3D 프린팅은 4차 산업혁명을 견인할 주요 성장 동력 중 하나로 각광을 받아왔다. 그 이유는 “4차 산업혁명의 핵심은 디지털, 물리적, 생물학적 경계가 없어지면서 기술이 융합되는 것”이라고 한 클라우드 슈밥 세계경제포럼 회장의 말을 가장 잘 구현할 수 있기 때문이다.

지식산업정보원에 따르면 3D 프린팅이 해외에서는 다양한 산업 분야에 적용되고 있다. 분야별 성장률(CAGR)을 보면 의료가 18.20%로 가장 높고 항공 15.90%, 소비재 15.30%, 자동차 14.00%, 국방 12.70%, 기계 10.70%, 교육연구 8.75% 순으로 나타났다.

그렇다면 3D 프린팅 기술이 국내 소재·부품·장비 등 제조 분야에도 혁신을 가져올 수 있을까. 국내 사례들을 통해 그 가능성을 조망해 보는 자리가 마련됐다. 지난달 31일 송도 센트럴파크 호텔에서 ‘3D 적층 제조 기술 기반 소재·부품·장비 제조 혁신 세미나’가 인천산학융합원 주최로 열렸다.

항공 등 3D 프린팅 국내 기술 적용 사례 소개

이날 세미나에서는 항공우주, 자동차, 의료, 발전, 군수 등 다양한 분야의 현장 전문가들이 국내의 3D 프린팅 기술 적용 사례들을 소개했다.

최근 가장 많은 시장 규모 확대가 기대되는 분야는 바로 항공 우주 분야다. 복잡한 형상의 구성품을 단일품으로 공정을 개선하여 비용을 절감할 뿐 아니라 경량화까지를 기대할 수 있다. 또한 성능과 효율까지 높일 수 있다는 평가 때문이다.

국내에선 한국항공우주연구원(항우연)이 3D 프린팅으로 무인항공기용 초소형 가스터빈엔진을 개발했다.

이동호 항우연 박사는 “경량화 설계를 통해 30% 무게를 감량하고, 연소기 부품을 15개에서 1개로 줄였다. 이를 통해 연소효율을 6% 올려 99%로 높였다”고 설명했다.

항우연은 올해 금속 3D 프린팅을 활용한 우주용 부품 시험 개발을 시작으로 2028년까지 항공 발사체와 우주용 핵심 부품 개발을 완료할 계획이다.

이에 대해 이동호 박사는 “항공우주산업 분야에서 3D 프린팅 기술은 기존 시스템과 부품의 성능을 개선하는데 매우 효과적인 수단이기 때문에 계속해서 시장이 성장할 것”이라고 전망했다.

하지만 국내 기술 확보와 산업을 확대하기 위해서는 전주기적이며 지속적인 R&D 전략이 필요하다고 이 박사는 강조했다.

3D 프린팅, 의료분야는 이미 시장 진입에 성공

3D 프린팅 기술이 이미 시장 진입에 성공한 분야는 바로 의료 부품이다.

김건희 한국생산기술연구원(생기원) 박사는 “개인 맞춤형 제품 제조가 가능하고, 시간이나 비용 절감 효과라는 장점이 있는 반면에 대량 생산에 부적합하다는 단점이 있다”고 지적했다.

특히 김 박사는 “인체에 3D 프린팅으로 제조된 인공 뼈를 넣을 경우, 자연 뼈와 인공 뼈의 물성 차이가 있기 때문에 자연 뼈보다 상대적으로 단단한 인공 뼈에 힘이 더 가해지고 나중에는 자연 뼈가 퇴화되기도 한다. 따라서 인체 뼈의 친화성을 확보하기 위한 3D 프린팅 특화 설계가 필요하다”고 덧붙였다.

국내에서는 2016년 이미 순수 티타늄 소재로 만든 인공 두개골 임플란트를 두개골이 함몰된 환자의 재건 치료에 사용하는데 성공했고, 지난해에는 순수 티타늄 소재의 인공 흉곽을 만들어 환자의 가슴뼈에 이식하는 수술을 성공했다.

장비와 공정, SW 등 통합 기술 개발 필요

이뿐만 아니라 국내 국방 분야에서도 3D 프린팅 응용 사례가 많다.

손용 생기원 박사는 “우리나라 무기체계의 수명이 30~50년으로 1000여 종에 달하는 부품들이 노후, 단종되거나 시간과 비용을 들여 해외에서 조달해야 하는 어려움이 있기 때문에 3D 프린터 부품의 수요가 높아지고 있다”고 설명했다.

플라스틱 부품의 경우는 활용 평균 가격이 25% 낮아졌고, 제작 기간도 60% 줄어드는 효과가 나타났다.

이 밖에도 패널 토론을 통해 3D 프린팅 기술로 제조 혁신을 이루려면 설계에서부터 후공정과 품질관리에 이르기까지 전 과정의 기술 확보가 필요하며 이를 위해서는 무엇보다 산학연 협업이 중요하다는 데 의견을 모았다.