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미국 제조·생산업의 부활을 선도하는 3D 프린팅

작성자 : 이용우 2018-02-06 | 조회 : 1795

- 미국 제조업, 3D 프린팅 사용으로 더 발전할 전망

- 3D 프린팅, 제조공정의 친환경화·스피드화·스마트화 실현

3D 프린팅 제조란

3D 프린터를 이용해 원재료의 연속적인 층을 쌓아서 3차원 물체가 만들어지는 제조기술을 의미하는 것으로 3D 프린터는 티타늄, 강철, 알루미늄 또는 여러 형태의 플라스틱 등 물리적 특성이 다른 여러 재료를 이용해 부품을 제조, 조립하는 것을 가능하게 한다.

3D 프린팅 제조의 장점으로는, 신제품 개발 시 프로토 타입을 제작할 경우에 전통적인 방식으로는 많은 노력과 비용 및 시간이 필요하지만 3D 프린팅을 이용할 경우 적은 비용으로 몇 주에 걸리는 샘플 제작시간을 몇 시간으로 줄여줌으로써 테스팅 후 대량생산과 시장진출까지 걸리는 시간을 최소화할 수 있다. 모든 3D 프린팅 제조 중 57%는 신제품 개발의 첫 단계인 샘플 제작을 위해서 사용되고 있다. 또한 3D 프린터는 한 번에 한 층을 쌓는 제작과정이기 때문에 더 혁신적이고 창의적인 형태의 제품 출시가 가능하다.

미국 3D 프린팅 제조시장 전망

3D 프린터에 대한 수요는 2017년부터 2022년까지, 5년간 계속 급증할 것으로 예측되고 있다.

다양한 업계의 고객들이 점점 더 3D 프린팅 기술을 채택하게 될 것이며, 이러한 추세로 인해 향후 5년간 꾸준히 산업 수익이 증가할 것으로 예상되고 있다.

2018년에 17.0%의 성장을 시작으로 연간 7.8%의 성장률을 기록할 전망으로, 2023년 44억 달러의 매출이 예상되고 있다.

미국 3D 프린팅 애플리케이션(사용 범위) 및 업종별 시장점유율

3D 프린터를 쓰는 가장 큰 목적으로는 34%가 Proof of Concept(POC, 가능성 확인), 23%는 Prototype(시제품)을 위해 사용되고 있다. 그 외에는 일반제조 및 교육 샘플 제작용으로 사용되고 있다.

ㅇ 자동차분야

자동차 업계는 ‘래피드 프로토타이핑(Rapid Prototyping)’이란 이름으로 주로 시제품 제작에 3D 프린팅을 사용하고 있다. 프로토타입 부품을 만들고 테스트하는 과정에서 3D 프린팅을 통해 빠른 시간 내에 실제 크기, 또는 축소된 실물 모형을 직접 만지고 검증할 수 있다.

미국 GM사는 신형 자동차의 플로어 콘솔, 앞좌석 등판, 앞 범퍼를 3D 프린팅을 통해 제작해 훨씬 적은 비용으로 윈드터널 테스트까지 진행했다. Chrysler사는 3D 프린팅 기술을 이용해 모델카를 제작했으며, Mercedes사는 3D 프린터로 트럭 금속파트를 제조했고, 독일 Volkswagen사는 공장라인 근로자들을 위해 3D 프린팅으로 인체공학 의자를 제작했다. 자동차 분야에서의 3D 프린터 사용 증가는 자동차부품 중 금속파트의 제작이 가능해지면서 이루어졌다.

ㅇ 항공·우주분야

티타늄 및 플라스틱과 같은 경량소재로 비행기부품을 생산할 수 있어 친환경 항공기를 구축하는 데 도움이 되며, 3D 프린팅으로 랜딩기어나 비행기 날개부품을 제조, 원자재 낭비가 줄어들어 전체 재료비 절감 효과가 있다.

GE는 2016년 Arcam AB와 SLM Solutions Group AG 등 2개의 금속기반 3D 프린팅 회사를 인수한다고 발표했다. 2020년까지 제트엔진에 10만 개의 3D 프린팅한 파트가 사용될 전망이다. 또한 3D 프린팅을 포함한 적층제조방식으로 만든 부품이 큰 비중을 차지하는 최초의 상업용 항공기 엔진인 어드밴스드 터보프롭(Advanced Turboprop)을 개발하고, 개별부품 수를 855개에서 단 12개로 줄였다. 그 결과 전체 엔진부품의 1/3 이상을 3D 프린팅으로 제작하게 되었다.

에어버스(Airbus), 보잉(Boeing), 중국 상용항공기공사(COMAC)의 차세대 단일통로 항공기에 탑재될 LEAP 제트엔진용 연료노즐도 3D 프린팅 기술로 생산 중이다.

ㅇ 의료기기분야

이미 의료기기 제조분야에서의 3D 프린팅은 중요한 위치를 차지하고 있다. 2022년까지 5년간 의료기기 제조업의 매출은 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 3D 프린터로 사람의 형상을 더 정확하게 복제하는 것이 가능해 맞춤형 의료기기 제조에 점점 더 많이 사용되고 있다.

새로운 헬스케어 제품들에 대한 구매가 높아지면서, 개개인에게 맞춤화된 제품들(예 : 보청기, 정형외과 임플란트, 치과용 임플란트)의 수요가 급증하여 현재 3만 명의 환자들이 3D 프린팅된 정형외과관련 의료기기를 이식했으며, 50만 명이 치과용 이식을 했다(크라운, 브리지, 캡 등).

또한 외과 의사들이 복잡한 수술 전, 정확도를 높이기 위해 CT나 MRI로 찍은 부분을 3D 프린팅해 시술 전에 미리 참고하고 있다.

ㅇ 건축, 디자인, 엔지니어링과 건설업계

역사적으로 건축, 디자인, 엔지니어링 및 건설 산업은 손으로 모델을 만들거나 옛날 방식의 차별 생산기술을 사용해야 했다. 그러나 3D 프린터의 사용으로 비교적 쉽게 디자인을 3D 모델로 변환할 수 있게 되었다. 기존에는 일일이 손으로 모델을 제작했으나, 이제는 3D 프린터를 이용해 모델을 제작, 검토 후 변경이 필요 시 소비자와 빠르게 논의 후 대처하는 것이 가능해졌다. 건설업계의 활황으로 인해 지난 몇 년간 3D 프린터 구매가 높아졌다.

3D 프린터 주요 제조업체

IBIS WORLD 자료에 의하면, 3D 프린터 시장점유율 1위는 Stratasys, 2위는 3D Systmes Inc이며, 그 외에 소규모 업체들이 공존하고 있다.

ㅇ Stratasys(시장점유율 16.7%)

- 3D 프린터 및 고성능 RP(Rapid Pro-totyping) 시스템 제조업체

- 컴퓨터 지원 설계 프로그램에서 부품 및 프로토 타입을 생성하는 다양한 3D 프린터 개발, 제조 및 판매

- 항공 우주, 방위, 자동차, 의료, 교육, 건축 및 소비자 제품 포함

- 1989년 설립. 2015년 12월 기준, 직원 2,721명, 매출 6억 9,590만 달러 기록

- 개인 프린터 가격 1만 4,980달러부터 시작

- 시장점유율을 높이기 위해 경쟁사 인수합병(MakerBot 2013년, Solid Conce-pt Inc 2014년)

ㅇ 3D Systems Inc.(시장점유율 8.9%)

- 1993년 설립. 전 세계 직원 2,492명, 2015년 총 매출 6억 6,620만 달러

- VisiJet을 포함한 다양한 브랜드 이름을 통해 개인 및 전문가용 3D 프린터 및 프린터 재료 판매

- 활발한 인수 합병. 2013년에 총 11개 사업체를 인수. 2014년에는 10개 업체 인수를 통해 의료용 3D 시스템으로 확장. 2015년 4개 업체 인수를 통해 소프트웨어 솔루션 및 교육용 3D 시스템 시장으로 확장

ㅇ 그 외 업체

2017년 3D 프린터 제조업체는 시장점유율 25.6%를 차지하는 몇몇 대규모 회사를 제외하고는 많은 소규모 회사들이 시장에 분포하고 있다. 몇몇 대규모 회사들은 인수합병을 통해 2017년 현재 시장점유율을 높여 왔으나, 앞으로 소규모 회사들의 계속적인 시장진입이 예상되고 있다.

3D 프린팅의 미래

ㅇ 가정 및 레스토랑

3D 프린터에 플라스틱 수지나 분말을 사용하는 대신, 카트리지에 인간이 먹을 수 있는 각종 식재료를 넣고 층층이 쌓아 원하는 음식을 만들어내는 음식 3D 프린터가 개발됐다. 현재까지는 다섯 가지 재료만으로 만들 수 있지만, 더 발전할 전망이다. 이 음식용 3D 프린터는 미 항공우주국(NASA)에서 우주 탐험가들을 위해 사용할 계획이다.

ㅇ 의료용

큰 사고로 얼굴의 일부가 크게 손상되거나 유실돼 사람들 앞에 나서기를 꺼리는 환자를 위해 정교하게 제작된 일종의 부분 가면과 같은 제품을 만드는 것이 가능해졌다. 바이오 잉크를 사용한 제품생산 또한 연구 중이다. 바이오 잉크는 세포나 인간의 인체조직을 대체할 수 있는 소재를 3D 프린터에 적용해 다양한 인간의 신체 일부나 장기 등을 만들어 내는 소재로, 곧 임상실험을 거쳐 실제로 환자들에게 이식할 수 있는 수준에 이를 것으로 기대되고 있다.

ㅇ 교육용

2013년 시범 프로젝트를 통해 3D 프린팅을 통한 학습효과를 조사했다. 3D 프린터를 21개 학교에 도입한 결과, 3D 프린팅을 통해 학습할 경우 학생들의 수업에 대한 태도가 좋아졌으며 집중력이 높아졌다고 한다. 과학, 기술, 엔지니어링과 수학(STEM) 과목에 참여도를 높일 수 있는 방법으로 권장되고 있다.

3D 프린터의 가격이 계속적으로 낮아질 것으로 예상되면서, 학교에서 교육용으로 구매가 꾸준히 높아질 전망이며, 학생들이 손쉽게 사용할 수 있는 3D 프린터 소프트웨어 또한 계속적으로 개발될 것으로 예상되고 있다.

시사점

미국 3D 프린팅 시장에는 2개의 큰 기업을 제외하고는 소규모의 수많은 업체가 공존하고 있다. 3D 프린터의 용도도 사용분야가 다양하기 때문에 상대적으로 한국 중소기업들이 시장에 진입해 성공할 가능성이 크다.

전문분야를 제외하고, 가정용과 교육용으로 쉽게 사용할 수 있고, 저렴한 가격의 3D 프린터의 수요가 많아 초급자용 3D 프린터의 개발을 권장한다. 3D 프린터(하드웨어) 이외에도 이를 사용하는 학생들이 손쉽게 사용할 수 있도록 학생을 대상으로 한 교육용 소프트웨어의 개발도 필요하다.

미국 내 3D 프린팅 전시회에 활발하게 참여해 업계와 네트워크을 구축할 필요가 있다.