[칼럼] 4차 산업혁명이 시작된 이후, 하드웨어 기술과 기존의 서비스가 결합해서 새로운 비즈니스를 창출해왔죠. 그 흐름 속에서 거대 테크 기업들이 등장했고요. 하지만 무형의 서비스의 기반이 되는 물리적인 실체는 여전히 중요한 것 같아요. 그런 의미에서, 오늘은 '3D프린팅'을 가지고 제조업의 미래에 대한 이야기를 해보려고 합니다.
Made In America와 스마트팩토리, 제조업의 패러다임이 바뀐다
다섯 줄 요약!
제조업의 변화가 온다
3D 프린팅, 기술적으로 뭐가 새롭죠?
스마트 팩토리, 제조업 패러다임이 바뀐다
그런데, 왜 지금 3D 프린팅이죠?
Made In America, 진짜 가능합니까?
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3D 프린팅, 제조업의 변화가 온다
3D 프린팅’이라고 하면, 뭐가 떠오르시나요? 몇몇 분들은 플라스틱으로 프린트하는 모형을 떠올리실 것 같아요. 가장 익숙한 3D 프린팅 종류는 보통 플라스틱 필라멘트를 녹여서 모양을 성형하는 형태죠.
가장 먼저 떠오르는 3D 프린팅의 이미지는 아마도 이런?
요새 학교의 ‘만들기’ 과제 (초등학교 숙제라 함은 자고로 색종이 접기 같은 것이 아니었나…)
‘3D 프린팅’은 3차원 디지털 디자인 데이터를 이용해서 제품을 설계하고, 이 설계에 맞춰서 소재를 겹겹이 3차원적으로 쌓아올려서 제조하는 기술입니다. 제조업에 접목하게 되면, 재료를 겹겹이 쌓아서 만든다는 의미에서 ‘적층제조(Additive Manufacturing)’라고 부르죠. 3차원의 형태를 직접 만들어낸다에 집중하시면, 이해하시는데 더 도움이 될 것 같아요.
3D 프린팅은 최종 제품 뿐만 아니라, 원자재, 부품을 생산한다는 점에서 유용성이 큽니다. 특히, 3D 프린팅은 소규모 맞춤형 제품을, 필요할 때 빠르게 만들고, 원재료의 낭비를 줄이고자 할 때 유용한데요. 말하자면, 3D 프린팅이 비용의 측면에서 효율적으로, 다품종 소량 생산하는 걸 가능하게 한다고 할 수 있습니다.
3D 프린팅, 기술적으로 뭐가 새롭죠?
기존의 제조 과정을 살펴보시면, 3D 프린팅의 잠재성을 이해하기 좋을 것 같아요.
전통적인 제조업 생산방식은 단순하게 표현하면, 깎아서 만들거나, 틀에 찍어서 만드는 겁니다. 일단 3D 프린팅과 가장 대비되는 생산 방식은 깎아서 만드는 거죠. ‘절삭 가공(Subtractive Manufacturing)’이라고 부는데요, 원재료를 깎아서 제품을 제조하는 방식입니다. 하나를 만드는데 걸리는 시간이 긴 편이고, 한 번 깎으면 끝이기 때문에 미세한 조정 같은게 어려운 편이죠.
절삭가공 vs. 3D프린팅(적층제조)
다른 방식은 찍어내는 겁니다. 금형이라고 하는 주조틀을 만들어서 틀 안에 재료를 붓고 틀 모양으로 굳힌 후에 마감 작업을 하는 방식이죠. 철, 구리, 황동, 알류미늄 합금 같은 재료로 금속제품을 만드는 건 ‘주물제작 또는 주조(casting)’라고 부르죠. 의료기기를 만드는 지인에게 들은 건데요, 새로 작업한 디자인이 실제 제품으로 어떻게 나오는지 확인하기 위해 실리콘으로 프로토타입(시제품)을 만드는데 가격이 생각했던 것 이상이더라고요. 왜 이렇게 비싸냐고 물어봤더니, 기존에 없던 제품이라 틀 자체를 새로 만들어야 하다보니 가격이 꽤 나온 거라고. 또 모양이 복잡할수록 생산 비용이 커지기 때문에, 만들기 좋은 형태과 사용하기 좋은 형태의 트레이드 오프를 고려해서 디자인을 한다고 하더라고요. 그러다보니 이렇게 틀로 찍어내는 경우엔, 제품 설계 과정에서 주조틀을 효과적으로 만드는 것도 중요하고, 생산한 제품이 설계했던 대로 나오는지, 제조 과정에서 불량이 얼마나 적게 나오는지가 중요해 집니다. 또 한 번 주조틀을 만들면 미세한 조정이 어렵다보니, 생산 과정에서 통제가 어려운 요소들이 있을 수 밖에 없습니다.
의료용 진단 키트와 키트를 찍어내는 틀
3D 프린팅이 주목 받았던 건, 이런 기존의 제조 방식의 약점을 보완하는 새로운 제조 방식이었기 때문입니다. 전통적인 제조 방식으로 제작이 어려운 복잡한 모양의 부품을 만드는게 가능하고요. 또 무게를 가볍게 한다거나, 부품을 따로따로 제작해서 연결하는게 아니라 일체화해서 제작하는 게 가능합니다. 예를 들어서, General Electric는 항공엔진에 들어가는 엔진노즐을 만드는데 3D 프린팅을 활용하는데요. 기존에 20개 정도의 부품을 용접해서 하나의 메인 부품으로 만들었다면, 3D 프린팅으로는 하나를 통으로 만들 수 있게 되니까 내구성은 5배 이상 좋아지는데 무게는 기존의 25% 정도를 줄일 수 있었다고 합니다.
여러 개의 부품으로 구성됐던 엔진노즐을 통으로 프린팅한 GE
또 다른 이점은 빠르고 유연한 생산이 가능하다는 겁니다. 기존의 제조업은 대규모의 설비 투자가 필수인 경우가 많잖아요. 부품마다 이걸 생산할 수 있는 설비가 필요하다보니 설비 투자의 규모가 큰 경우가 많은데, 3D 프린팅은 그럴 필요가 없죠. 그래서 필요한 추가 설비의 규모도 줄어들 수 있습니다. 또 기존에는, 수율이 제조업에서 중요한 KPI(Key Performance Indicator, 주요성과지표) 중 하나다보니, 결함이 없는 합격품을 얼마나 잘 만들어 내는지에서 제조 기업의 실력이 드러나는 게 있었죠. 하지만 찍어내는 방법에서 생겨나는 불량품의 비율이 3D 프린팅의 경우엔 현저히 낮기 때문에, 3D 프린팅이 적용될 경우 수율이 덜 중요해질 수 있습니다. 이렇게 제조 방식이 달라지면, 제조업 회사의 실력이 드러나는 경쟁력의 기준이 바뀔 수 있는 거죠.
3D 프린팅 공정 방식에서 제조업 패러다임의 변화
조금만 더 들어가볼까요? 대표적인 공정 방식을 보시고 나면, 3D 프린팅이 어떤 변화와 함께 나타날지, 이 산업이 얼마나 성장할 수 있을지 좀 더 생각해보기 좋으실 것 같아요.
일단, 3D 프린팅은 크게 세 단계로 이루어집니다. (1) 컴퓨터 그래픽으로 3차원 모델을 설계하는 단계, (2) 프린팅 할 원재료를 공급받는 단계, (3) 설계한 3차원 모델을 실제로 생산해내는 단계죠. 이걸 밸류체인으로 이해하셔도 무방할 것 같아요.
먼저, 3D 모델을 설계하는 단계는 소프트웨어 기반의 엔지니어링이 중심이 됩니다. 3D 프린팅은 설계 하는대로 제품이 나오는 거니까, 아무래도 설계에 공을 많이 들이게 되겠죠. 원재료를 공급받고, 3D 프린팅 설비를 구매해서 설치하는 단계가 있을 거고요. (이어지는 칼럼에서 3D 프린팅을 어디에 활용하는지를 살펴보려고 하는데요. 소재 얘기는 그 때 함께 다뤄 보고, 오늘은 굉장히 다양한 원재료가 활용되고 있고, 더 많은 소재가 개발 중이라는 것만 말씀 드려볼게요) 3D 프린팅의 원재료로는 잘 아시는 플라스틱이 많이 활용되는데요. 이 밖에도 ...