3D프린팅기술이 주목받고 있다. 적층제조(Additive

Manufacturing)기법인 이 기술은 미국을 중심

으로 3D프린터가 개발되어 세계에 보급되면서

2012년경부터 “제2의 산업혁명 가능성”, “혁신적

제조기술”이라는 표현으로 국내외에서 관심과 대응

이 폭발적으로 확산되고 있다. 이미 항공기, 자동

차, 군용, IT·가전, 의료기기, 금형, 건설자재 등

산업의 완제품 또는 부품과 스포츠용품, 완구, 장

신구, 일용품 등 일반소비재 제조에서 적층조형기

술 응용이 빠르게 확산되는 추세다.

미국의 오바마대통령은 2013년 2월 교서에서

3D프린터의 제조업 허브를 만들고 적층조형에 초

점을 맞춰 새로운 창업과 제조업발전의 견인역할을

하도록 제안했다. EU의 주요국들도 최근 적층장치

의 적극적인 개발과 3D프린터 및 프린팅기술 연구

개발 및 제조거점을 형성해왔다. 일본과 중국 역시

3D프린팅기술 연구개발과 산업체제를 발빠르게 형

성하고 있다.

라이프사이클로 보면 3D프린팅은 도입기이다.

제조기술의 “혁신” 또는 “혁명”을 예상하는 전문가

들이 있는 반면, 한계를 지적하는 전문가도 있다.

그러나 분명한 것은 향후 기술발전에 따라 제조산

업의 혁신에 중요한 영향을 미칠 것이라는 데에는

이의가 없다.

3D프린터가 급속히 확산되고 있는 배경의 본질

은 프린터 자체가 아니라 1950년대 이후 꾸준히

진전되어온 디지털 제조기술의 발전을 가속시키고

있다는 점이다. 무엇보다 중요한 것은 3D 적층제

조기술의 이노베이션 효과로서 경제적 임팩트가 매

우 클 것이라는 데에 있다.

주요 보고서들은 3D프린터를 비롯한 적층제조장

치에 의한 경제파급효과가 2020년에 약 220억달

러수준에 이를 것으로 예상한다. 장치자체보다는

관련시장과 생산성 향상에 따른 코스트절감효과가

매우 큰 것으로 나타난다. 이것은 단기간에 파급되

는 보기 드문 기술혁신효과다.

3D프린팅에 의한 제조기술의 혁신

글 | 박 장 선

한국과학기술정보연구원

전 문 연 구 위 원

3D프린팅기술의 확산

70 Machinery Industry

기계산업 최신기술

3D프린터 개발경쟁

3D프린터는 데스크 탑형의 조형기를 의미하기

도 하지만 “재료를 적층하여 입체를 조형하는 기계

시스템”으로 정의할 수 있다. 3D프린팅은 3D프

린터를 이용하여 입체 형상을 얇게 잘라(Slicing)

이 얇은 층을 적층하여 입체 형상을 만드는 기술

이다. 이 기술은 1980년대에 일본인이 특허출원

한 이래 개발이 진행되어왔다. 초기에는 “Rapid

Prototyping”, 즉, 시제품을 빨리 만들어내는 도

구로 인식했으나 이후 3D프린터를 비롯한 적층제

조장치의 성능과 조형방법, 사용가능 재료 등 여러

특성을 고려한 제품으로 발전하고 활용방법도 확대

되었다.

적층제조의 툴인 3D프린터는 제조방식에 따라

1980년대 이후 각국이 특허경쟁에 돌입했다. 특허

출원건수에서는 유럽이 다수를 차지했으나 최종적

으로는 다양한 적층방식과 재료, 디지털 소프트웨

어에서 기술적 우위를 보인 미국의 Stratasys사와

3D Systems사 등이 특허를 기반으로 세계시장을

독점하는 체제로 진행되어왔다.

특허만료와 더불어 독일의 EOS사 등이 시장경쟁

에 진출해 있고, 싱가포르도 저가 3D프린터시장에

진입해 있다. 일본기업들 역시 3D프린터를 시장에

선보이고 있으나 미국과 유럽메이커에 경쟁력이 현

저히 낮은 수준이다.

3D프린터는 특허기간 만료효과와 경쟁사들의

시장진입 러시로 가격이 지속 하락하는 추세다.

Stratasys사의 uPrint는 2010년 약 2,000만원

대에서 2014년 7월 현재 900만원대로, Mojo는

2012년 1,230만원에서 2013년말 500만원대로

하락했다.

Pirate사(싱가포르)의 Buccaneer는 190만원,

Romscraj사(싱가포르)의 romscraj Portable

Go는 75만원, Opencube사(일본)의 SCOOVO

C170은 190만원, 3DSystems사(미국)의 Cube

는 160만원대로 하락추세다.

특히, 개인이나 소규모기업의 소비재(완구 등 일

반 컨슈머 제품) 제조용 3D프린터의 경우는 수십만

원 대의 가격수준이다.

<표 1> 적층제조장치/3D프린터에 의한 경제파급효과

파급효과 산출 부문 금 액

① 직접시장 장치(적층제조장치, 3D프린터, 재료, 소프트웨어 등) 1.0조엔

② 관련시장

① 개인을 위한 출력서비스 1.1조엔

② 부품 등의 직접조형 6.5조엔

③ 교환용 부품제조 3.1조엔

소 계 10.7조엔

③ 생산성 혁신에 의한 코스트 절감 효과

① 시제품·개발 프로세스 1.6조엔

② 제조 프로세스 8.5조엔

소 계 8.5조엔

합 계 21.8조엔

* 자료 : 일본경제산업성 보고서 “3Dプリンタが生み出す附加價値と2つのものづくり～「データ統合力」と「ものづくりネットワーク」”, 2014. 2의 내용을 정리

2014. 9 71

<표 2> 주요 적층제조장치/3D프린터(2013년 현재)

재료 제조업체 장치명 적층두께(mm) 조형사이즈(mm)

금속

Arcam

Matsuura제작소

3DSystems

ESO

Concept Laser

Arcam A2

ATOMm

Phenix PXL

sPro 250

ESOINT M 280

M1

0.05-0.2

0.025

0.02

0.02-0.1

0.02

0.02-0.05

200×200×550

400×400×300

250×250×300

250×250×320

250×250×325

250×250×250

수지

Stratasys

EOS

3DSystems

EnvisionTEC

Keyense

Fortus 900mc

Objet1000

Dimension 1200es

Objet500 Connex

Mojo

Objet30 Pro

uPrint SE

EOSINT P 760

FORMIGA P 110

ATOMm-400

ProJet 5000

ProJet 7000 HD/MP

ULTRA 3SP

Perfactory4 DSP XL

DWS 029J PLUS

0.178

0.061

0.33

0.016

0.178

0.016

0.254

0.06

0.06

0.025

0.029

0.05

0.025

0.015-0.05

0.01

714×610×910

1,000×800×500

254×254×305

490×390×200

127×127×127

294×192×148

203×152×152

700×380×580

200×250×330

400×400×300

550×393×300

380×380×500

266×184×193

192×120×160

150×150×100

* 자료 : 일본경제산업성 보고서 “3Dプリンタが生み出す附加價値と2つのものづくり～「データ統合力」と「ものづくりネットワーク」”( 2014. 2)의 내용을

정리

<그림 1> 적층제조기술에 관한 출원인 국적별 특허출원(2001∼2011년)

유럽,

1,710건, 40%일본, 969건, 22%

미국,

1,242건, 29%

중국,

133건, 3%

한국,

72건, 2%

기타, 192건, 4%

72 Machinery Industry

기계산업 최신기술

3D 적층제조 프로세스

3D프린팅 프로세스는 우선 1개 층의 단면을 완

성한 후 그 위에 별도의 층을 만들고 이를 반복하는

형식이다. 기종마다 층 두께가 여러 가지 있다. 산

업용 3D프린터의 경우, 0.2㎜에서 16㎛까지 얇은

것도 있다. 3D프린터는 재료적층 방식이므로 다른

방식에 비해 조형할 수 있는 형상제한이 적다는 점

이 특징이다. 절삭가공에서는 커터 없이 절삭할 수

없고 사출성형에서는 금형 없이 형상을 만들 수 없

지만, 3D프린터의 적층조형은 이러한 제한이 없

다. 단, 돌출(Overhang) 부분의 처리와 같은 과

제가 있다.

3D프린팅 방식은 여러 가지가 있으나 기종의 선

택에서 기계부품 개발용은 곧 재료의 선택용과 같

은 의미로 해석할 수 있다.

광 조형 방식

■ 풀(Pool) 방식 : 3D프린터 중에서 최초로 실용

화된 것으로서 현재도 고급 작업용으로 사용되고

있다. “광 조형”이란 말로 표현되는 경우가 많다.

페트(PET)형 용기에 광 경화성 액체 폴리머(경화

성 수지)를 삽입하고 UV 레이저를 조사하면 조

사부분만 경화한다. 부품의 조형재인 지지재료

(Support Material)는 가는 기둥과 같은 형상으

로 조형된다. 데이터에 대한 형상의 재현성도 높고

산업제품의 시제품에도 응용되는 예가 있다.

■ 잉크젯 방식 : 보급이 가장 활발히 이뤄지고 있

는 기종으로서 3D프린터 2대 메이커인 미국의

Stratasys사와 3D Systems사의 주력 기종이다.

이 방식도 광경화성 수지를 사용하며, 조형하는 테

이블 위를 헤드가 움직인다. 각 층의 단면을 조형

하도록 수지를 정확히 분무하며 자외선을 조사하여

경화시킨다. 본래의 재료와는 다르지만 실제 사용

하고자 하는 재료와 물성이 유사한 재료의 사용 가

능성이 증가하고 있다. 형상의 재현성이 높고, 형

상의 확인과 교합(Interdigitation), 기능 확인을

<그림 2> 3D프린터의 외형 예

Stratasys사의 Objet350 Connex 3Dsystems사의 ProJet 7000

2014. 9 73

위한 시제품 등의 목적으로도 사용하기 쉽다.

■ 필름 반송 방식(FTI) : 광 조형법의 일종으로 풀

방식에 가깝다. 재료는 1개 층의 수지만을 필름에

실어 공급하는 방식이며 여기에 광을 조사하여 조

형한다. 3D Systems사의 업무용 저가격대의 일

부기종을 대상으로 채용되고 있고, 재현성이 낮아

기계설계용으로는 이용이 제한적이다.

<그림 3> 3D프린팅기술로 제조한 제품 예

터보프롭 항공기엔진(Stratasys사)

발광체(EOS사)

제트엔진 연료분사장치(Morris Technologies사)

자동차 계기판(3DSystems사)

수술교육용 흉부실물모형(Fasotec사)

베트맨(Kraftwurx사)

74 Machinery Industry

기계산업 최신기술

열용해 적층 방식(FDM)

FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은

와이어 형상의 수지를 뜨거운 헤드로 녹여 0.2㎜

정도의 가는 실 형상으로 단면을 만드는 방식이다.

1개 층의 조형이 끝나면 다음 층을 마지막으로 조

형한 층 위에 조형한다. 다른 방식에 비해 줄무늬

모양이 뚜렷하고, 평활한 표면이 요구될 때는 적합

하지 않아 미세조형에는 사용되지 않는다. 마무리

가공이나 도장 등 후가공의 가공성도 좋은 편이 아

니다. 3D 데이터만 있으면 원하는 모든 형태의 부

품제작이 가능하다.

ABS 수지재료는 조형용으로 사용하는 다른 재

료보다 고강도이며 표면 평활성에 문제가 되지 않

고 취급이 쉽기 때문에 기계부품기능을 확인하기 위

해서는 활용이 유리하다고 할 수 있다. 현재 업무용

FDM 모델을 판매하고 있는 메이커는 Stratasys

사가 유일하다.

분말소결 방식

종류가 많으며, 분말상의 재료를 레이저광으로

소결하는 방식이다. 다른 방식의 재료는 수지만을

대상으로 하는데 비해 분말재료의 방식은 수지 이

외의 재료를 사용할 수 있다.

최근 금속을 이용한 3D프린터가 출현했다. 분말

재료에 레이저광을 조사한 후 이 부분만을 소결하

여 단면을 조형한다. 1개 층 소결에 의한 조형이 끝

나면 그 위에 새로운 층을 조형한다. 이 방식으로 대

중화한 것이 나일론수지 분말이다. 조형물은 강도와

유연성을 가지며 사용이 편리한 재료지만 마무리가

공에서 가루가 날리고 연마가 어려운 경향이 있다.

주요국의 최근 동향

주요국들은 적층제조기술의 이노베이션을 위해

산업발전전략을 수립하고 R&D 및 제조거점의 형

성과 인력양성에 활발히 투자하고 있다.

■ 미국 : 제조업 재생을 위해 해외진출기업의 국내

유치(Reshoring)정책 및 제조이노베이션정책의 일

환으로 전국 각지에 제조이노베이션기관(Institute

for Manufacturing Innovation : IMI) 설치

및 전국 네트워크화(National Network for

Manufacturing Innovation : NNMI)가 추진

중이다.

2012년 8월 적층제조기술 관련 IMI로 NAMII

(National Additive Manufacturing Innovation

Institue : 현재 America Makes로 개칭)설치

했다. 2010년 10월 연방정부는 전국 고교에 3D프

린터 등의 도입을 지원했고, 민간은 공립학교에 3D

프린터를 배포하는 “MAKERBOT ACADEMY”를

시행하고 있다.

■ 영국 : 2010년 전국에 기술이노베이션센터

(Catapult)를 설치하고 네트워크화를 추진했

다. 현재 7개 거점이 형성되어 있다(4년간 투자액

은 4억파운드). 2011년 MTC(Manufacturing

Technology Center)를 설치하여 적층제조기술

등 고부가가치 제조프로세스에 특화한 기술개발을

하고 있다. 21개 중고교에 3D프린터교육을 실시

하고 있고, 향후 60개교에 3D프린터를 공급할 계

획이다.

2014. 9 75

3D프린팅 기술의 발전전망과 과제

■ 독일 : 2010년 7월 “New High-Tech

Strategy 2020”을 발표하고, R&D거점으로

FhG를 지정. FhG 레이저기술연구소에서 적층기

술 연구를 추진 중이다. 2008년 Paderborn대학

에 DMRC(Direct Manufacturing Research

Center)를 설치, 2013년 1,100만유로를 지원했

다. 정부는 직업훈련학교에 3D스캐너, 3D프린터

사용환경을 제공하고 있다.

■ 일본 : 2003년에 정부주도로 적층제조기술관련

“설계·제조·가공”의 기술로드맵을 작성하고, 전

국 각 지역의 공설시험연구기관에 적층제조장비의

설치를 지원 운영 중이다. 2014년 2월 경제산업성

이 전략보고서 “3D프린터가 창출하는 부가가치와

제조기술”을 발표하여 적층제조기술발전을 위한 국

가적 정책방향을 제시했다.

■ 중국 : 1980년대부터 주요대학에서 적층제조

기술을 연구하기 시작한 중국은 2012년 적층제조

관련 산업 및 연구기관으로 구성된 “3D프린팅기술

산업연맹”을 발족하고, 2013년부터 “세계3D프린

터기술산업대회”를 개최하고 있다. 일부학교에서는

3D프린터를 이용한 교육을 실시 중이다. 2014년

정부는 “전략하이테크연구개발” 대상의 하나로 적

층제조기술을 제시하였다.

■ 한국 : 정부는 2014년 4월 발표한 “3D프린팅

산업발전 전략”에서 비즈니스, 기술경쟁력, 제도,

인력전략을 제시했다. 오는 10월 기술발전로드맵

을 공개할 계획이다. 관련 산업업계는 2010년 3D

융합산업협회의 발족에 이어 3D프린팅연구조합

(2013. 12), 3D프린팅산업협회(2013. 12), 3D

프린팅협회(2014. 6)가 출범하여 교육·강연활동

이 활발하다. 또한 정부가 후원하는 국내 최초의

3D프린팅전시회(3D Printing Korea 2014)가

2014년 11월 COEX에서 개최될 예정이다.

독일 Paderborn대학의 제조기술연구센터인

DMRC는 항공, 자동차, 군사 등 고도의 제조기술

분야와 개인 소비제품(가구, 스포츠용품, 장식용

구, 완구 등)기술 분야는 3D프린팅기술 적용에 차

이가 나타난다.

즉, 설계기준, 표면품질, 프로세스와 품질의 안

정에서는 공통적이지만 제조기술, 비용, 프로세스

속도, 조형의 크기 등 제조에서는 양자 간에 확연

히 다른 특성을 보인다. 이를 기초로 일본의 전문가

(新ものづくり硏究會) 보고서는 3D 적층제조기술

이 앞으로 ①“정밀한 공작기계로서의 발전 가능성”

(적층제조장치)과 ②개인을 포함한 폭넓은 생산주

체의 제품제조 도구(3D프린터)로서 발전가능성 등

2개의 방향으로 전개될 것으로 전망했다. 여기에는

3D프린팅관련 장비들의 수요와 산업전망을 포함

한다.

최근까지 세계의 3D프린터와 사용을 둘러싼 수

급은 장치메이커의 장치＋재료＋소프트웨어의 일

체화 구조이다. 적층기술의 특허만료에 따라 독자

적인 기술경쟁력 확보가 시급하다. 현재 국내에서

3D프린팅 붐이 조성되고 있는 것은 일단 고무적이

지만 산업, 기술(장비, 재료, 소프트웨어), 제도,

76 Machinery Industry

기계산업 최신기술

인력 등 대부분의 후진적인 인프라 수준을 단기간

에 끌어올리기 위해 앞으로 정부의 “3D프린팅 산업

발전전략”에서 제시한 추진과제들을 과감히 해결해

나가야 한다.

외국과의 기술경쟁력 측면에서 볼 때 우리나라의

최대강점은 IT기술의 구사능력이다. 3D프린팅기

술의 핵심은 설계와 디지털기술의 융합이므로 이의

매개능력인 소프트웨어를 개발 확보할 수 있으면

국내의 3D프린팅기술과 산업은 예상보다 빠르게

확산시킬 수 있을 것이다. 이를 위해 아이디어를 실

체화할 수 있는 시스템, 즉 3D프린팅 소프트웨어

응용을 위한 사회적, 산업적 네트워크 형성과 콘텐

츠개발이 필요하다.

※ 이 자료는 정부지원에 의한 「고경력 과학기술인 활용·지원사

업」(ReSEAT 프로그램)으로 수행한 보고서의 일부를 인용한

것임.

<표 3> 정부의 3D프린팅 산업 발전 추진전략과 과제

추진전략 세부 추진과제

1. 수요연계형 성장기반 조성

① 기업제조혁신 지원

② 국민참여 환경 조성

③ 기초·전문 인력양성

2. 비즈니스 활성화 지원

① 비즈니스 모델 발굴 및 사업화 지원

② 3D프린팅용 콘텐츠 시장 활성화

③ 창업 및 글로벌 진출 지원

3. 기술경쟁력 확보

① 수요연계형 전략기술 로드맵 수립

② 3D프린팅 소재·장비 기술개발

③ 3D프린팅 소프트웨어 기술개발

4. 3D프린팅 관련 제도개선① 법·제도 개선

② 3D프린팅 설비·유통환경 보안 강화

* 자료 : 국가과학기술심의회, “3D프린팅 산업 발전전략(안)”, 2014. 4. 23

2014. 9 77