는 오프쇼어링 정책을 펼쳐왔었다. 그런데 이제는 진출한 해당 국가에서도 임금 상승 등으로 인한 비용 문제가 발생하고 한편으로는 자국 내 경제를 활성화하기 위해 다시 본국으로 이전하는 온쇼어링이 이슈가 되고 있다. 여기에 3D프린팅이 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

 

둘째는 글로벌 공급망 구조의 변화이다. 코로나19 환경과 물류대란이 장기화되면서 불확실성 회피를 위한 글로벌 공급망의 구조변화가 가속화되고 있다. 한 예로, 최근 수에즈 운하 통행 중단에 따른 글로벌 물류대란은 원자재 및 부품 수급 문제로도 이어져 생산에 차질을 빚기도 했다. 3D프린팅은 공급망 문제에 민첩하게 대응할 수 있는 하나의 해법이 될 수 있다.

 

셋째는 지속 가능성이다. 최근 기후 변화로 인해 바다의 수온이 상승하고 폭염·폭우·가뭄 등 기상이변이 나타나고 있다. 적층제조 기업에서는 이런 기후 환경에 대응할 수 있는 탄소중립화를 위해 어떤 기여를 할 수 있는지 고민하고 있다.

 

넷째는 스마트제조, 즉 디지털 매뉴팩처링이다. 기존 아날로그 형태의 제조업에서는 각각의 협력업체로부터 부품을 공급받아 중앙화된 제조 현장에서 그것을 조립하고 다시 유통망에 배송해서 고객들에게 전달하는 방식이 일반적이었다. 그러나 디지털 매뉴팩처링 환경에서 3D프린팅은 언제 어디서든 바로 출력하여 사용할 수 있다.

 

 

3D프린팅이 주는 이점

 

앞서 언급했듯이, 기존 중앙화된 공급망 체계에서는 △각각의 부품 내지는 어셈블리를 납품하는 다양한 공급업체, △부품을 조립해서 제조하는 중앙화된 제조 현장, 그리고 △이를 배송시키는 유통망과 △고객으로 구성돼 있다.

 

그런데 코로나19로 공급망이 무너졌다. 공급 관리 협회에서 실시한 연구 결과에 따르면, 코로나19가 발발함에 따라 설문조사에 참여한 비즈니스 628곳 중 약 75%가 공급망 붕괴를 경험했다고 응답했다.

 

이렇게 해서 나타나는 문제점으로는 생산을 개시하는 데드는 시간이 증대했으며 예비 파트가 부족할 위험이 커졌다. 그리고 고객의 수요 변동에 따른 유연성도 매우 떨어졌다. 또한, 장거리 배송에 따른 이산화탄소 다량 배출로 환경적인 오염이 대두되고 있다.

 

그러면 이러한 환경에서 어떻게 해야 효율적인 제조를 할 수 있을까? 이상적인 얘기일 수 있지만, 먼저 △CAD로 설계를 하고 △설계된 도면은 필요한 공장에서 다운로드 받아 즉시 생산을 해서 △근처에 있는 고객에게 바로 배송하는 모델이 되겠다.

 

한 가지 사례를 보겠다. 최근 미 해군은 스트라타시스와 최대 25대의 F900 3D 프린터 도입 계약을 체결했다. 계약의 규모는 약 230억 원에 이른다. 미 해군은 다양한 종류의 무기 체계를 운용한다. 무기는 매우 중요한 전략, 전술 자산인 만큼 퇴역하기 전까지 최상의 컨디션을 유지하는 것이 중요하다.

 

미 해군은 F900 3D 프린터 도입을 통해 중요 항공기 같은 전략, 전술 자산의 수명 주기를 더 늘리는 가운데 수리 관련 부품을 항모 같은 현장에서 직접 수급하여 유지보수 효율을 높일 계획이다. 이번 미 해군의 F900 3D 프린터 도입은 미 국방부가 올 초 발표한 적층제조 전략 실행의 일환으로 추진된 것이다. 미 국방부는 이번 계약을 통해 미국과 일본 해군 기지에도 적층제조 기반을 확대할 예정이다. 결론적으로 적층 제조 기술을 통해 전군 공급망을 현대화하겠다는 게 미 국방부의 큰 그림이다.

 

제조업체에도 동일한 개념으로 적용해볼 수 있다. 원하는 만큼 언제 어디서나 바로 출력해서 즉각 대응할 수 있다면 고객의 만족도 향상은 물론 기업의 수입과 비용 구조에도 상당한 개선이 있을 것으로 예상된다.

 

이처럼 제조용 3D프린팅은 비즈니스 민첩성을 요구하는 세계에서 이하의 5가지 경쟁 우위를 제공할 수 있다.

 

첫째, 온쇼어링과 현지 생산을 가능하게 한다. 둘째, 고객의 수요 변동에 따른 유연성을 대폭 개선할 수 있다. 셋째, 고객의 요구에 대응할 수 있는 속도를 높인다. 넷째, 수리 관련 부품을 현장에서 직접 수급하여 유지보수 효율을 높일 수 있다. 마지막으로는 CMF(Color Material Finish) 설계 단계를 공정 초기에 시작할 수 있으므로 신제품 출시 시간을 앞당긴다.

 

3D프린팅 적용 사례

 

3D프린팅 솔루션 기업 스트라타시스가 적층제조 기술을 산업에 적용한 몇 가지 사례를 보겠다. 먼저, 의료진들을 위한 안면 보호구 사례이다. 스트라타시스는 글로벌 유수의 고객사인 보잉, 바이엘, 멕트로닉 등을 포함한 150개 이상의 기업과 협력해 3D 프린터를 활용해서 안면보호구 10만개를 출력, 미국 150개 이상의 일선 병원과 의료기관에 전달해서 코로나 팬데믹을 극복했다.

 

다음은 온쇼어링 사례이다. 유럽 최대 병원 네트워크인 AP-HP는 코로나19 팬데믹 시대에 면봉이나 페이스쉴드 등 각종 의료기기들을 소싱(대외 구매)하기 어려워서 60대의 3D 프린터를 도입했다. 필요한 기자재를 직접 출력해서 사용하겠다는 건데, 더욱 놀라운 것은 60대의 3D프린터를 설치하는 데까지 48시간 밖에 걸리지 않았다는 점이다. 이 병원은 조만간 치료제가 나오고 백신 2차 접종 완료율이 높아지면 기존 페이스쉴드뿐만 아니라 다른 의료 관련된 부분을 외부에 의탁하지 않고 3D 프린터를 이용해 자체 생산하겠다는 계획이다.

 

 

스트라타시스 3D프린팅을 통해 GM이 미국 정부 요청을 신속하게 대응한 사례도 있다. GM은 2019년도에 산업용 등급의 3D 프린터를 툴링 용도로 도입하여 사용하고 있었으나, 올해 3월 미국 정부의 요청에 대응하기 위해 3D 프린터를 활용, 인공호흡기 3만 개를 출력하여 공급했다.

 

마지막으로 신제품 출시 시간 단축 사례이다. 디자인 컨설팅 회사인 Priority Designs는 사실적인 나무 텍스처로 독특한 블루투스 스피커를 제작하기 위해 키사이트의 3D프린터 J55와 Luxion의 KeyShot을 사용했으며, 이를 통해 이 전에는 부품을 제작하는 데 일주일 이상 걸리던 시간을 하루 만에 동일한 작업을 수행할 수 있게 됐다.

 

시장 전망

 

적층제조의 주요 적용 분야는 크게 3가지로 구분된다. 첫째는 시제품 제작, 둘째는 제조 보조 도구, 셋째는 최종 사용 부품이다. 적용률을 2021년 기점으로 보게 되면, 시제품 제작은 3D 프린터의 가장 기본적인 용도로 보편화되어 있음을 알 수 있다. 제조 보조 도구 또한 최근 수요가 갑자기 증가하면서 성장을 하고 있다. 반면에 최종 사용 부품은 다품종 중량생산을 통해서 최종적으로 사용되는 부품으로 적용되는 사례를 보게 되면 상대적으로 시제품 제작이나 제조 보조 도구보다는 그 적용률이 매우 낮다.

 

 

2021년부터 앞으로 5년간 적용 분야별 폴리머 적층제조 시장 성장률을 보게 되면, 부품 제조 영역이 25%로 가장 많이 성장할 것으로 전망된다. 그 다음이 매뉴팩처링의 지그와 픽스처(17%), 프로토타이핑 기능(11%), 매뉴팩처링 툴링(10%), 프로토타이핑 FFV(8%) 순으로 성장이 예측된다.

 

 

그러나 최종 사용 부품 제조 시 적층제조의 한계점도 있었다. 정밀성, 신속성, 일관성, 신뢰성, 경제성, 연결성이 바로 그것이다. 예를 들면, 3D 프린터를 몇 년 사용해도 동일한 수준의 품질을 보장할 수 있는지, 그리고 제조하고자 하는 부품을 적층제조로 생산하는 것이 과연 이득이 될 수 있는지 등의 의문을 가질 수 있다.

 

또한, 스마트공장을 보게 되면 IoT와 센서 기술이 발달하면서 공장 플로어 단에서 운영되고 있는 각종 하드웨어 설비들은 SCADA, MES, IoT를 통해서 실시간 모니터링 되고 업타임이 99%까지 도달하는데 적층제조는 아직 그 수준까지 도달하지 못했다.

 

이러한 한계점들은 시간이 지나면서 점점 극복이 될 것으로 판단되며, 계속해서 기술개발이 이루어지고 있다.

 

그러면, 3D 프린터에는 어떤 적층제조 기술들이 있는지 살펴보겠다. 여기에서는 최종 사용 부품을 위한 적층제조 기술 PolyJet, SL, FDM, SAF, P3 등 5가지를 가지고 비교해 봤다.

 

먼저, PolyJet과 SL 기술은 철저하게 프로토타이핑을 위한 용도에 맞춰져 있으며, 이들은 강력한 산업용 등급 재료로 입증된 재현성, 신뢰성, 디테일을 갖추고 있다.

 

FDM과 SAF, P3는 최종 부품의 양산을 위한 기술로써, 최고 수준의 정확성과 일관성, 광범위한 재료 옵션 등이 특징이다. 특히, SAF의 경우는 주당 10000개 단위까지 생산할 수 있다.

 

부품 표면의 품질 관련해서는 인젝션 몰딩 수준의 외관을 원한다면 SL과 P3가 가장 적합하며, 최종 부품의 기능성을 원한다면 SAF와 P3가 가장 적합한 기술이다.

 

이처럼 적층제조 기술을 선택할 때는 어떤 애플리케이션 용도로 활용할지, 그리고 가장 주완점을 두고 있는 부분이 내구성인지, 마감의 완성도인지, 아니면 풀컬러의 구현성인지 각각의 니즈에 맞는 적절한 기술을 적용해야 할 것이다.

 

적층제조2.0과 주요 생산 사례

 

스트라타시스가 생각하는 적층제조1.0은 다품종 소량생산에 비즈니스 초점이 맞춰졌다면 적층제조2.0은 다품종 중량생산 내지는 다품종 대량생산을 지향한다. 따라서 최근 3D프린팅은 최종 사용 부품 제조 애플리케이션에 맞춰 설계되고 있다.

 

그러면 적층제조2.0에서는 어떤 적용 사례들이 있는지 살펴보겠다. 먼저, 프린트 헤드 지그 부품 생산 사례이다. 이 부품은 SAF 기반의 3D 프린터를 사용해서 한 번의 빌드로 180개의 조립품을 12시간 이내에 출력, 하루에 360개의 지그 조립품 제작이 가능했다.

 

또 기존 사출 금형의 경우 금형 제작에만 8~12주 소요가 됐으나, SAF 기술은 해당 기간 동안 20,000~30,000개의 부품 제작이 가능해 연간 최대 120,000개를 생산할 수 있었다.

 

다음은 검사용 스왑 생산 사례이다. 코로나19 팬데믹이 발생했을 때 의료인을 위한 개인 보호 장비(PPE)의 대량 공급과 코로나 검사를 위한 비인두 검사용 스왑이 긴급히 필요했다. 그러자 공급망 중단이 발생했다. 수많은 공급업체로 인해 복잡해진 공급망과 공급하기 어려운 부품으로 인한 것이었다. 또, 제품의 막대한 수요 때문에 의료인이 스왑 재고를 확보하기 어려워졌으며 추가적인 문제도 발생했다.

 

스트타라시스에서 인수한 오리진은 헨켈(Henkel), 베스 이스라엘 데콘네스 메디컬 센터(BIDMC) 및 기타 3D프린팅 리더와 협력하여 일체형의 FDA 인증을 받은 멸균 상태의 3D프린팅 NP 검사용 스왑을 개발했다.

 

오리진은 임상 평가를 위한 다양한 설계의 스왑을 동시에 단일 빌드 크기로 신속하게 제작할 수 있었다. 3D프린팅으로 제작된 스왑은 사출 성형 툴링이나 조립이 필요 없으며 단일 재료로 제작됐다. 격자 모양의 설계 덕분에 검체 수집이 쉽고 편리하며, 절단점이 있어 검체를 시험관에 넣어 연구소로 보낼 수 있다.

 

오리진은 Origin One 3D 프린터의 사내 생산량을 하루 3교대로 주 7일씩 스왑 제조에 할애했다. 연구소의 각 프린터는 8시간 동안 스왑을 800개 씩 프린트했다. 그 결과 오리진은 단 8주 만에 완벽하게 검증되고 포장된 멸균 스왑을 50만 개 이상 배송하게 되었으며 기존 공급망의 역량이 향상되어 더 많은 양의 검사용 스왑을 생산할 수 있게 됐다. 이는 공급망 문제에 신속하고 효율적으로 대응할 수 있고 수요를 충족할 수 있도록 생산량을 쉽게 늘리거나 줄일 수 있는 3D프린팅의 역량을 보여주는 대표적인 예이다.

 

마지막으로 항공기 파트 생산 사례이다. 중국 동방 항공(CEA)은 600여 대의 항공기로 이루어진 현대화된 플릿을 운영하며, 177개국의 1,062개 도시로 출항하고 있다. 안전한 비행을 위해 CEA의 항공기 정비 및 파트 수리와 관련된 중요한 작업은 동방 항공 테크닉사에서 맡고 있다. 작은 실수로 인해 기내 파트가 파손되면 지정된 공급 업체로부터 새로운 부품을 구매하는데 최대 3개월이 소요되며 비용도 많이 들어 엔지니어들은 3D프린팅 기술을 이용하게 됐다.

 

이에 CEA는 적층 제조를 전문으로 하는 연구소를 설립했다. 연구소는 좌석 팔걸이, 기내 손잡이 커버 플레이트, 수하물 홀더 잠금장치, 전자 비행 정보 장치 거치대 및 신문 홀더 등 다양한 인테리어 파트를 3D 프린터로 생산했다. 그 결과, 신문 홀더는 기존 구매 소요 시간이 35일에서 3일로 줄었으며 비용은 819 달러에서 420 달러로 48% 절감됐다.

 

이 연구소는 무재고, 주문형 생산, 디지털 관리 등 지능형 제조를 목표로, 더 많은 분야에서 적층 제조를 효과적으로 응용할 수 있는 대상을 모색하고 있다.

임근난 기자 fa@hellot.net
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