1987년에 세계 최초의 상용화 3D 프린터가 출시되었다. 이로 인해 기술 애호가들은 이 기술의 가능성에 대해 많은 말을 쏟아냈다. 그들은 적층 제조(additive manufacturing)가 제조, 건설, 과학 연구에 이르기까지 모든 것을 혁신할 것이라고 했다.
그들의 말은 틀리지 않았다. 다만 이 기술이 제대로 인정을 받기까지 여러 해, 아니 좀 더 정확히 말하자면 수십 년이 걸렸을 뿐이다.
2020년대로 접어들면서 비로소 적층 제조가 상업적 용도로 다양하게 활용되기 시작했다. 기술이 발전함으로써 다음과 같은 것들이 가능해졌다.
· 단일 부품 어셈블리를 통한 공정 복잡성 감소
· 제품개발이나 소량생산 같은 애플리케이션으로 리드타임 단축
· 온디맨드로 현장 제조를 통한 공급 사슬 민첩성 향상
· 물류 비용 절감
· 지속 가능성 및 운영 탄력성 제고
이러한 이점들에도 불구하고, 3D 프린팅은 전체 제조 시장에서 겨우 0.1%만을 차지한다. 이 글에서는 산업용으로 적층 제조 기술의 진화, 과제, 향후 전망에 대해 알아본다.
적층 제조의 해결 과제
적층 제조는 다양한 산업 분야에서 막대한 잠재력을 지녔으나, 몇 가지 통합 문제를 제기한다. 3D 프린팅 기술은 비용적으로 장벽이 꽤 높다. 상업적 시스템의 경우 특히 그렇다. 더욱이 3D 프린팅은 원래 시제품 개발용으로 개발되었기 때문에 현재 나와 있는 대부분의 기술이 대량 애플리케이션에 잘 맞지 않는다. 대량 제조를 지원하는 능력이 부족한 것은 소프트웨어도 마찬가지다. 그러므로 3D 프린팅을 디지털 팩토리로 통합하는 것이 어렵다.
또한 3D 프린팅의 특성상 품질 제어가 어렵다. 아주 조금의 차이만으로도 전체 프린트를 망칠 수 있다. 뿐만 아니라 많은 3D 프린팅 디바이스가 3D 모델링 기술에 대한 지식을 필요로 하며, 많은 사전 제작 CAD 모델은 결함이 있거나 품질이 허용할 수 없는 수준이다.
게다가 적층 제조는 최근까지만 하더라도 사용 가능한 소재가 매우 제한적이었으며, 주로 플라스틱이나 PLA로 한정되었다. 이 업계가 최근 몇 년 사이에 장족의 발전을 이루고 있기는 하나, 파우더 및 소재 관리가 여전히 과제로 남아 있다.
건설 같은 분야에 3D 프린팅을 도입할 때는 건설 자재가 해당 규정 요건을 충족하는지 시험하기 위해 긴 시간이 소요된다. 자재에 대한 승인을 받기 위해 상당한 비용과 시간이 소요될 수 있다. 이 때문에 그 가능성과 설계 전문지식에도 불구하고 업계의 도입이 늦춰지고 있다.
오늘날 적층 제조 시장은 어디까지 왔나?
그동안 적층 제조는 주로 시제품 개발이나 툴링 용으로 한정되어 왔으나, 2024년은 변화를 맞이하는 한 해가 될 수도 있다. 적층 제조 기술이 최근 들어서 기술적으로 진보하면서 다음이 가능해졌다.
· 합리적인 가격대의 중급형 머신들이 출시되어 비용적 장벽이 낮아졌다.
· 소프트웨어가 향상되고 좀 더 효율적인 익스트루더와 레이저를 이용해 속도와 정확도가 높아졌다.
· 트레이닝과 에코시스템 개발로 기술적 관점에서 접근성이 높아졌다.
· 지속 가능한 소재를 사용하는 것에 초점이 맞춰지고 있다.
· 시장 통합, 협력, 일련번호화 생산 쪽으로 변화되고 있다.
· 대량 제조와 대량 애플리케이션을 더 잘 지원하게 되었다.
이러한 진보와 더불어, 다음과 같은 트렌드들이 적층 제조로 근본적인 변화를 가져오고 있다(표 1).
프린팅 혁신
이러한 트렌드들과 함께 적층 제조 장비에서 기술적 혁신과 진보가 이루어짐으로써 다양한 분야에서 많은 경이로운 애플리케이션이 가능해졌다.
1. 바이오프린팅과 그 외
2024년 초에 한국의 외과의사들이 최초의 3D 프린트 장기 이식 수술을 했다. 이 수술을 통해 환자에게 전적으로 줄기 세포로 만들어진 새로운 기관지를 이식했다. 이것은 시작에 불과하다. 마침내는 바이오프린팅을 사용해 치아, 근육 세포, 뼈, 온전한 팔다리에 이르기까지 모든 것을 제작할 수 있을 것이다.
수술 및 재건 애플리케이션 외에도, 적층 제조를 사용해 수술 장비, 치과 장비, 몰드 같은 의료 장비를 현장에서 제작하는 것도 가능할 것이다. 이러한 제작 방식을 활용해 재난 현장에서 긴급 물자를 제공할 수도 있다. 약국들은 회사들이 공급하는 것에 의존할 필요 없이 직접 자체적으로 약을 프린트할 수 있을 것이다.
2. 과거를 모델링하다
3D 프린팅은 뼈에서부터 도시에 이르기까지 모든 것을 복원하는 데에 활용될 수도 있다. 이를 위해 생성형 AI를 함께 사용할 수 있다. 법의학 미술가와 과학자들은 이 기술을 사용해 증거 허점을 메울 뿐만 아니라 범죄 현장을 정확하게 물리적으로 복원할 수 있을 것이다. 고고학자와 인류학자들은 적층 제조를 활용해 고대의 동물, 사람, 도시, 문명에 대해 더 많은 것을 알아낼 수 있을 것이다.
3. 미래의 공급 사슬 지원
프린터가 갈수록 정교해짐에 따라 미래에는 소비자 상품을 판매 시점에 맞춤형으로 프린트하는 것을 보게 될 것이다. 그럼으로써 이전에 가능하지 않던 차원에서 개인화가 가능해질 것이다.
4. 별 탐사
우주비행선에 3D 프린터가 갖춰져 있어서 필요한 물품을 즉시 제작할 수 있는 것을 상상해 보라. 이 장비 하나만 있으면 비행선에 실어야 하는 물품을 대대적으로 줄일 수 있으므로, 우주 탐사 업무를 간소화할 것이다. 적층 제조는 행성 건설과 테라포밍(terraforming)에도 활용될 수 있을 것이다.
하이브리드 제조 포용
적층 제조가 전통적인 생산을 대체하지는 않을 것이다. 꼭 그럴 필요도 없다. 자동차, 항공우주, 건설 같은 산업 분야에서 이 기술이 가능하게 하는 새로운 활용 사례들과 이 기술이 가져오는 이점들은 그 나름의 빛을 발할 것이다.
아마도 미래에 기업들은 두 세계의 장점을 모두 포용할 것이다. 대량 생산에는 전통적 제조를 사용하고 맞춤화 상품을 위해서는 적층 제조를 활용함으로써 가능한 것의 한계를 끊임없이 끌어올릴 것이다.
글: 브랜든 루이스 / 제공: 마우저 일렉트로닉스
