[산업포커스] 2017 차량용 3D프린팅 기술 동향 KEIT PD 이슈리포트 2017-9호 최윤지 기자입력2017-11-29 16:31:45

 

3D프린팅은 2013년 초 미국의 오바마 대통령이 “거의 모든 것의 생산방식을 바꿀 잠재력을 가진 기술”이라고 언급하며 세계적인 이슈가 돼, 제조혁신 기술로 인식되기 시작했다. 그러나 독일, 미국을 포함한 제조 강국의 3D프린팅 기술 개발 및 적용에도 불구하고 국내의 기술보급 및 적용현황은 미미한 수준을 보이고 있다. 이에 본지는 자동차 분야에서의 3D프린팅 활용사례 및 기술동향을 분석하고 향후 차량용 3D프린팅 보급 활성화를 모색하기 위해 작성된 ‘2017 차량용 3D프린팅 기술 동향’ 보고서를 살펴보고자 한다.

 

 

1. 3D프린팅 기술 개요

 

3D프린팅이란 적층가공(Additive Manufacturing, AM)이라고 불리며, 디지털 디자인 데이터를 활용해 소재를 적층하고, 물체를 3차원적으로 제조하는 프로세스를 의미한다. 3D프린팅은 입체의 재료를 기계가공을 통해 절단하거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념으로 공식적인 기술용어는 2009년 미국재료시험학회(ASTM)에서 정의한 적층가공으로 정의한다.


3D프린팅 공정은 디자인 S/W 또는 3D스캐너를 통해 설계된 3차원 디지털 도면을 얇은 단면(0.015~0.10㎜)으로 변환해 한 층씩 형상을 쌓아 입체물을 제작하는 방식이다.

 

 

그림 1. 3D프린팅 제작공정

 

 

3D프린팅 기술은 재료의 종류와 적층하는 방식에 따라 다양한 유형이 존재하며 적층방식에 따라 압출형, 광조형, 소결형, 고에너지형, 층층형 등으로 분류할 수 있다.

 

 

표 1. 3D프린팅 기술 분류

 

 

2. 3D프린팅 시장 현황 및 전망

 

3D프린팅 시장은 프린터 장비 및 소재 등의 제품시장과 프린팅 서비스 제공 등의 서비스 시장으로 구분된다.


미국 컨설팅기업 월러스 어소시에이츠(Wohlers Associates)에 따르면 장비, 소재 및 관련 서비스를 포함한 3D프린팅 산업의 시장 규모는 '14년 40억 달러, '15년 51억 달러 규모에서 연평균 31.3%로 급격하게 성장해 '19년에는 약 158억 달러에 달할 것으로 예측된다.
조사 결과에 따르면, 기계·항공분야에 강점을 지닌 미국이 세계 시장 점유율 1위(38%)로 나타났고 한국은 8위(4%)를 기록했다.

 

 

그림 2. 3D프린팅 시장규모 및 점유율

 

 

현재 3D프린팅은 미국 시장이 중심으로, 세계 상위 8개 업체 중 5개 업체가 미국 기업으로 조사됐다. 특히, ‘3D 시스템즈(3D Systems)’와 ‘스트라타시스(Stratasys)’는 최근 제품군을 다양화하고 시장 지배력을 확고히 하기 위해 공격적인 인수·합병(M&A)을 활발하게 진행하고 있다. 3D프린팅 장비·소재·SW기술, 컨설팅, 디자인 콘텐츠 및 중개서비스를 제공하기 위해 최근 6년간('11~'16) 3D 시스템즈는 28개 社, 스트라타시스는 6개 社를 인수·합병했다.


국내 시장은 '14년 1,815억 원에서 '15년 2,230억 원으로 증가했고, '19년까지 5,082억 원 규모로 성장(CAGR 22.9%)할 것으로 전망됐다. 국내 시장은 활용 수요 부족 및 시장 미성숙이 예측돼 세계 시장 성장(CAGR 31%)보다 낮은 전망치를 기록했다.


제품시장은 3D프린팅이 제조분야 등 산업에 적용되기 시작하면서 산업용 장비의 비중이 확대되고 있으며, 서비스 시장의 경우 부품제작 및 출력 대행 서비스 등이 성장을 주도하고 있다.

 

 

3. 차량용 3D프린팅 적용 사례

 

최근 수년간 완성차 제조기업과 자동차 부품 제조기업에 의해 3D프린팅 기술을 자동차 산업에 적용하려는 노력이 지속되고 있으며, 현재는 주로 플라스틱 부품의 프로토타입 제조에 활용되고 있다.


3D프린팅 기술 활용이 활발한 국가에서는 전기자동차 차체 프린팅, 금속 부품 프린팅, 디자인응용 개발 등 자동차 산업 전반에 3D프린팅 기술을 응용해 다품종·소량생산·원가절감 등 기술 고도화를 이루고 있다.


독일의 메르세데스 벤츠(Mercedes-Benz)는 2016년 9월, 업계 최초로 동사의 트럭용 예비부품 중 금속 재질의 알루미늄 실리콘 파우더를 원료로 한 서모스탯 커버(Thermostat Cover) 품목 제조에 금속 3D프린팅 기술을 적용했다.

 

그림 3. 3D프린팅 Thermostat Cover, Mercedes-Benz

 

 

일본의 주요 완성차 제조기업인 혼다(Honda Motor)는 지난 2016년 동경 전자 정보 통신전(Combined Exhibition of Advanced Technologies, CEATEC)에서 처음으로 3D프린터를 활용해 제조한 전기자동차 콘셉트 카를 공개했다.

 

그림 4. 3D프린팅 혼다자동차, Micro Commuter

 

 

미국의 로컬 모터스(Local Motors)는 세계 최초로 3D프린터를 통해 제조한 자동차 출시에 성공했다. 2014년 3D프린팅 전기차 ‘스트라티(Strati)’를 시작으로 2015년 고속도로 주행이 불가능한 스트라티의 단점을 보완해 속도를 높인 3D프린팅 전기차 ‘스윔(Swim)’을 출시했으며, 2016년에는 3D프린터로 만든 12인승 전기차 버스 ‘올리(Olli)’를 출시했다. 이 차량은 미국 라스베이거스와 플로리다, 워싱턴 DC 일부 구간에 실제 투입돼 운영 중이다.


그림 5. Local Motors의 3D프린팅 자동차

왼쪽부터 차례로 스트라티(Strati), 스윔(Swim), 올리(Olli)

 

 

미국의 다이버전트 마이크로팩토리스(Divergent Microfactories)는 자동차 제조공정에서 발생하는 환경오염과 막대한 비용 문제의 심각성을 인식해 3D프린팅을 공정에 접목해 생산부터 사용까지 친환경 자동차 제작에 활용했다.


3D프린터로 ‘노드(Node)’라 불리는 알루미늄 커넥터 69개를 인쇄해, 고강도 탄소섬유 튜브들을 연결하는 방식으로 슈퍼카 블레이드(Blade)의 차체를 제작했다. 이렇게 만들어진 차체 프레임 중량은 일반 전기차의 10~20% 수준인 45㎏밖에 되지 않았으며, 동사는 3D프린터를 통해 원자재 등 차량생산에 투입되는 비용을 대폭 절감할 수 있었다.

 

그림 6. 3D프린팅 공정으로 제작된 슈퍼카, Divergent Blade

 

 

영국의 델타 모터스포츠(Delta Motorsport)는 3D프린팅 기술을 활용한 전기차용 마이크로 터빈(Micro Turbine)을 개발했다.


2005년 설립된 델타 모터스포츠는 실버스톤 서킷용, 모터 스포츠용, 해상 및 군사 분야용 자동차의 초기 콘셉트부터 소량생산에 이르는 엔지니어링 서비스 선도 기업으로, 소량 제조공정에 3D프린팅 기술(Direct Metal Laser Sintering, DMLS)을 적용해 개발 기간 단축 및 제조비용 절감의 효과를 얻을 수 있었다.

 

그림 7. 3D프린팅 기술로 전기차용 마이크로터빈 개발

 

 

국내의 현대모비스는 디자인 확인, 기류평가와 기능성 테스트 등을 위해 3D프린팅 기술(Fused Deposition Modeling, FDM)을 활용해 부품 개발공정에 도입했다. 운전석 모듈, 계기판, 에어 덕트, 기어 프레임 바디, 프런트 엔드 모듈, 안전장치 바 어셈블리 등을 3D프린팅으로 제작해 기존보다 비용과 시간에서 80%를 절감했다.

 

그림 8. 3D프린팅 적용 대시보드 디자인 개발

 

 

4. 차량용 3D프린팅 기술개발 동향

 

3D프린팅에는 고분자, 세라믹, 고무, 금속 등 다양한 소재를 적용할 수 있지만, 현재 산업적으로 자동차 부품 제조에 활용되고 있는 것은 고분자 및 금속 소재로 볼 수 있다. 고분자 소재는 플라스틱 시제품 제작, 개인 맞춤형 제품 등 다양한 분야에서 활용도가 높아 가장 많이 사용되고 있으나, 소재 특성상 강도가 낮아 실제 자동차 구조용 부품에 사용하기에는 어려움이 있다.

 

그림 9. 3D프린팅 기술적용이 가능한 금속 부품

 

이에, 금속 부품을 3D프린팅으로 제작된 부품으로 대체하는 기술개발에 관심이 커지고 있으며, ASTM에서 분류하는 제조기술 중에서 3D프린팅 기술은 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Direct Energy Deposition), BJ(Binder Jetting), SL(Sheet Lamination) 등의 기술개발에 초점을 두고 있다.


금속분말을 사용해 직접 부품을 3D프린트하는 DED 방식이나 PBF 방식의 경우 현재 타이타늄(티타늄), Co-Cr강 등의 소재에 한정된 기술, 고가의 재료비, 설계 문제 등으로 산업 분야 적용에 난항을 겪고 있으나, 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 장비·소재 제조사에서는 연구개발을 활발히 진행하고 있다.

 

표 2. PBF 및 DED 방식의 기술개요

 

 

자동차 부품 산업에서는 금속 부품 제조를 위해 주조기술과 융합할 수 있는 사형주조(Sand Casting)용 주형 3D프린터를 선호하고 있으며 제조기술로는 BJ 방식을 활용하고 있다. 사형주조용 주형 3D프린터의 경우 SAND 기반 Bed에 접착제를 고압으로 도포해 0.3㎜ 이하의 두께로 적층하는 방식으로 기존 사형주조에 재료 및 공법과 유사한 물성과 특성으로 주조산업에서 주목받고 있다.

 

그림 10. 사형주조용 주형 3D프린팅을 활용한 금속 부품 제조

 

 

이처럼 금속 부품 제조를 위한 직·간접적인 3D프린팅 기술개발은 활발히 개발되고 있으나, 국내의 경우 3D프린팅을 제조공정에 도입해 활용 중인 선진국과는 달리 자동차 산업에서 3D프린팅 기술 활용이 미흡한 실정이다.

 

 

5. 기대효과

 

자동차 산업에서 3D프린팅 기술을 이용하면 과거 전통 제조방식 아래에서는 불가능했던 중공 구조(Hollow Structure)를 이용한 와이어링(Wiring)이나, 격자구조(Lattice Structure)를 이용한 경량화 등 복잡한 기하 구조의 적용을 통해 기능성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상되며, 3D프린팅 기술은 미래 자동차 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.


또한, 3D프린팅 기술을 자동차 부품 제조 산업의 공정에 도입하게 되면 리드 타임을 줄일 수 있고, 필요한 만큼의 재료만 사용할 수 있어 원가절감 효과가 클 것으로 예상된다.


이외에도 3D프린팅 기술로 소재가 경량화돼 취급 비용을 줄일 수 있으며, 모델링한 자동차를 현장에서 즉시 만들어 볼 수 있어 개발검증 효과를 단축할 수 있다.


플라스틱 외에는 자동차 대부분이 강철·알루미늄과 같은 금속으로 이뤄진 만큼 금속 부품 제작용 3D프린팅 기술이 도입되면 자동차 부품 제조 산업에 3D프린터의 활용도가 증가할 것으로 전망되며, 소재의 다변화로 3D프린터에 적용 가능한 자동차 부품 범위가 확대되면 고열·고압 환경을 견딜 수 있어야 하는 파워트레인, 서스펜션까지 활용영역이 확장될 것으로 예상된다.

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