1. 서론
1-1. 3D 프린터 개요
다양한 산업 분야에서 활용되고 있는 3D 프린터는 지난 1984년에 출원된 3D 프린팅 주요 원천 기술에 관련된 특허들이 2014년 2월부터 만료됨에 따라 수많은 기업들이 해당 기술을 응용한 다양한 제품을 선보이고 있다.
특히 미국의 <타임지>는 역사상 최고의 발명품에 3D 프린터를 포함시켰으며, 영국의 시사주간지 <이코 노미스트지>는 3D 프린터가 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 것으로 예상했다.
산업계와 학계 역시 3D 프린터의 잠재력을 높게 평가했다. ‘세계 미래 학회’는 3D 프린터가 향후 생산 혁명의 계기가 될 것이라는 전망을 내놓았으며, 세계경제포럼(WEF)은 미래 10대 기술을 발표하면서 3D 프린터를 두 번째 순위에 올려놓았다.
1-2. 3D 프린터 활용분야
기술의 급격한 발전에 힘입어 3D 프린터는 기존의 3차원 모델을 단순 출력하는 것에서 벗어나 최근에는 산업기계, 항공기, 우주산업, 의복, 음식 등 다양한 분야에 걸쳐 출력물을 응용하고 있는 추세를 보여준다.
특히 건축 분야에서는 지난 2014년 세계 최초로 3D 프린팅 기술을 적용해 주택 모듈을 출력한 뒤 현장 에서 조립하는 방식으로 가로 10m, 세로 40m, 높이 6m의 주택 10가구를 하루 만에 제작하는 놀라운 성과를 보이기도 했다.
의료 분야에서는 3D 프린터 도입 초기에는 보청기, 틀니, 의족, 의수 등 개인맞춤형 의료 보형물 주로 출력하는데 활용했으나, 현재는 살아있는 세포를 쌓아 장기를 만드는 ‘*3D 바이오 프린팅’까지 기술이 발전했다. 실제로 우리나라 서울성모병원에서는 2013년 선천성 희귀안면기형 환자의 코 수술에 3D 프린팅 기술로 치료 보형물을 출력해 성공적으로 수술을 마친 바 있다.
*3D 바이오 프린팅 : 3D 프린팅 기술을 활용해 각막·간·피부·혈관·심장 등을 만들어 이식하는 첨단 의료 기술이다.
1-3. 3D 프린터 관련 특허
3D 프린터와 관련된 기술특허 중 미국의 출원 비율은 59%로, 전체 특허의 절반 이상을 차지하고 있다. 우리나라는 2005년 이후 출원 비율이 꾸준히 증가하고 있으나 상대적으로 실적이 매우 부족한 상황이다.
앞서 언급한 대로, 지난 2014년을 기준으로 3D 프린터 기술의 핵심 원천 특허들이 만료되면서 관련 소재의 가격 하락함에 따라 시장은 더욱 넓어지고 활성화되고 있다. 이에 미국과 독일 등 전통 장비 제조업체 이외에도 각국 후발 업체들 또한 연구개발과 특허 기술 확보에 열을 올리고 있는 실정이다.
현재 3D 프린터 시장은 미국의 스트라타시스(Stratasys)와 3D 시스템즈(3D Systems) 등 두 기업이 세계 시장의 70%를 점유하고 있다. 이중 스트라타시스가 보유한 압출 적층 방식(FDM : Fused Deposition Modeling)의 특허가 2009년 만료되면서 FDM 방식의 오픈 소스 프로젝트가 증가하여 저가 3D 프린터의 출현으로 시장이 확대되기 시작했다.
또한 3D 시스템즈가 보유한 선택적 레이저 소결 조형 방식(SLS: Selective Laser Sintering)의 주요 핵심 특허 역시 2014년 만료됨에 따라 미국, 독일 등 주요 장비 제조기업 이외에도 후발 주자들의 연구개발이 매우 활성화됐다. 다만 기업의 입장에서는 3D 프린터 관련 핵심 특허가 만료됐다고 하더라도 관련한 후속 특허가 있음을 주의해야만 한다.
2. 현재 표준 트렌드 현황
2-1. R&D 관련 표준동향
국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization)의 기술분과 TC261과 미국 실험 재료 협회(ASTM, American society for testing and materials)의 기술분과 F42에서 3D 프린터와 관련된 규격을 주관하고 있다.
또한 한국산업표준규격(KS, Korea Korean Industrial Standards)에서는 지난 2018년 「적층 제조 - 일반원칙 - 제3부: 주요 특성 및 시험방법(KS D ISO17296-3)」이 제정되었고 3D 프린터와 관련된 다수의 규격이 2021년을 기준으로 제정 완료됐다. 3D 프린터와 관련된 KS는 다음과 같다.
3. 3D 프린터 육성 지원 현황
과학기술정보통신부는 지난 2019년도부터 ‘3차원(3D) 프린팅 산업 진흥 시행계획’을 수립해 3D 프린팅 산업 진흥을 목적으로 593억 원의 예산을 투입했다. 또한 3D 프린팅 혁신성장 거점으로 ‘3D 프린팅 이노베이션 센터’를 조성하고 소상공인을 대상으로 ▲3D 프린팅 기술 융합제품 개발 지원 ▲생활 혁신및 산업 고도화 지원을 위한 R&D 사업 추진 ▲3D 프린터 구매기업에 대한 세제 지원 ▲규제 완화 ▲온 라인 안전교육 실시 등의 사업을 추진해왔다.
지난 2020년도에는 공모를 통해 선정되는 컨소시엄에 자동차·항공·전자·발전·조선·철도·방산·우주· 플랜트 등 다양한 분야의 고부가가치 부품과 생산설비(금형, 지그 등)에 대한 3D 프린팅 공정개발(시제품 → 양산)을 위해 3년간 총 28억 5000만 원의 사업비를 지원하기도 했다.
과학기술정보통신부는 연구용 시제품 제작 위주로 활용 중인 국내 3D 프린팅 기술을 제조산업으로 확산해 핵심부품 생산 공정 기술을 확보하겠다는 목표를 밝혔다 실제로 부품·장비 경쟁력 강화를 추진하고 방위산업·우주·자동차 분야 핵심부품에 대한 3D 프린터 생산 공정을 개발 중이며, 강도·정밀도를 갖는 제품개발이 진행되고 있다.
2021년 과기정통부, 산업부, 중기부, 국토부, 고용부, 기재부, 국방부, 식약처 등은 공동으로 3D 프린팅 기술 융합을 통한 제조산업 디지털전환 가속화’를 위해, 국내 제조산업의 경쟁력 강화를 목적으로, 3D 프린터를 활용한 양산공정 개발을 지원하는 「3D 프린팅 제조혁신 실증 지원 사업」을 추진했다.
이어 2022년에는 3D 프린팅 산업 진흥 시행계획에서 ‘3D 프린팅 글로벌 5대 강국 도약’이라는 비전을 구현하기 위해 추진할 3대 추진전략과 10대 정책과제를 구성해 현재 적극적인 지원이 이어지고 있다.
4. FDM 방식 대형 3D 프린터 개발 기술
① 프린터의 작동방식
3D 프린터는 ▲빌드플레이트(Build Plate)가 Y축, 익스트루더가 X축과 Z축으로 움직이는 구조 ▲ 빌드플레이트가 Z축, 익스트루더(Extruder)가 X축과 Y축으로 움직이는 구조 ▲빌드플레이트는 고정되고 익스트루더가 X, Y, 및 Z축으로 움직이는 구조 등이 있다.
대체적으로 부피가 큰 형상을 출력하는 대형 3D 프린터는 이중 움직임이 없는 빌드플레이트가 고정된 구조가 적합하다고 할 수 있다.
② 프린터의 내구성
시중의 3D 프린터는 짧게는 3~4시간 이상, 길게는 10시간을 출력해야하는 경우도 흔하다. 특히 대형의 출력물은 1주일(168시간)에서 10일(240시간) 이상 연속 출력하기도 한다. 따라서 프린터의 기구부, 제어부의 빌드플레이트의 레벨링(Leveling) 유지와 각 부품의 열에 대한 내구성과 안정적인 반복정밀도가 요구된다.
③ 내부 출력 온도 유지
3D 프린터를 학교나 메이커스페이스 등에서 접하게 되면 FDM 방식의 3D 프린터에 PLA 필라멘트 소재를 사용하는 것이 일반적이다. 특히 산업체에서는 PLA보다 상대적으로 취성에 강한 ABS를 사용하지만, ABS는 출력 중에 빌드플레이트와 떨어지거나 휨이 발생하거나 갈라짐이 발생하는 등 출력에 많은 어려움을 겪게 된다. 이는 출력이 완료된 층(Layer)은 냉각 완료되고, 출력이 진행되는 층 (Layer)은 200℃ 이상의 온도 차로 수축력과 팽창력 때문에 발생하게 되는 경우가 대부분이다(ABS 가 후처리 가공에서도 수월 함).
이를 해결하기 위한 간단한 방법으로 챔버를 추가하고 출력이 완료될 때까지 70~80℃ 이상의 실내 온도를 유지하는 방법이다. 대표적으로 3D 프린팅 과정에서 발생하는 유해 물질을 필터링해 외부로 배기하는 방법이 적용되지만, 일정 온도로 유지된 내부 공기를 외부로 배기하면 외부 공기가 유입되 면서 챔버 내의 온도를 일정하게 유지하는데 어려움이 발생하게 된다. 때문에 챔버 내부 공기의 유해 물질을 헤파필터로 필터링하고, 카본필터로 냄새를 걸러낸 후 이를 다시 공급하는 ‘내부 순환형’을 적용한다. 미국의 제품 안전 시험 실시 및 인증기관인 UL(Underwriters Laboratories)에서는 3D 프린터의 가공 중 방출하는 미세입자와 휘발성 유기화합물의 허용기준을 다음과 같이 제시하고 있다.
④ 출력 소재의 안정적인 공급
장시간 출력을 필요로하는 대형 출력은 무엇보다 소재의 공급을 철저하게 점검해야만 한다. 레진이나 필릿 형태 이외에도 PLA, ABS 등의 필라멘트를 사용하는 고가의 3D 프린터도 ▲필라멘트의 잔여량과 추가 소요량을 계산해 알려주는 방식 ▲센서가 필라멘트가 소진되면 출력을 중지하고 안전 영역 에서 대기하는 방식 ▲출력용 2개 및 서포트(Support)용 2개를 장착해 이 중 한 개가 소진돼 교체하는 중에도 출력이 가능하도록 하는 형태 등이 있다.
⑤ 대형 출력물의 탈착 과정
대형 출력물은 빌드플레이트와 접촉 면적이 넓어 출력이 완료된 이후 탈착 과정에서 무리한 힘이 가해져 변형을 발생할 수 있다.
⑥ KC 인증
우리나라는 지난 2021년부터 전기 설비 규정이 국제전기표준회의(IEC)의 규정을 바탕으로 개정된 한국 전기 설비 규정(KEC, Korea Electro Code)이 도입됐다. 특히 3D 프린터가 우리나라의 전기· 전자 제품에 대한 안전 요구사항을 준수하고 있음을 의미하는 KC 인증을 위해 국립전파연구원의 전파시험인증센터에서 주파수 허용 편차, 공중선전력, 전파형식, 전자파적합성 등의 기술기준에 관련된 사항과 그 요건이 적합성 여부의 시험 및 심사를 위해 해당 기준에 부합되도록 설계·제작됐다.
다음은 개발된 FDM 방식의 대형 3D 프린터와 그 출력물 그리고 후처리한 제품에 대한 이미지이다.
