( 그림1 그래프)
가트너 그룹이 최근 발표한 연구보고서에서는 2015년 3D 프린터 출시대수가 217,000대에 이를 것이라고 제시한다. 전 세계 3D 프린터 출하대수가 2014년 108,151대에서 2015년에는 217,350대로 상승한 것으로 가트너 그룹의 최근 예측 보고서는 밝혔다. 또, 3D 프린터 출하량은 2015년부터 2018년 사이에 매해 두 배 이상씩 증가하여 230만 대에 이르게 될 것이라고 예측하였다.
2013년이 3D 프린터 산업에 있어서 변곡점이었다고 가트너 관계자는 말하면서, 3D 프린터에 있어서 출하량 측면의 성장률이 3D 프린터가 처음 발명된 지 30년만에 해마다 두 자리 수 이상을 본격적으로 보이게 된 계기라고 말하고 있다. 2015년에 드라마틱한 성장세가 나타나게 될 것으로 예상되고 있는 가운데, 2018년에 판매될 예상대수인 230만대는 일반 소비자, 기업계, 정부 조직 전반에 걸쳐서 시장 전반에서 나타나게 될 전체 판매량의 극히 작은 부분이 될 것이라고 관계자들은 말한다.
3D프린팅에는 고분자, 세라믹, 섬유, 고무, 금속 등 다양한 소재를 적용할 수 있지만, 이들 소재 중 현재 상업적으로 직접 부품 제조에 활용되고 있는 것은 고분자와 금속 소재로 볼 수 있다. 특히 금속은 실제 부품 제작, 의료용 임플란트, 금형 등에 직접적으로 활용될 수 있어 최근 금속 소재 3D프린팅 기술에 대한 관심이 급속히 높아지고 있다.
금속제품의 제조 방식
전통적으로 금속제품을 제조하는 방법은 금속 소재를 높은 온도로 가열하여 용융시켜 액체 상태의 금속을 몰드에 주입하여 응고시키는 주조 방식이 주로 사용된다. 사형, 금형, 세라믹 주형 등을 이용하여 자중에 의해 주입되는 중력주조, 정밀주조법이나 고압으로 몰드에 주입시키는 다이캐스팅법이 대표적이다. 그리고 잉곳이나 블록 형태의 소재를 단순히 기계가공하는 방법도 사용되며, 그 외에 압연, 압출, 프레스 등의 소성가공법으로 제조되고 있다.
3D프린팅 제조 방식 중 금속제품의 제조를 위해 적용되는 방법은 크게 두 가지 형태로 나눌 수 있다. Binder jetting 방식으로 모래를 이용하여 사형몰드를 제조하여 사형주조하거나, PMMA 수지를 이용하여 제품 패턴을 제작하여 정밀주조 공정에 적용된다. 이는 일반적인 주조법과 동일하게 금속 소재를 용융시켜 주입하는 단계를 거쳐야 한다.
반면 Powder Bed Fusion법(PBF)이나 Direct Energy Deposition법(DED)은 금속분말을 이용하여 바로 제품을 제조하는 방법으로 분말을 적층시키면서 레이저나 전자빔의 고출력 소스를 이용하여 순간적으로 용융시켜 금속분말을 서로 결합시키게 된다. PBF 방식은 표에 나타냈듯이 분말공급장치에서 일정한 면적을 가지는 분말 베드에 수십 ㎛의 분말층을 깔고 레이저 또는 전자빔을 설계도면에 따라 선택적으로 조사한 후 한층씩 용융시켜 쌓아 올라가는 방식이다.
메탈 3D프린터의 향후 시장 전망
3D프린터 시장은 크게 장비, 소재, 제품, 교육 및 소프트웨어 등의 서비스로 크게 나눌 수 있다. 전체적으로 그림 3에 나타낸 바와 같이 2020년쯤에는 현재 시장의 약 3배 정도 성장할 것으로 예상되고 있으며, 프린터 설비보다는 소재와 제품 시장이 성장 가능성이 더욱 높은 것을 알 수 있다.
2012년 전세계 메탈 프린터는 총 190대가 판매됐으며, 독일 ConceptLaser사의 경우 2014년에 111대를 판매하는 등 EOS, SLM와 같은 독일기업이 시장의 70% 이상을 차지하고 있다. 비공식적인 소식이지만 최근 이들 독일기업은 매년 2배 이상의 판매실적을 올리고 있으며, 따라서 금속분말의 시장도 확대되고 있는 것으로 파악되고 있다.
시장조사 기관인 Smartech Markets Publishing사에 따르면 그림 4와 같이 3D프린터용 금속분말 시장 규모를 올해 약 600톤 정도의 수요를 예상하고 있으며, 2019년 2,300톤, 2023년 4,800톤으로 현재의 약 8배 이상으로 증가할 것으로 보고 있다.
향후 경사기능 재료나 MMC 등 복합소재에 대한 기술 개발, 인쇄전자용 나노급 분말의 수요도 발생될 것으로 보이므로 소재 시장의 지속적인 확대가 예상된다. 메탈 3D프린팅 산업의 확대를 위해 금속 잉곳 가격의 20~30배 수준인 분말 소재의 가격을 낮출 필요가 있다. 그림 5에 나타낸 Roland Berger의 자료에 따르면 금속분말 소재 가격이 2023년쯤에는 2013년을 기준으로 1/3 정도로 떨어질 것으로 예상하고 있으며, 소재 가격의 하락이 메탈 3D프린팅 산업의 규모를 크게 확대시키는 데 기여할 것으로 전망하고 있다.
맺음말
현재 메탈 3D프린팅 기술은 전체 3D프린팅 산업에서 차지하는 비중은 아직 미미하지만, 플라스틱으로 대체할 수 없는 우수한 특성을 가지기 때문에 구조용 부품으로의 적용 가능성은 매우 높다. 금형 제조, 인공관절, 우주항공 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다.
그러나 아직까지 고가의 장비, 높은 소재 가격, 부족한 적층 속도 등으로 인해 적용 확대에 한계가 있으나, 이러한 점들은 기술 발전에 따라 차츰 해결될 것으로 예상된다. 기존의 전통적인 주조법을 점진적으로 대체해 갈 것으로 보이며, 아직 상당한 시간이 필요하지만 3차 산업혁명은 아니더라도 제조 공정의 혁신은 가져다줄 것으로 판단된다.