- 3D프린터 기술로 인한 제조업 혁신, 전 세계적으로 진행 -

- 일본에서는 프로세스의 변화 및 조정에 난항 -

- 정부 지원 등 다양한 도입 노력 시도 중 -

 

전 세계적으로 3D프린팅을 활용한 적층 조형 기술(Additive Manufacturing(AM))에 대한 관심이 뜨겁다. AM 기술로 복잡한 내부 구조를 가지는 부품 및 모듈 부품 등이 일체 조형으로 제작이 가능하며 이를 통해 부품, 조립공정, 금형의 관리 부담을 현격히 줄일 수 있다. 하지만 제조업 혁신의 본질은 제품의 개발, 생산의 프로세스를 간소화하고 모든 공정은 데이터화돼 네트워크화된 거점에서 분산 생산을 실현하여 사업의 구조 자체를 변화시키는 것에 있다.

 

일본의 제조업들은 디지털 트랜스포메이션이라는 시대적 사명 아래 현재 다양한 방면에서 디지털화를 진행하고 있다. 향후 미래 선진 제조업에서의 필수 기술로 손꼽히는 3D 제조 기술의 도입도 그중 하나인데, 실제 일본에서는 도입에 어려움을 겪고 있는 것으로 알려졌다. 일본의 현 주소와 함께 3D 프린터 도입을 위한 일본 정부의 지원 정책 등을 살펴보면 향후 일본의 제조업의 방향을 가늠해볼 수 있다.

 

3D프린터의 일본 시장 동향

 

3D 프린터의 세계시장 규모는 2016년 약 2700억 엔에서 2020년 8700억 엔으로 약 3배의 성장을 기록한 것으로 알려졌다. 3D 프린터 관련시장(장치, 소재, 소프트웨어 등)의 시장 규모는 2022년에는 230억 달러(약 2조5300억 엔)에 다다를 것으로 예상되고 있다.

 

세계 시장 속에서 일본은 2016년 약 3%(121억 엔)의 시장점유율을 기록했고 2022년에는 약 2%(190억 엔)을 기록할 것으로 예상돼 시장 확대에 뒤쳐질 것이라는 우려섞인 전망이다. 전 세계 시장 성장률이 20%에 다다를 것으로 예상되는 것에 비해 일본은 9%에 그칠 것으로 예상된다.

 

3D프린터의 전 세계 시장 동향

(단위: 백만 엔)

자료: 킨키 경제 산업국

 

이러한 시장 전망의 원인으로는 여전히 일본 제조업에서는 2차원 설계 도면이 주류를 이루고 있다는 점이 있다. 또한 제조 산업에서 고령화가 진행되고 젊은 기술 인력들이 수급되지 않아 기존의 제조 기술을 인지하면서 신기술을 받아들일 수 있는 중간 실무자가 줄어들고 있는 것도 원인으로 꼽히고 있다. 그러나 향후 3D프린터를 활용한 Additive Manufacturing(AM)이 제조업의 디지털 트랜스포메이션의 핵심 기술로 떠오르는 현 상황에서 일본 제조업들의 도입 움직임이 포착되고 있다.

 

특히 코로나 19 사태를 경험하면서 공급망 붕괴의 위험성을 체감한 기업들은 3D프린터의 중요성을 인지하기 시작했다. 부품 조달이 갑자기 어려워진 긴급사태에 대응하기 위해 3D 프린트를 통한 부품 제조 공급 성공 사례들이 일본에서도 보고되는 등 3D프린터에 대한 기업들의 수요가 점차 증가하면서 새로운 시장의 탄생을 기대하는 목소리도 높아지고 있다.

 

3D제조 기술 도입에 대한 난관

 

글로벌 시장에서 일어나고 있는 ‘제조업 혁신’으로 기존 제조 공법이 3D 프린터 기술로 변화함에 따라 1) 새로운 구조 설계에 의한 제품의 고부가가치화, 2) <일체형 조형>에 따라 부품·금형·재고의 소멸과 그로인한 제조 공법의 일원화(주조 금형의 설계, 제작 공정이 생략 가능해짐) 등을 통해 생산성의 획기적인 향상이 일어날 것으로 예상한다. 그리고 이러한 생산성 향상으로 인해 공급망의 재편화 및 효율화 흐름이 가속화되며 기업들의 생존에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 특히 기존의 제조 공법에 집중하고 있는 일본은 다른 후발 주자들과의 기술 경쟁이 격화될 위험성이 높은 상황이다.

 

현재의 디지털 제조업의 경쟁력은 제조 단계 중 제품 설계에서 나오고 해당 공정과 관련해 3D CAD에 의한 설계가 보급되고 있다. 글로벌 항공기, 자동차 산업 등 다양한 분야에서 3D 프린팅 기술을 도입하면서 3D CAD에 의한 제품의 고부가가치설계와 일체형 조형에 따른 효율화 등 제조업에서의 혁신이 가속화 될 것으로 예상된다.

 

기존 공법과 새로운 공법과의 프로세스 비교

자료: 킨키 경제 산업국

 

급격한 환경 변화에 신속하게 대응하는데 제품의 설계 및 개발의 리드 타임을 최대한 단축하는 것이 필수가 되고 있으나 일본 내 3D CAD의 활용률은 20%에 그치고 있어 보급과 활용이 늦어지고 있는 상황이다. 아직까지 2차원 CAD로 설계를 진행하고 있으며, 3D 설계를 데이터화 하고 있지 않은 기업이 전체의 40% 가량을 차지하고 있어 보급과 활용에 문제를 겪고 있다. 더욱이 협력기업에 설계를 지시하는 경우 절반 이상이 도면으로 진행되고 있어 설계 정보의 데이터화가 진행되고 있지 않고 있는 것으로 나타났다.

 

3D CAD의 보급률 및 설계 지시 방법

(단위: %)

자료: 킨키 경제 산업국

 

일본의 제조업 현장에서 3D 제조 기술이 도입되지 않고 있는 요인으로 3D 제조 과정은 3D를 위한 설계 및 조형이 필요하며 기존에 필요했던 금형이나 조립 등이 불필요해지는 등 종래의 제조 프로세스와 많은 부분에서 변화가 필요하다는 점이 지적되고 있다. 여전히 2D 기반 설계가 주를 이루고 있으며 현장에서의 회전력이 높은 제조 프로세스를 이미 구축한 상황이기 때문에 프로세스의 급격한 변화는 기업 입장에서는 리스크가 높은 상황이다.

 

더욱이 일본의 고령화 문제와 제조업의 인재 부족은 프로세스 변혁에 대응하기 어려운 현실적인 문제점을 보여주고 있다. 풍부한 기술자 풀이 존재하지 않기 때문에 현장의 적응력과 조정 능력이 떨어지고 기존 기술이나 프로세스에 대한 경험과 지식이 풍부한 기술자들이 적어 쉽사리 수정할 수 없는 상황이다. 더욱이 일본 제조업들의 디지털 트랜스포메이션의 진행이 더디게 이뤄지고 있는 부분도 기술 도입을 지연시키는 원인으로도 꼽히고 있다

 

그러나 3D 프린팅으로 인한 기존 프로세스의 변화가 서플라이 체인의 전면적인 개혁을 가져오고 있는 상황에서 일본 제조업에서도 지각 변동이 일어날 것으로 예상된다. 일본 기업들은 현재 3D 프린팅에 대해 부정적인 시각으로만 바라보기만 할 것인지 아니면 새로운 기술에의 도전을 진행할지 갈림길에 서 있는 상황이다.

 

이런 상황에 대해 <Kansai-3D 실용화 프로젝트>의 주요 담당자인 경제산업국 차세대 산업 정보 정책과의 타니가와 요시코 과장은 ‘3D 프린팅 기술을 활용한 제조업은 장비도 소재도 다양하며 최적의 조합을 찾아내기 위해서는 거액의 투자가 수반된다. 그리고 데이터를 모아 이를 활용해 시뮬레이션을 진행하고 이를 기반으로 실제 라인을 구축하는 모델 케이스를 만드는 것이 중요하다.’고 설명하면서 ‘모든 산업에서의 대체가 가능한 것은 아니기 때문에 고부가가치 제조업을 타깃으로 도입을 추진하는 것이 바람직하다’고 조언했다.

 

킨키 산업국의 <Kansai-3D 실용화 프로젝트>

 

글로벌 첨단 제조 분야에서 3D 프린터를 활용한 기술의 비약적인 혁신으로 양산화가 급속도로 진행됨에 따라 일본 정부에서도 제조 산업에 도입하는 것을 지원하는 다양한 방안을 마련하고 있다. 그중 가장 눈길을 끄는 것은 긴키 경제 산업국에서 진행하는 일본 최초의 ‘3D 프린트 제조업 혁신 거점화 구상’인 <Kansai-3D 실용화 프로젝트>이다.

 

<Kansai-3D 실용화 프로젝트 로고>

  자료: 킨키 경제 산업국

 

해당 프로젝트는 2019년 1월 시작된 프로젝트로 기업의 3D프린트 기술을 활용한 과제 지원 및 첨단 기술 개발 지원을 위한 산·관·학의 광역 네트워크 구축을 목표로 한다. 이 프로젝트는 3D 프린터를 활용한 새로운 물건 만들기에 도전하는 <3D 제조업 보급 촉진위원회>와 연계하여 오사카를 거점으로 로봇, 기계, 의료기기 등 다양한 분야에서 ‘새로운 물건 만들기의 혁신 모델’을 창출하고 나아가 2025년 오사카 국제 박람회로 이어지는 미래기술 개발을 목표로 한다.

 

3D 적층조형에 따른 제조업 혁신 거점화 구상

자료: 킨키 경제 산업국

 

2021년 1월 기준 1년 동안의 활동을 통해 해당 프로젝트의 회원 가입 기업 수는 전국 400여 개사에 다다르며 다양한 기업들이 3D 프린트 기술을 활용한 실용화에 도전하고 있다. 그리고 이들 회원사 중에서 3D 프린트 실용화에 적극적으로 임하고 있는 38개사(대기업 5개사, 중소기업 33개사)를 모델 기업으로 선정하여 3D 제조 공정에 필요한 디자인·설계·3D 조형물의 평가까지의 전 과정을 3단계로 나누어 도입 검증을 지원하는 프로그램을 전개하고 있다. 여기에는 일본의 3D 프린터 업체들이 대부분 참여하고 있을 뿐만 아니라 소재 메이커나 CAD 소프트웨어들이 포함되어 있어 400개 이상의 회원 기업들의 3D 적층 기술을 활용한 제품 양산화를 뒷받침 하고 있다.

 

칸사이 3D 실용화 프로젝트 구조

자료: 킨키 경제 산업국

 

해당 프로젝트는 실증화 실험을 진행한 기업들의 성공 사례들을 공개하고 있다. 대표적인 사례를 살펴보면 우선 <마에자와 금형>은 후쿠이 현에서 안경용 프레임 수지 금형을 생산하고 있는 기업이다. 해당 기업은 실증 실업에서 폴리 아미드 수지 프레임 생산에 사용하기 위한 금형 제작에 3D 프린터 기술을 활용했다. 이를 위해 사내 생산시스템을 재구축하고 3D CAD 데이터를 클라우드화해 디자이너들과의 정보 공유에 임했다.

 

3D 금형 적층 조형에는 안경 프레임의 상황에 맞는 금형 온도를 조정하는 수도관 회선이나 가스 배출 기구를 배치해 온도 조절의 효과를 추가했다. 이 결과 기존과 동등한 밀도를 유지했지만 금형의 예열시간이 1/2로 줄어들어 10분으로 단축했고 냉각 시간도 단축돼 1회 90초에서 75초로 단축할 수 있었다. 그러나 비용적인 면에서는 금형의 조형이나 절삭, 관리 등에서 비용이 75% 정도 증가한 것으로 판명됐다. 장점과 단점 모두를 종합적으로 계산해보니 <금형 제작비 중가를 25%까지 맞출 수 있다면 성형 횟수 2000회 이상에서 3D 적층조형금형의 비용 증가를 회수할 수 있다> 라는 결론을 얻을 수 있었다.

 

이번 실증 실험을 진행한 마에자와 금형이 이노우에 공장장은 ‘이번 실험으로 인해 적층 조형의 금형 개발에 기술적인 대안의 한 가지로 볼 수 있었다’고 말하면서 시력 보정 안경 및 의료용 웨어러블 단말 등 고부가가치의 기능성 안경의 개발에 활용할 가능성을 확인했다고 전했다.

 

마에자와 금형이 금속 분말 적층으로 제작한 안경용 프레임의 수지 금형

자료: 킨키 경제 산업국

 

절삭 공정에서 AM 도입을 한 사례도 존재한다. 토치기현의 ‘Aero Edge’이다. 해당 기업은 내열 합금 등의 난삭재의 정밀가공을 진행하는 회사로 항공기 엔진 터빈 플레이트의 양산에 주력하고 있으며, 프랑스 사프란 에어크래프트 엔진스에 직접 계약을 통해 부품 공급을 진행하고 있는 회사다.

 

AeroEdge는 AM 도입을 검토 시 성능, 비용, 생산량, 리드타임 등 여러 조건과 현실성을 확인하면서 AM 기술만이 할수 있는 수요를 현장에서 확인하고자 했다. 그 결과 절삭 공정에 사용하는 가공설비의 유지 보수 작업에 활용되는 도구의 설계와 제작에 돌입했다. 5축 가공기의 샤프트에 O링을 장착 작업을 효율화 할 수 있는 스프링 구조 등을 갖춘 링 형의 지그(jig)*를 설계했다.

    주*: 지그: 기계가공에서 가공위치를 쉽고 정확하게 정하기 위한 보조용 기구

 

이를 위해 전문 3D 프린터를 보유한 협력 업체에 위탁해 수지나 금속의 시작품에서부터 설계 변동, 조형까지의 공정 사이클을 빠르게 진행했다. 이번 실험을 담당한 이모토 기술 전략 실장은 ‘지속 가능한 작업 환경 및 산업 안전 보건의 관점까지 포함하여 현장의 요구에 대응하며 제품 설계 및 DfAM(Design for Additive Manufacturing)의 경험을 축적해 나가겠다.’고 소감을 전했다.

 

AeroEdge의 스프링 구조를 갖춘 링모양의 지그

자료: 킨키 경제 산업국

 

아직까지 AM 또입 노력이 양산 공정에 적용할 수 있는 사례들이 많지는 않지만 실증 기업에 참여한 기업들은 설계에 있어서 큰 가능성과 최신 3D 프린터의 첨단 기술 수준을 직접적으로 실감할 수 있었다고 전했다. 비용 등 다양한 과제들도 이번 실험에서 밝혀져 새로운 기술 실용화를 위한 중요한 과제들도 확인할 수 있었다.

 

시사점

 

일본 제조업 현장에서는 3D 프린팅 기술의 매력을 널리 알리고 이를 활용할 수 있는 제반 환경의 정비가 시급한 것으로 분석되고 있다. 단순히 ‘3D 프린트를 활용하면 재미있는 물건을 만들 수 있다’라는 가벼운 문제가 아니라 3D 프린터를 활용해 만든 제품이 해외로부터 대량으로 유입될 경우 이에 대응할 수단이 있는 일본 기업이 많지 않다는 점이 일본 제조업의 현 상황이다.

 

3D 적층 기술은 ‘향후 중소 제조업이 설계 및 개발 등 상류 공정에 진출할 수 있는 기회를 가져다 줄 수 있는 기술’이라고 실증 사업에 참가한 AeroEdge사는 주장했다. 이를 통해 가까운 미래 일본 제조업이 빠르게 변화할 것으로 예상된다. 그리고 이러한 변화의 시점을 놓친다면 일본 제조업이 세계 경쟁에서 도태될 수도 있다는 위기 의식이 점점 확산되는 분위기다.

 

3D 프린트를 활용한 다양한 변화는 공급망의 변화와 함께 새로운 시장을 형성해 나갈 것으로 보인다. 3~4년 전 일본에선는 AM 시장이 전무했으나 현재는 어느정도 시장이 형성 중인 태동기에 해당하는 것으로 파악된다. AM 기술에는 설계에서부터 소재까지 다양한 수요가 파생되고 있는 만큼 우리 기업들이 새로운 비즈니스 기회를 엿볼 수 있는 시장으로 보인다. 또한 우리도 제조업의 변화 흐름 속에 어느 위치에 있는지에 대한 명확한 판단과 적극적인 정부 지원이 필요할 것으로 판단된다.

 

자료: 킨키경제 산업국, IDC JAPAN, 일본 공업신문 등 KOTRA 오사카 무역관 자료 종합