• Like
  • Save
Keit 2013-06-이슈2-3 d 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Keit 2013-06-이슈2-3 d 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략

on

  • 1,562 views

 

Statistics

Views

Total Views
1,562
Views on SlideShare
939
Embed Views
623

Actions

Likes
1
Downloads
29
Comments
0

3 Embeds 623

http://www.scoop.it 597
http://www.atelierth.net 25
http://webcache.googleusercontent.com 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    Keit 2013-06-이슈2-3 d 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Keit 2013-06-이슈2-3 d 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Document Transcript

    • SUMMARY l저자l 허 영 PD / KEIT 의료기기 PD실 박지훈 책임 / KEIT 의료기기 PD실 박경환 선임 / KEIT 의료기기 PD실 류제청 박사 / 재활공학연구소 주요 국가별(미,일,독) 그린카 분야 R&D 지원 정책 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 31 SUMMARY 목적 3차 제조혁명으로 불리는 3D 프린팅 기술 확산이 빠르게 진행되고 있는 상황에서 정부와 금속산업의 대응 전략과 시사점을 도출 주요현황 최근 3D 프린터 기술은 RP(Rapid Prototyping)의 산업적 응용을 넘어, 저가 3D Printer의 개발과 보급이 이루어지고 있음. 원천특허권 만료와 IT기술의 발달로 3차원 데이터의 제작과 보급 확산이 전방위적으로 이루어지면서 개인용 3D 프린터의 보급도 활발하게 진행되어 제조업 패러다임이 바뀔 것으로 예상 3D 프린터 시스템의 판매와 서비스를 통한 매출이 5년간 두 배로 동시에 급격히 성장하고 있으나 3D 프린터 시스템의 활용은 미국·독일·일본 3개국이 60% 이상을 차지. 국내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 전무 시사점 및 정책제안 국가 주도적 융합형 3D printing 대형 사업의 조기 실시와 수요 산업과의 연계 기술 개발, 그리고 사업화 아이템 검증을 위한 Testbed 사업 추진 등 연구 인프라 투자가 시급히 필요 금속 산업은 적합한 3D printing 소재와 공정의 동시개발을 통해 소재 공급을 통한 가치 사슬 Lock-in이 필요하며 금속 기반 AM분야는 개발 초기 단계로 기술융합과 수요산업 연계 R&BD 전략 실행 시 향후 시장 주도권을 확보 할 수 있을 것으로 판단됨 l저자l 장웅성 PD / KEIT 금속재료 PD실 이상훈 책임/ KEIT 금속재료 PD실 정창용 선임/ KEIT 금속재료 PD실 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원32 1. 3D 프린팅이란? 3D 프린팅 개요 Additive Manufacturing(AM)*이라고도 하며 기존의 재료를 cutting이나 drilling을 통해 입체물을 제조·조립하는 방법(Subtractive Manufacturing)**에서 벗어나 다양한 방법의 적층(additive)방법을 통해 3차원의 입체물을 제조하는 방법임 *ASTM International Committee F42 on Additive Manufacturing Technology defines AM as the process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methods. **기존의 제조방법이 Additive 특성이 없는 것이 아니라, Information Technology가 빠져 있음을 말하며, 이러한 3D 디자인은 STL이라는 3차원 데이터의 형태로 저장되어 3D 프린터를 통해 3차원 입체물로 제조됨 ┃그림 2-1 기존 제조방법 vs 3D printing방법 비교 그림┃ 3D printing의 강점 -기존의 제조 공정과는 다르게 조립비용을 크게 낮출 수 있으며, 현재의 제조 공정을 이용한 대량 생산 방법까지도 대체하기 위한 연구 진행 중 -맞춤형 다품종 소량 생산에 적합하며 소비자가 직접 상품을 만드는 것이 가능하며 중요한 활용 분야의 하나로 환자 하나하나의 몸에 맞는 부품(Customized Part)이 필요한 의료 분야를 꼽을 수 있음
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 33 3D printing의 적용 -현재는 의료, 항공부품, 건축 등 거의 모든 제조분야에 적용되고 있으며 기존의 RP(Rapid Prototyping)가 적용되어 자동차, 의료, 산업용 기계, 교육, 건축 및 소비재 산업부분에서 큰 영향을 끼치고 있음 1981년 Nagoya Municipal Industrial Research Institute의 Hideo Kodama가 처음으로 인쇄된 3차원 물체를 만들어 선보인 이래 지속적으로 산업용으로는 RP에 산업용 3D printer가 지속적으로 개발되었으며 Mcor Technologies Ltd, 3D Systems, Objet Geometries, 그리고 Stratasys에서 만들어지고 판매되고 있음 ┃그림 2-2 다양한 RP 적용 산업분야┃ ┃표 2-1 주요 3D Printing의 역사┃ 일시 주요 내용 1984 Charles Hull developed the technology for printing physical 3D objects from digital data. 1986 Charles Hull founded 3D Systems and developed the first commercial 3D Printing machine, it was called as Stereolithography Apparatus. 1986 Charles Hull named the technique as Stereolithography and obtained a patent. 1988 Scott Crump invented Fused Deposition Modeling (FDM). 1988 3D Systems developed model SLA-250, which was the first version to the general public. 1989 Scott Crump founded Stratasys. 1991 Helisys sold its first laminated object manufacturing (LOM) system. 1992 DTM sold its first selective laser sintering (SLS) system. 1992 Stratasys sold its first FDM-based machine "3D Modeler".
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원34 1993 Massachusetts Institute of Technology (MIT) patented "3 Dimensional Printing techniques". It is similar to the inkjet technology used in 2D Printers. 1993 Solidscape was founded to produces an inkjet-based machine that can build small parts with excellent surface finish at a relatively slow rate. 1995 Z Corporation obtained an exclusive license from MIT to use the technology and started developing 3D Printers based on 3DP technology. 1996 3D Systems introduced "Actua 2100". The term "3D Printer" was first used to refer rapid prototyping machines. 1996 Z Corporation introduced "Z402". 1996 Stratasys introduced "Genisys". 1997 EOS sold its stereolithography business to 3-D Systems but remains the largest European producer. 2005 Z Corp. launched Spectrum Z510. It was the first high definition color 3D Printer in the market. 2006 An open source project is initiated-Reprap-which was aimed at developing a self-replicating 3D printer. You can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General Public Licence. 2008 Objet Geometries Ltd. announced that its revolutionary Connex500™ rapid prototyping system to be the first-ever system enabling the manufacture of 3-D parts using several different materials at the same time. 2008 The first version of Reprap was released. It can manufacture about 50 percent of its own parts. 2010.11 Urbee is the first prototype car is presented. This is the first car ever to have its entire body printed out on a giant 3D printer. All exterior components-including the glass panel prototypes-were created using Dimension 3D Printers and Fortus 3D Production Systems at Stratasys' digital manufacturing service-RedEye on Demand. 2010.12 Organovo, Inc., a regenerative medicine company focused on bioprinting technology, announced the release of data on the first fully bioprinted blood vessels.
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 35 2011.01 Dutch 3D Printer manufacturer Ultimaker raised300 mm/second and the travel rate to 350 mm/ second. 2011.01 Researchers at Cornell University began to build 3D food printer. 2011.06 Shapeways and Continuum Fashion announced the first 3d printed bikini. 2011.07 Led by the University of Exeter, the University of Brunel and application developer Delcam, researchers in UK have presented the world's first 3D chocolate printer. 2011.08 The world’s first 3D printed aircraft created by Engineers at the University of Southampton. 2011.10 Roland DG Corporation introduced the new iModela iM-1 2011.09 Vienna University of Technology, a smaller, lighter and cheaper printing device has now been developed. This smallest 3D printer weighs 1.5 kilograms, it costs around 1200 Euros. 2012.01 3D Systems Corporation announced that it has completed the acquisition of Z Corporation ("Z Corp") and Vidar Systems ("Vidar") for $135.5 million in cash. 2012.03 Breakthrough: High-speed 3D printer with nanoscale precision The Vienna University of Technology announced a major breakthrough in the 3D printing technology: it is now possible to print three dimensional objects with incredibly fine details using “two-photon lithography.” 2012.10 Shapeways opens largest 3D printing factory in the world Shapeways, the 3D printing company based in New York, announced their plans to bring manufacturing back to New York City with their “Factory of the Future,” a new 3D Printing facility being built in Long Island City. *출처 : http://www.3ders.org/ 최근 3D 프린터 기술은 RP(Rapid Prototyping)의 산업적 응용을 넘어, 저가 3D Printer의 개발과 보급이 이루어지고 있음. 이는 Scott Crump가 출원한 FDM 제조방식의 원천특허권이 만료가 되어 오픈 소스 프로젝트 Reprap과 같은 시스템이 가능해지고, 2011년 2만 대 이상의 개인용 3D 프린터가 보급됨. 또한 IT기술의 발달로 산업현장에서 만들어지고 활용되던 3차원 데이터의 제작과 보급 확산이 전방위적으로 이루어지면서 Tipping Point에 이르게 된 것으로 판단됨. 조만간 Texas 주립대학과 Carl Deckard 교수가 보유한 SLS 기술 특허권이 2014년 만료 예정으로 이를 기반으로 하여 보다 더 폭넓게 개인용 3D 프린터의 확산 보급이 이루어 질 것으로 예측됨 일반적으로 Modeling-Printing-Finishing의 과정을 거쳐 3D 프린팅이 이루어지며, 다양한 방법의 적층 방법이 개발되어 적용되고 있음
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원36 ┃표 2-2 다양한 3D 프린팅 적층방법┃ Type Technologies Materials Extrusion Fused deposition modeling (FDM) Thermoplastics (e.g. PLA, ABS), HDPE, eutectic metals, edible materials Wire Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) Almost any metal alloy Granular Direct metal laser sintering (DMLS) Almost any metal alloy Electron beam melting (EBM) Titanium alloys Selective heat sintering (SHS)[citation needed] Thermoplastic powder Selective laser sintering (SLS) Thermoplastics, metal powders, ceramic powders Powder bed and inkjet head 3d printing, Plaster- based 3D printing (PP) Plaster Laminated Laminated object manufacturing (LOM) Paper, metal foil, plastic film Light polymerised Stereolithography (SLA) photopolymer Digital Light Processing (DLP) photopolymer *출처 : Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/3d_printing ┃그림 2-3 주요 소재 3D 프린팅 공정기술┃
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 37 -Polymer : 엔지니어링 플라스틱, Glass, CFRP와 같은 복합재료 등 거의 모든 재료가 사용되고 있으며, Wire, Powder, Film을 레이저 열원이나 가열된 Roll을 가압하여 적층하며 기술적으로 완성단계 -Metal: 아직 기술개발의 초기 단계에 있으며 이종재료 적층, 고정밀 적층, 적층율 향상에 초점. Wire나 Powder를 레이저나 전자빔, 플라즈마 열원으로 용융 또는 소결하여 적층. 금속 Foil 상부에 초음파 Roll을 가압하여 적층, Spray로 분사하여 적층하는 방법이 있음. 주로 항공기나 메디컬용 소재이며 자동차, 발전설비의 특수합금, 센서 부품에 적용 가능 ·Titanium Alloy (CP, Ti64, TiNi) for aerospace and biomedical implants ·Cu alloy, Al alloy for good thermal properties and low weight. ·Cobalt-Chrome (Co-Cr) for biomedical implants ·MaragingSteel(18%Ni), NickelAlloy (IN625, IN718), StainlessSteel GP1(US Sification 17-4) 미래기술 예측과 각국에서 3D Printing에 대한 관심과 투자가 급증 가트너(2009.07) : 향후 10년 이내 실현가능한 기술 중 기대치가 가장 높은 10대 기술 중 하나 ┃그림 2-4 Industry Cycles and Emerging Technology┃ *출처 : Gartner (July 2009)
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원38 파이낼셜타임즈(Finalcial Times, 2012.06) : “3D printing이 인터넷 보다 더 영향력이 클 것”으로 예상 MIT Technology Review : 2013년 10대 파괴적 혁신 기술(10 Breakthrough technologies 2013) 중의 하나로 AM(Additive manufacturing) 선정 ┃그림 2-5 10 Breakthrough technologies 2013┃ 맥킨지 “Disruptive technologies : Advances that will transform life, business, and the global economy”(2013.05) 중 하나로 3D printing을 꼽았음 ┃그림 2-6 Disruptive technologies:Advances that will transformlife, business, and the global economy┃
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 39 삼성경제연구원(2013.05)의 한국경제동향 weekly insight에서 Seven Distruptive innovations for Future Industries 중 하나로 선정 -현재 Prototype에서 벗어나 새로운 개인용 제조 신사업으로의 창출 및 나노, 바이오, 항공 산업에 영향을 미칠 것으로 보고 ┃그림 2-7 Features of Seven Disruptive Innovations┃ *출처 : Korea Economic Trends Weekly Insight(2013.05.06) ┃표 2-3 Spill Over Effects of Disruptive Technologies┃ New Technology Expected Change Existing Industry Other Industry New Market, New Business 3D Printing Production of prototypes Nanotechnology, biotechnology, aerospace Individual customized manufacturing *출처 : Korea Economic Trends Weekly Insight(2013.05.06) -이러한 변화에 대한 정부의 대응으로 기술 상용화에 조건을 만들어 주면서, 장기 기술개발에 대한 기초 양성을 언급함 미국 -2013년 연두교서(2013 state of the union)에서 오바마 대통령은 제조업의 새로운 일자리 창출을 말하면서 the first manufacturing house 설립을 말하고 3D printing의 혁명적인 제조방법을 통한 미국의 제조업 부흥과 선도를 강조함
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원40 -여기서 오바마 대통령은 제조업의 혁신을 가져다 줄 3D 프린팅 관련 허브를 증설하겠다고 밝힘. 생산성을 높이고 성장의 모멘텀이 될 신규 정책 사업을 추진하겠다는 것. 오바마 대통령은 오하이오의 3D 프린팅 기술 관련 제조업 혁신 네트워크(연구소) 성공 사례를 벤치마킹할 의사를 피력. 이를 토대로 향후 미국 내 다른 지역 15곳에 제조업 허브를 구축해 첨단 기술의 메카로 육성할 계획 ┃그림 2-8 2013 State of the union┃ *출처 : http://www.youtube.com/watch?v=Yw1jAdMgsW8 “There are things we can do, right now, to accelerate this trend. Last year, we created our first manufacturing innovation institute in Youngstown, Ohio. A once-shuttered warehouse is now a state- of-the art lab where new workers are mastering the 3D printing that has the potential to revolutionize the way we make almost everything. There’s no reason this can’t happen in other towns. So tonight, I’m announcing the launch of three more of these manufacturing hubs, where businesses will partner with the Departments of Defense and Energy to turn regions left behind by globalization into global centers of high-tech jobs. And I ask this Congress to help create a network of fifteen of these hubs and guarantee that the next revolution in manufacturing is Made in America.”
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 41 -2013년 5월 9일 미국 백악관에서는 2억 달러의 연방기금을 투입하여 3개의 첨단제조 연구소를 만들겠다고 발표함 -미국의 경우 2000년도 초반부터 수요기업을 중심으로 연구개발을 진행하였으며 이후 국가 주도적 산학연 중심의 Roadmap을 작성하여 전반적인 3D 프린팅 분야 집중 투자를 가속화 하고 있음 -미국 산업의 강점인 우주항공, 방위산업 및 의료관련 분야를 중심으로 다양한 적용 분야를 개척하고 있음 -미국 additive manufacturing 정책의 경우 Design으로부터 공정, 소재, system 및 Test bed center까지 전 분야에 걸쳐 국가 주도적으로 기업과 함께 개발 및 실용화를 진행 함 【미국 AM정책 Roadmap 분석】 -1997년부터 2012년까지 전 세계적으로 9차례의 AM워크숍 및 로드맵 행사가 개최됨 -전 세계의 많은 연구기관, 대학교, 기업에서 협동하며 연구가 진행되며, 성과 창출 Table2. List of Previous Additive Manufacturing Workshop and Roadmapping Events Year Event Name Sponsor(s) 1997 1998 2003 2009 2009 2010 2010 2011 2012 WTEC Rapid Prototyping in Europe and Japan The Road the Manufacturing : 1998 Industrial Roadmap for the Rapid Prototyping Industry WTEC Workshop on Additive / Subtractive Manufacturing R&D in Europe Roadmap for Additive Manufacturing Workshop Additive Manufacturing Workshop Direct Digital Manufacturing of Metallic Components Additive Manufacturing Consortium Kick-Off Meeting Direct Part Manufacturing Workshop Additive Manufacturing Workshop NSF, DOE, DARPA, ONR, DOC National Center For Manufacturing Sciences NSF, DARPA, ONR, NIST NSF, ONR Air Force ManTech, Merals Affordability Initiative ONR, NAVAIR Edison Welding Institute Society for the Advancerment of Material and Process Engineering-Midwest Chapter Oak Ridge National Laboratory - AM기술 개발에 세분화히여 ①디자인, ②공정모델링과 제어, ③재료, 공정과 설비, ④생의학적 응용, ⑤에너지와 지속가능한 응용, ⑥교육, ⑦연구개발과 공동체, ⑧국가 테스트베드 센터, 총 8개 부분으로 나누어 연구개발을 필요 ① 디자인 1. AM에 의해 가능한 디자인 공간을 정의하고 연구하는 디자이너를 돕기 위하여 개념적인 디자인 방법을 창조 2. 복합재료와 복잡한 기하학에 대한 기존의 솔리드 모델링의 한계를 극복하기 위하여, 컴퓨터 이용설계(CAD) 시스템의 새로운 기초를 창조 3. 복잡한 공정-구조-성질과의 관계를 모색하기 위해 다중축척 모델링과 역설계법을 제시 4. 형상, 성질, 공정 등의 변동성을 가진 모델링과 디자인 방법들을 창조 ② 공정 모델링과 제어 1. CAD/E/M Tool을 이용하여 예측되는 공정-구조-성질의 통합된 관계를 개발 2. Feedforward와 Feedback 능력을 가진 폐쇄형과 적합한 제어 시스템을 창조 / 제어시스템 알고리즘은 공정변화에 반응하는 시스템의 예측모델을 기반으로 해야 함 3. 챔버 환경과 센서결합 방법을 건설하여 작동할 수 있는 새로운 센서를 제작
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원42 ③ 재료, 공정과 설비 1. 복합적으로 상호작용하고 있는 물리 현상의 복잡성을 담아내는 기초 물리학에 대해 더 잘 이해하도록 개발 2. 설비효율을 극대화하는 재료 공정방법으로 라인 또는 공간을 빠르게 하는 가변성을 만들어야 함 3. 개방형 구조 제어 장치와 가변 구조형 설비 모듈 제작 필요 4. 조립공정에서 에피텍셜(epitaxial) 금속조직, 조립 부품, 경사기능재료, 그리고 임베디드 소자를 제작하는 특별한 AM 특성을 개발 5. 왜 어떤 재료들은 AM으로 진행가능하고 또 어떤 재료들은 그렇지 않은지에 관한 물음과 해답의 심사 방법론을 개발 6. 나노제조를 위해 원자와 원자 그리고 디자인으로 소자와 조직의 AM제작을 위한 Tool을 개발 7. 재활용, 재사용이 가능하고 그리고 생분해성 물질을 포함하는 지속가능한 (친환경적) 재료의 탐색/개발 ④ 생의학적 응용 1. 고객 맞춤형 임플란트와 의료용 소자를 위하여 디자인과 모델링 방법 창조 2. “차세대 조직공학용 지지체(Smart scaffolds)”의 제작 그리고 3D 생물학/살아있는 생체 조직 모델 구축을 위한 실행 가능한 Bio-AM(BAM) 공정 개발 3. 모델링, 분석, 세포의 반응 그리고 세포조직 성장 거동의 시뮬레이션을 포함한 컴퓨터 이용 BAM(Computer-Aided BAM) 개발 ⑤ 에너지 및 지속가능한 응용 1. AM 역량을 이용하여 에너지 시스템 부품 설계 2. 잠재적인 AM 적용으로써 상용 항공기 수리, 정비, 개조(MRO)를 추진 3. AM공정과 제품에서 지속가능성의 공정한 측정지표를 개발 4. AM공정에서 지속가능한 엔지니어링 재료 모색 ⑥ 교육 1. 특히 공업 전문대학 수준의 학부, 대학원과정으로 학과개설, 재료 교육학, 그리고 교과과정 개발 2. 전문적인 사회단체 또는 조직에 의해 수여되는 증명서와 함께 산업 종사자를 위한 훈련 프로그램 개발 ⑦ 연구개발과 공동체 1. 전통적인 제조방식과 비교하여 설비, 재료 그리고 서비스 비용 절감으로 AM의 경제적 타당성을 보증 2. 제품, 공정 그리고 재료 보증에 도움이 되는 국제적으로 인증된 표준을 개발, 채택 (최근 ASTM 위원회 F42에 의해 개시된 것처럼) ⑧ 국가 테스트베드 센터 1. 사이버 제조 연구 컨셉의 사례 및 장래의 연구에서 장비와 인적자원이 중심이 되어 균형을 잡고 널리 보급된 AM 설비 그리고/ 또는 전문유저가 참여하는 국가 테스트 베드 센터 설립
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 43 호주 -호주의 국가 Roadmap의 경우 미국과 거의 유사하나 호주의 강점인 원소재 개발 및 응용분야의 확대, 그리고 개발 원소재의 산업표준 분야에 대한 정책이 강조 됨 【호주 AM Roadmap 분석】 중기 Roadmap(2015) - 2015년까지 AM공정에서의 원재료 비용은 감소 및 원재료 공급자의 수는 또한 증가할 것 - 이 재료들이 테스트되고 산업표준기관에서 인증되는 대로 응용의 범위는 증가될 것 - 새로운 재료와 광석에서 직접적으로 메탈파우더가 생산되는 공정들을 포함하는 AM공정들이 개발 - 설비 당 더 많은 생산량, 설비의 고속화, 대형화가 될 것 - 우주항공과 자동차 산업에서의 시험, 승인 그리고 AM시스템에서 AM 메탈파우더와 생산된 금속부품의 이용을 확대될 것 - 우주항공, 방위산업 게다가 자동차, 화학 그리고 잠수함 부분까지 급격히 확장하는 것 - 기존 제조방식으로 제작된 금속부품들은 4년 이내 약 35.9%의 AM 사용된 금속부품으로 대체 될 것 중국 -중국 과학기술부〈국가 기술발전 연구계획 및 2014년 국가과학기술 제조영역 프로젝트 지침〉에 3D 프린터 사업을 포함하고 3D 프린터 재료 핵심기술, 장비를 확보할 계획이며 “3D 프린터 기술에 기초한 전자산업 핵심 기술 연구를 포함해 항공기술, 고정밀 부품 제조 연구개발 등 4개 방면 연구에 총 4,000만 위안(한화 약 72억 원)의 연구자금을 지원한다.”고 밝힘 ·대형 항공 우주 부품의 레이저 용융 시스템의 개발 및 적용 ·복잡한 부품 및 금형 제조를 위한 대형 레이저 소결(SLS) 장비의 개발 및 응용 ·재료/복잡한 부품 구조 통합 설계를 위한 높은 온도와 압력의 확산 접합 장비의 개발 및 응용 ·가전 업계의 3D 프린팅 기반의 사용자 정의 핵심 기술의 개발 및 응용 -중국은 공격적 투자가 이루어지고 있으며 특히 중국군으로부터 투자를 통해 우주항공 분야에서 3D Printing 상용화 노력 -Laser를 활용한 적층 기술로 타이타늄 부품의 가격을 기존대비 5%까지 낮추고 강도와 무게 감소의 효과를 동시에 꾀할 수 있음 -중국 website인 Guancha Zhe의 보고에 따르면 F-22에 적용된 타이타늄 단조 부품을 3D 프린팅을 통해 40%까지 줄일 수 있었다는 보고가 있음 -중국 Northwestern Polytechnical University of China에서는 5미터의 C919 승합기에 적용되는 5미터의 타이타늄 빔을 만들고 있으며 2016년 상용화를 계획하고 있음
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원44 ┃그림 2-9 적층 공장┃ ┃그림 2-10 적층기술로 만든 5m Ti beam┃ 일본 -2013.05 경제 산업성 3D 프린터 개발 계획 발표. 경제 산업성 산하 산업기술종합연구소가 프로젝트를 총괄하고 3D 프린터 업체인 시메트 등 민간 기업이 역할을 나눠 개발 예정. 개발 예산은 30억 엔(약 330억 원)이고 완성 시기는 2018년 ┃표 2-4 일본 경제산업성 3D 프린터 개발 역할분담 계획┃ 산업기술종합연구소 프로젝트 총괄 시메트 적층조형장치 개발 군에이화학 주형 재료 개발 고이와이, 기무라주조소 사형 주물 제작 IHI, 닛산자동차, 고마쓰 양산 주물 부품 평가 와세다대학 3D 프린터 기술평가 *출처 : 니혼게이자이
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 45 EU -영국 : 2012.10 기술전략위원회에서 3D printing의 연구개발에 7백만 유로의 투자를 발표. 경쟁을 통해 “Inspiring New Design Freedoms in Additive Manufacturing”. 전략위원회 보고서에서 영국은 9천6백만 유로를 AM에 투자한 것으로 보고 한국 -국가과학기술정보시스템(NTIS) 및 산업부 과제관리 시스템을 통해 검색한 결과 RP, Additive Manufacturing 및 3D printing관련 과제들은 거의 없었으며, 최근 우수기술연구센터(ATC) 기술개발사업을 통해 (주)쓰리디시스템즈코리아로 지원된 “3차원 프린팅 기반의 디지털 설계 및 제조 환경 구축을 위한 융합 데이터 처리 및 모델링 원천기술 개발”과제가 IT 관련 과제로 지원된 것이 가장 가까운 사례임 -2000년 초반에 RP관련 과제들이 지원되었으나, 관련 시장 규모의 한계 및 기술 기반 미성숙으로 인해 그 결과들의 활용이 효과적으로 이루어지지 않음 ┃표 2-5 산업부(한국산업기술평가관리원)의 3D 관련 정부과제 지원현황┃ 사업명 과제명 주관기관 총 개발기간 우수기술연구센터(ATC) 기술개발사업 3차원 프린팅 기반의 디지털 설계 및 제조 환경 구축을 위한 융합 데이터 처리 및 모델링 원천기술 개발 (주)쓰리디 시스템즈코리아 2013.06.01~ 2017.05.31 디지털디자인개발사업 인쇄형 지폐 결속기의 양산설계에서의 디지털 디자인 개발 (주)유일뱅킹 앤시큐리티 2009.09.01~ 2010.08.31 부품·소재기술개발사업 (단독주관개발사업) 스마트폰용 300dpi급 해상도를 갖는 무안경식 3D 프린터 엔진 개발 프리닉스 주식회사 2012.12.01~ 2014.11.30 생활산업기술개발사업 CAD 설계 및 쾌속조형(Rapid Prototyping : RP)기술을 활용한 귀금속제품용 연결 장식 부품 및 가변성 적용 완제품 개발 (주)아이비씨 쥬얼리 2012.06.01~ 2013.05.31 IT우수기술지원사업 지형데이터의 3차원 모델링 및 쾌속실물조형 S/W 가이아 쓰리디(주) 2000.11.01~ 2001.10.31 -미래부는 ‘3D 프린팅 활용기술’을 기술영향평가 대상 기술로 선정(2013.06)하고 기술영향평가위원회를 거쳐 12월 그 결과를 발표하고 국가연구개발사업의 연구기획에 반영하거나 부정적인 영향을 최소화하는 대책을 마련하기로 함
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원46 2. 3D 프린팅 현황 3D 프린터 세계 현황 산업용 3D 프린팅은 산업용(RP 등), 소비재 및 전자장치, 의료(치과), 자동차, 항공, 건축 등의 산업 분야에 적용 Motor vehicles 18.6% Aerospace 10.2% Industrial/ business machines 13.4% Consumer products/electronic 21.8% Medical/dental 16.4% Academic institutions 6.8% Government/military 5.2% Architectural 3.9% Other 3.6% ┃그림 2-11 Industrial Area of Additive Manufacturing, 2013┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc. 3D 프린팅은 현재 기능성 부품제조에 주로 활용됨 Functional parts Education/research Other Tooling components Patterns for metal castings Patterns for prototype tooling 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Fit and assembly Presentation models Visual aids ┃그림 2-12 Applications of Additive Manufacturing Systems, 2013┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc.
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 47 3D 프린터 시스템의 활용은 미국·독일·일본 3개국이 60% 이상을 차지 U.S. 38.0% Turkey 1.4% Canada 1.9% Germany 9.4% France 3.2% Sweden 1.2% UK 4.2% Italy 3.8% Spain 1.3% Japan 9.7% Korea 2.3% China 8.7% Taiwan 1.5% Russia 1.4% Other 12.0% ┃그림 2-13 Cumulative Industrial AM Systems installed by country from 1988 to 2012┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc. 3D 프린터 시스템의 판매와 3D 프린팅 서비스를 통한 매출이 5년간 두 배로 동시에 급격히 성장 2,000 달러 1,500 달러 1,000 달러 500 달러 0 달러 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 ┃그림 2-14 Revenues for AM products and services worldwide in millions of dollars lower Blue segments is products and upper segment is services┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc.
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원48 현재 산업용 3D printing 시장에서는 Stratasys가 38.9%, 3D Systems 17.5%, Envisiontec 11.3% 등의 순으로 점유율을 보여주고 있어 Stratasys*가 시장을 주도하고 있으며 2011년 총 판매량 6,500대, 평균판매가격 73,220달러에 거래가 이루어지고 있음 -상위 10개 업체 중 3개(Objet. Envisiontech. Beijing Tiertime)를 제외하고 모두 미국 기업(점유율 64.4%) *Stratasys는 지난해 12월 미국 미네아폴리스에 위치한 스트라타시스(Stratasys Inc.)와 이스라엘 레호보트에 위치한 오브젯(Objet Geometries, Ltd.)이 합병을 완료하여 세계 1위 3D 프린터 회사. 핵심특허인 FDM(Fused Deposition Modeling)과 잉크젯 기반 폴리젯(Polyjet) 기술을 보유. 합병 전 매출 규모는 2억7천7백만 달러(약3,000억 원)규모 Envisiontec 11.3% EOS 1.9% 3D Systems 17.5% Solidscape 4.0% Stratasys 38.9% Objet 14.5% Beijing Tiertime 2.0% Others 9.8% ┃그림 2-15 sales market share among manufacturers of industrial AM systems┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc. 개인용 3D 프린터 시장(2011년)은 평균 1.122달러, 총 판매량은 23,000대이며 Open Source로 출발한 Reprap Project 그리고 이로 부터 파생된 MakerBot, Bits from Bytes가 시장의 대부분을 형성 60% 13% 22% 5% RepRap Bits from Bytes MakerBot Delta Micro Factory ┃그림 2-16 Wohlers Associates, Inc, 2012┃
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 49 3D 프린터 및 서비스의 시장규모 예측 -Wohlers Associates는 2021년 AM관련 시장이 달러 10B이상으로 성장할 것으로 예상 ┃그림 2-17 Forecast of AM industry┃ *출처 : Wohlers Associates, Inc. -시장 조사 업체 가트너는 3D 프린팅 시장 규모를 2016년에는 31억 달러로 예상하고 매년 평균 20-30%의 고성장을 예상 -Markets and Markets는 AM의 시장을 2013년에서 2017년까지 13.5% CAGR로 3.5억 달러로 성장할 것으로 예측. AM 관련하여 3D 데이터를 위한 3D imaging market, 3D modeling, 3D scanning, 3D rendering, layout and animation and image reconstruction 등 분야가 년 26.7% 성장하여 2013년 3.01억 달러에서 2018년에 9.82억 달러에 이르는 것으로 예측
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원50 다양한 3D 프린팅 활용 현황 개인용 3D 프린터로 소형 권총을 제작(2013.05)하여 논란 Forbes ┃그림 2-18 3D 프린팅 기술로 제작한 플라스틱 권총 사격장면┃ 3D 프린터로 인공 귀 구현(2013.05) : 연구팀은 인공 귀를 만들기 위해 젤리 형태의 하이드로겔 성분을 3D 프린팅 했음. 먼저 컴퓨터 프로그램을 이용해 귀의 구조를 얇은 슬라이스 형태로 잘게 잘라 분석. 그 뒤 1년이 채 안 된 송아지의 세포를 활용해 귀와 같은 모양새를 만들었음. 이외에 연골, 플라스틱, 은나노 입자 등을 추가해 안테나가 장착된 인공 귀를 구현 ┃그림 2-19 3D프린팅 기술로 구현한 인공귀 〈프린스턴대〉┃
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 51 3D 프린터로 주문 생산된 생분해성 기도 이식(2013.05, 미시간대 대학병원) House 3D 프린터 및 건축 활용 컨셉(Sobastian Bertram) ┃그림 2-20 House 3D 프린터 및 건축 활용 컨셉(Sebastian Bertram)┃ 3D 프린터 자판기(UC버클리대, 2013.05) ┃그림 2-21 UC버클리대에 설치된 3D 프린팅 자판기┃
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원52 풀 컬러 3D 프린터 300만 원대 판매예정 (벤처기업 botObjects, 2013.05) ┃그림 2-22┃ -3D 플라스틱 물체를 풀 컬러로 인쇄할 수 있는 프린터를 개발 세라믹 벽돌 3D printing(네덜란드, “Building Bytes”, 2012.11) ┃그림 2-23 The Zeen & Building Bytes┃ -Peters는 세라믹 압출 시스템을 활용하여 다양한 종류의 건축용 벽돌을 제작
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 53 고정밀도의 세라믹 3D printer(오스트리아, “Lithoz”, 2012.12) -비엔나 공대에서 나온 Lithoz라는 회사에서 CeraFab 7500 ceramic 3D printer Euromold에서 공개. 특허화한 LCM(Lithography-based Ceramic Manufacturing) 공정을 도입해서 기존의 세라믹 성형 공정에 비적할만한 밀도(이론 밀도의 99.4% 이상)와 강도(알루미나의 경우 430MPa의 강도)를 보여주고 있으며 해상도는 40um로 언급하고 있음 ┃그림 2-24 Lithoz┃ -가격은 220,000유로로 책정
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원54 금속소재의 3D printing(독일 EOS, 2013) -마르텐사이트 뿐만 아니라, 타이타늄, 알루미늄, 코발트-크롬 합금 등의 재료를 활용한 자동차, 의료용 등의 부품제작에 활용 ┃그림 2-25 3D printing with, titanium & alum demo by @ MDM 2013┃ 3. 금속소재와 3D 프린팅 금속소재 관련 3D 프린팅 주요 프로젝트 개발 현황 가. Aerospace Bracket 개발 Oak Ridge National Lab과 Lockheed Martin 사가 공동수행 -부품 선정기준은 고가의 재료(Ti-6Al-4V), 가공량이 많은 부품(buy-to-fly ratio : 1/33) -전자빔(EBM) 공정으로 제작했으며 제작 후 비용 분석결과 종래 제조 기술보다 50% 절감 ┃그림 2-26┃
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 55 나. 경사 기능재료 (Functionally Graded/Gradient Materials, FGM) 일본, 미국, 유럽 연구소 및 대학에서 다양한 주제로 연구수행 중 -재료의 두께 방향으로 조성 또는 미세조직을 연속적으로 변화시킨 재료 -이종소재 계면에서 급격한 물성 변화 완화 → 복합소재로 고기능화 -적용 분야 : 항공/우주, 원자력/발전/에너지, 의료/바이오, 산업용 공구 등 ┃그림 2-27┃ 다. 임베디드 부품 개발 EWI, OSU, University of Michigan, Solidica 사가 공동으로 정부프로젝트 수행 -Ultrasonic 3D 프린팅 공정으로 제작했으며 부품 선정기준은 내부에 공간이 있거나 복잡하며 이종재료로 구성되어있는 부품 -소성유동을 동반한 고상상태 적층이므로 제작 후 기계적 물성 우수 -적용 분야 : 국방 및 산업용 센서, 의료/바이오 부품, 열교환기, 금형 등 ┃그림 2-28 Embedded Sensor, Fiber-Optics┃
    • PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6KEIT PD Issue Report 한국산업기술평가관리원56 AM 및 3D 프린팅에 적용되는 금속은 주로 타이타늄합금과 초내열합금과 같은 고부가가치 소재가 주로 연구되고 있음 타이타늄으로 항공용 부품인 Bracket 제조 시 기존의 가공법(machining)으로는 buy-to-fly ratio가 33:1로 원가상승의 주요원인이 됨 3D 프린팅을 적용하면 buy-to-fly ratio를 1:1로 줄일 수 있음 → 다만, 저비용 타이타늄 분말 제조기술은 지속적으로 요구됨 금속소재의 특성상 소재가격, 가공방법, 소결온도 및 폭발 위험성이 커서 플라스틱 등의 소재를 활용한 3D Printing과는 다르게 개인 용도로의 확산이 상대적으로 느릴 것으로 예상 현재 플라스틱 등 3D printer 시장은 이미 미국, 일본, 독일 등 선진국들의 주도하에 선점되어 있으며 가격도 개인이 보유하여 적용할 수 있을 수준으로 내려와 소재공급을 통한 system의 Lock-in이 가치 획득의 Key로 부상 금속 소재를 활용한 3D printing 시장은 현재 고가 재료 및 의료 등 고부가가치 산업에 적용 금속기반 AM 분야는 한국의 기회 요인으로 활용 가능 플라스틱 기반 3D Printing 분야는 개인 보급용 단계까지 시장이 성숙하여 3D Printing System 기술에 대한 국내 기술수준은 세계수준에 10년 이상 뒤쳐져 있는 것으로 판단됨. 반면 금속 기반 AM 분야는 의료 등 특정 분야에 국한되어 개발 초기 단계이므로 우리나라가 강점을 지닌 소재기술*과 IT기술의 융합과 수요산업과의 연계**를 통해 효율적이고 독창적인 R&BD 전략 실행 시 향후 시장 주도권을 확보 할 수 있을 것으로 판단됨 *미국과 호주의 정책 사례 조사를 바탕으로 한국의 현재 3D 프린팅(특히 금속 AM 분야) 정책 방향은 국내 산업의 강점을 토대로 새로운 제품군 개발 형태로 진행되어야 함 **국내 산업과 연계한 새로운 제품군으로는 IT, 의료 및 센서 산업 등과 융합이 가능한 방향으로 선택과 집중이 필요 금속소재를 3D Printing 기술에 적용하기 위해서는 고품질의 금속 분말을 저가로 제조할 수 있는 첨단 금속분말 제조기술이 필수적으로 요구됨 -따라서, 국내 현실에서는 3D Printing에 적용되는 금속소재(형상 및 크기 등 포함) 개발과 함께 이를 이용한 공정기술을 우선적으로 추진하여야 할 것으로 판단됨 -동시에 기존의 분말소재 및 상용화된 3D printing system을 이용하면서 공정개발 및 한국 고유의 system개발이 동시에 진행되어야함 -금속소재의 3D Printing System 적용기술은 항공, 국방, 바이오 및 전자부품 산업에 적용 가능할 것으로 예상됨 -일례로, 타이타늄 분말을 3D Printing System에 적용하기 위해서는 구형 또는 타원형의 분말이 요구되나, 현재, 개발된 타이타늄 저가분말 제조방법(Hydride-Dehydride Method, HDH법)으로는 품질과 함께 구형 또는 타원형의 분말을 제조하기 어려워 이러한 금속소재분야가 본 기술의 핵심이라고 할 수 있음
    • ISSUE 2 3D 프린팅 제조혁명에 대한 한국 금속산업의 대응전략 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 57 4. 정책 제언 국가 주도적 융합형 3D printing 대형 사업의 조기 실시와 수요 산업과의 연계 기술 개발, 그리고 사업화 아이템 검증을 위한 Testbed 사업 추진 등 연구 인프라 투자가 시급히 필요 3D printing 제조혁명에 대비해 온 선진국들의 치열한 개발 경쟁과 정부 지원 정책에 비교하여, 한국의 경우 체계적 대응 전략이나 확대 방안이 미흡하였고, 선진국의 지속적인 연구개발 투자에 비해 국내 3D printing 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이 전무 3D Printing 기술을 현실화하기 위해서는 IT 기술과의 융합기술이 요구되며, 재료, 기계, 전자부품, 전기, 화학 및 바이오 연구 분야의 융합기술이 집결된 3D Printing R&BD 인프라 구축과 이를 활용한 다양한 Testbed 사업을 통해 소재, 프로세스, 아이디어의 검증 및 사업화 기회 제공 필요 금속 산업은 적합한 3D printing 소재와 공정의 동시개발을 통해 소재 공급을 통한 가치 사슬 Lock-in이 필요 금속 기반 AM분야는 개발 초기 단계로 기술융합과 수요산업 연계 R&BD 전략 실행 시 향후 시장 주도권을 확보할 수 있을 것으로 판단됨
    • 한국산업기술평가관리원58 PD ISSUE REPORT JUNE 2013 VOL 13-6 한국산업기술평가관리원58 KEIT PD Issue Report [참고문헌] 1. 크리스 앤더슨 [Makers: The New Industrial Revolution] 2. Technology Review, ‘Micro 3-D Printer Creates Tiny Structures in Seconds’(2013.3.5) 3. BBC, ‘Artificial blood vessels created on a 3D printer(2011.9.16) 4. 웹사이트, http://www.explainingthefuture.com/bioprinting.html 5. CNN, ‘Researchers aim to ‘print’ human skin’ (2011.2.19) 6. Tested, ‘Warhammer at War: How Home 3D Printers Are Disrupting Miniature Gaming’(2013.1.14) 7. ICT와 3D 프린팅에 의한 제3차 산업혁명(Issue Crunch, KT. 2012.10.26) 8. LGBI weeklyfocus (LG 경제연구원, 2013.4.15) 9. Roadmap for Additive Manufacturing - Identifying the future of freeform processing (2009, USA) 10. Additive Manufacturing - Technology roadmap for Australia (2009, Australia) 11. ‘스트라타시스가 선도하는 3D 프린팅 세계’ 12. 삼성경제연구원 Korea economic Trends weekly Insight(2013.05)