3D 프린팅 기술이 만드는 제조업의 새로운 미래 – LG 공식 블로그
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3D 프린팅 기술이 만드는 제조업의 새로운 미래

작성일2015-04-08

안녕하세요?  LG블로거 김관우입니다.
저는 최근 제조업계에서 한창 이슈를 모으고 있는 3D 프린팅 기술과 시장, 3D 프린팅과 관련하여 현재 우리 LG에서 진행하고 있는 소재 사업에 대한 이야기를 해보려고 합니다.

3D 프린팅 기술

2012년 3월 미국의회 연설에서 오바마 대통령은 “3D 프린터는 우리가 만드는 거의 모든 것의 제조 방법을 혁신할 것”이며, “미국에서 제조업을 다시 일으키고자 3D 프린팅 산업을 육성하는 데 10억 달러를 투자하겠다고 발표했습니다. 이렇게 선진국의 대통령조차 중요성을 인정한 3D 프린팅 기술은 과연 무엇일까요?

3D 프린팅이란 무엇인가

3D 프린팅은 디지털 디자인 데이터를 이용, 소재를 층층이 쌓아 올려 3차원 물체를 만드는 기술입니다. 1988년 3D 시스템즈(3D Systems) 사에서 최초로 3D 프린터를 상용화했습니다. 3D 프린팅은 모델링, 프린팅, 후처리 등의 세 과정으로 진행되는데요. 모델링은 복제하려는 모델을1차적으로 3D 스캔하거나 또는 3D 제작 소프트웨어를 통해 본뜨는 작업을 말합니다.

3D 스캔 과정3D 프린팅의 첫 단계인 3D 스캔 과정

두 번째로 3D 프린터로 복제한 후 세 번째로 후가공을 거치게 되는데요. 프린팅을 할 때 도색이나 인쇄가 잘 안 된 부분이 존재하기 때문에 반드시 후가공을 거쳐야 실제로 이용할 수 있는 제품으로 거듭나게 됩니다.

백상어 빗 만드는 과정3D 프린팅으로 백상어 빗 만드는 과정. 3D 모델링 ▶ 3D 프린팅 ▶ 완성

 3D프린터로 제작한 백상어 빗 완성! 제가 만든 백상어 빗인데 괜찮은가요?

3D 프린팅, 어떻게 만들어지나

3D 프린팅은 어떤 방식으로 만들어지는 것일까요? 한눈에 알기 쉽게 표로 정리해 보았습니다.

3D 프린터의 작동원리와 특징 표

3D 프린팅 작동 원리와 특징

원료 :고체(ABS, PLA 등)
기술명 : FDM(Fused Deposition Modeling: 압출 적층 조형)
원리 : 고체 필라멘트(실)형태의 열가소성 플라스틱을 노즐 안에서 녹인 후 분사하여 쌓아 올림. 레이저를 사용하지 않는 단순 구조.
특징 : 스트라타시스(Stratasys)사 개발. 내구성이 높고 강도가 강하며 장비가격과 유지비용이 저렴하고 원료수급 용이.
원료 : 분말(나일론, 유리, 세라믹, 티타늄 등 다양)
기술명 : SLS(Selective Laser Sintering: 선택적 레이저 소결 조형)
원리 : 기능성 고분자나 금속 파운더 원료를 조형판에 공급하고, 레이저로 경화시켜 레이어 형성. 레이어가 형성되면 그 위에 파우더를 얇게 뿌리고 다시 레이저로 새로운 막을 형성하여 쌓아 올림
특징 : 텍사스 대학(University of Texas system)연구진 개발. 조형속도가 빠르고 금속을 포함한 다양한 원료 사용 가능. 장비가 비싸고 유지비용이 많이 소요.
원료 : 액체(포토폴리머 플라스틱)
기술명 : SLA(Stereo lithographic Apparatus: 광경화 수지 조형)
원리 : 빛을 받으면 고체로 변하는 광경 화성 수지에 UV 레이저를 주사하여 경화시켜 레이어 형성. 레이어가 형성될 때마다 받침대가 한 층 두께만큼 하강하며 쌓아 올림.
특징 : 3D 시스템즈(3D SYSTEMS)사가 개발. 정교한 출력 가능. 장비가 비싸며 유지비용이 많이 들고 원료선택이 제한적.

이 중 현재 가장 보편화된 것은 바로 압출 적층 조형(FDM) 방식인데요. 압출 적층 조형(FDM)이란 Fused Deposition Modeling의 약자로, 용융 적층 모델링 혹은 용융수지 압출 적층 방식으로도 불립니다. 이는 열가소성 고체 필라멘트를 가는 철사 줄처럼 동그랗게 말아놓은 것과 유사한 재료(ABS 및 PLA 소재)를 회전 모터로 구동하는 피더(feeder)에 넣고 압출기(Extruder)를 통해 분사 노즐로 자동 분사하여 한 층씩 쌓아 올리는 방식입니다.

압출 적층 조형 방식압출 적층 조형 방식

분사 노즐에서 나온 재료는 열가소성 수지이기 때문에 적층하는 순간 굳게 되는데 한 층이 완료되면 모델 조형판은 한 층의 두께(보통 0.1~0.3mm) 정도 Z축으로 하강하고 다시 프린터 헤드는 회전 모터에 의해 X, Y축으로 빠르게 움직이며 또다시 한 층을 쌓은 후 Z축이 하강하는 과정을 반복하는 출력 방식입니다. 이 FDM 방식은 미국 스트라타시스(Stratasys) 사에서 개발한 방식으로 2009년 특허가 만료되어 오픈소스 프로젝트가 활성화 되어, 3D 프린터의 가격 저하와 대중화에 기여했습니다.

그러면 이렇게 대중화된 FDM 방식에서 소재로 사용되는 ABS와 PLA소재는 무슨 차이가 있을까요? PLA는 식물성 전분(감자와 옥수수)과 플라스틱 액을 섞어 만든 재료로 친환경적이며 인체에 무해하나 열에 약하고 표면 처리를 하거나 도색하는 데 어려움이 있습니다. 반면, ABS는 가공하기 쉽고 내충격성과 내열성이 우수합니다. 그래서 3D 프린터로 출력한 후 연마하여 도색하는 경우에는 ABS 소재가, 도색이나 연마 등을 하지 않고 사용할 경우엔 PLA 소재를 사용하는 것이 적합하지요.

3D 프린터용 필라멘트FDM 방식의 소재가 되는 필라멘트

3D 프린팅, 어떻게 활용되나

이렇게 신기한 3D 프린팅 기술이 우리 생활에 어떻게 응용될 수 있을까요? 미래창조과학부의 통계에 따르면 현재 3D 프린터는 소비재·전자(22%), 자동차(19%), 의료(17%) 분야 등을 중심으로 확대되고 있으며, 3D 프린팅을 활용하여 완성품을 만드는 생산 비중은 2003년 3.9%에서 2012년 29.3%로 늘었다고 합니다.

그렇다면 좀 더 구체적인 사업 분야와 활용 사례를 들겠습니다.  아래를 참조해주세요.

3D 프린팅 사업분야와 활용사례 표

  3D프린팅 사업 분야와 활용사례

사업분야 활용사례
항공우주 무인정찰기, 항공기 등 주요 부품
사업분야 활용사례
엔터테인먼트 영화 소품, 캐릭터 제작
패션 보석 등 장신구 제작, 안경테 제작, 운동화, 의류제작
건축 건축 모형 제작
바이오/의료 의수, 의족, 인공치아, 뼈, 관절 등 보형물 제작

미국의 시장조사업체 월러스어소시에이츠(Wohlers Associates Inc.)는 3D 프린팅 시장이 장비 성능 향상, 3D 프린터의 가격 하락, 관련 서비스 산업의 발전에 힘입어 2018년까지 세계 제조업체의 25% 이상이 3D 프린팅을 적극 활용할 것이며 2012년 22억 불에서 2021년 108억 불로 고속 성장할 것이라고 전망했습니다.

우리나라 미래창조과학부 역시 2012년 9.8억 불에 머물렀던 국내 3D 프린팅 시장이 지속적으로 확대될 것이라 전망했는데요. 지금은 소재 분야에서 대부분을 해외 수입에 의존하고 있지만 향후에는 국내 소재 기업도 글로벌 시장에 진출할 수 있을 것이라며, 장비 공급업체를 중심으로 활용 교육이나 컨설팅 서비스 중심으로 성장할 것이라고 예측했습니다. 이렇게 성장 가능성이 높은 3D 프린팅 시장을 주도하고자 우리나라뿐만 아니라 미국과 중국, 유럽연합(EU), 일본 등 전세계 여러 나라에서 다양한 노력을 하고 있습니다.

세계 1위 ABS 생산 기업, LG화학

앞으로 제조업의 혁신을 불러일으킬 3D 프린팅 중심 소재에 있어서 LG화학이 세계 1위의 점유율을 가진 것을 아시나요? 바로 제가 속한 ABS 해외영업사업부에서 이 일을 진행하고 있는데요.

ABS 소재ABS 소재, 이미지 출처: LG화학 블로그(http://blog.lgchem.com/)

ABS는 대중적인 3D 프린팅 방식인 압출 적층 조형(FDM) 방식의 주요 소재로 사용되는 아크릴로니트릴(A), 부타디엔(B), 스타이렌(S) 성분의 합성수지로 가공성, 내충격성, 내열성이 좋아 각종 전자기기 부품(냉장고, 청소기, 세탁기, TV, 모니터 등), 자동차 내외장재(라디에이터 그릴, 손잡이, 자동차 램프 등), 사무실 기기, 잡화, 완구류(레고, 완구 본체 등)에 쓰이고 있습니다. 3D 프린팅 기술에는 LG화학이 생산하는 쌀알 모양의 ABS 팰렛을 중간 가공회사에 넘기면 이 업체가 실 형태의 필라멘트를 뽑아 3D 프린팅 업체에 최종 납품하는 형태로 적용되고 있습니다.

LG화학은 아쉽게도 아직 3D 필라멘트를 직접 생산하진 않고 있습니다만, 앞으로의 중요성을 인지하며 필라멘트사업에도 진출했으면 하는 바람을 가지고 있습니다. 개인적으로는 3D 프린팅 기술을 활용하여 두세 달에 한 번씩 전국의 맹인학교를 찾아가 앞 못 보는 학생들이 자신과 친구들의 모습을 기억할 수 있도록 3D 졸업앨범을 만드는 작업도 해보고 싶습니다.

3D 프린트 제작물  1

3D 프린팅 제작물 23D 프린터로 만든 제 얼굴입니다.

3D 프린팅 기술을 통하면 모형이나 금형을 따로 만들 필요가 없어 생산원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 생산주기도 줄일 수 있습니다. 제3차 산업혁명을 가져올 기술 중 하나로 3D 프린팅이 꼽히는 이유기도 하지요.

이번 포스팅에선3D 프린팅이 무엇인지, 어떻게 만들어지며 어떤 분야에 활용될 수 있는지에 대해 살펴보았는데요. 국내에선 3D 프린팅 기술이 아직 걸음마 단계이긴 하지만 성장 가능성 높고, 성장 속도가 빠르며, 활용 범위가 무궁무진하다는 점에서 우리가 주목해야 할 시장임은 분명한 듯 합니다. 3D 프린팅 기술을 이해하는 데 조금이라도 도움이 되셨나요? 이상 LG화학 ABS 해외영업사원 및 3D 프린팅 강사 김관우였습니다.

김관우 프로필

개인의 삶이 공동체 및 사회에 필요한 가치가 되도록 노력하는, 헬스, 사진찍기 및 음악듣기를 좋아하는, LG화학 ABS 사업부 해외영업&특화개발 김관우입니다.