[인쇄계2016.09] 드루파(Drupa) Special Report-3D 프린팅

21세기에 접어들며 미래 가장 유력한 성장 산업분야로 꼽히고 있는 3D 인쇄산업은 지난 drupa 2016에서도 많은 이들의 시선을 집중시키며 새로운 인쇄산업 분야로 주목 받았다. HP를 비롯해 코닥, 캐논, 하이콘, 리코, 멤젯, 미마키, 매시빗 3D 프린팅 테크놀로지, 로랜드, 자르, 그리고 AV 플렉소로직 등 다양한 업체들이 저마다의 3D 인쇄 솔루션을 선보였으며, drupa 2016은 더 이상 시제품이 아닌 프로덕션 프린팅 제품으로서의 3D 프린터를 부각시킴으로 적층 제조 기술이 산업용으로 적용될 수 있다는 가능성을 열어 보였다. 또한 3D 프린팅을 위한 표준 파일 포맷을 기반으로 개발된 다양한 소프트웨어들이 일련의 라인업을 구성하며 소개되었다. 이번 drupa 2016은 2D 프린팅의 연장선상에 3D 프린팅이 존재함을 알리는 좋은 무대가 되었으며, 전시장을 찾은 인쇄인들에게 새로운 부가가치를 부여할 수 있는 신규 사업 아이템으로서 3D 프린팅의 가능성을 소개하는 훌륭한 자리가 되었다.  

3D 프린팅, 과연 인쇄라고 할 수 있을까? 

drupa 2016 기간 중 많은 이들의 관심을 끈 인쇄 부문 가운데 하나는 3D 프린팅이다. 기존 2D 인쇄, 즉 미디어에 잉크를 입혀 이미지를 생산하는 방식에 익숙해져 있는 인쇄인들에게 3D 프린팅은 생소한 분야이자 기존 인쇄방식과는 거리가 먼 또 다른 사업군으로 분류되고 있었지만 drupa 2016에서는 이를 인쇄의 한 부분으로 포함시켜 소개했다. 그리고, ‘3D 인쇄가 과연 인쇄의 한 부분이 될 수 있는가’에 대한 논쟁에 대해 깔끔하게 ‘그렇다’라는 결론을 이끌어 냈다. 기존의 3D프린터 종류에서 2D 인쇄에 적용하는 잉크젯 헤드를 탑재한 3D 프린터들이 대거 출시되었기 때문이다.  

3D 프린터는 2D 프린터로 이미지를 인쇄하듯, 입력한 도면을 바탕으로 3차원의 입체적인 출력물을 생산해 낸다. 두산백과에 따르면, 3D 프린터는 ‘잉크젯프린터에서 디지털화된 파일이 전송되면 잉크를 종이 표면에 분사하여 2D 이미지(활자나 그림)를 인쇄하는 원리와 같다. 2D 프린터는 앞뒤(x축)와 좌우(y축)으로만 운동하지만, 3D 프린터는 여기에 상하(z축) 운동을 더하여 입력한 3D 도면을 바탕으로 입체 물품을 만들어낸다’고 설명하고 있다. 이렇듯, 3D 인쇄는 우리 인쇄산업의 한 부분이라 할 수 있으며, 입력 파일을 어떻게 핸들링 하느냐에 따라 출력물을 2D 또는 3D로 생산할 수 있는 것이다. 자유자재로 원하는 디자인을 어떠한 형태로든 제조할 수 있으며, 제품 생산 시 적량의 재료로만 생산 가능하고, 금형 및 리드타임의 소요 시간을 절감 할 수 있으며, 사용 재료에 따라 다양한 분야에 적용이 가능하다는 3D 프린터의 장점은 앞으로 여러 사업 분야에 걸쳐 획기적인 변화를 가져올 수 있으리라 전망되고 있다.    

3D 프린팅의 공정과 기술방식

drupa 2016에 소개된 3D 디지털 프린터들을 열거하기에 앞서 3D 프린터에 대한 이해도를 높이기 위해 보다 개괄적인 내용을 살펴보도록 하겠다. 

최초의 상업용 3D 프린터는 미국의 찰스 홀(Charles Hull)이라는 사람에 의해 발명되었다고 한다. 그는 3D 인쇄의 표준 파일 포맷인 스테레오리소그래피 파일을 처음 만들었으며, 3D 시스템즈의 상업용 3D 프린터 고속 시제품을 제작했다. 그 뒤 3D 프린터는 발전에 발전을 거듭해 drupa 2016에서는 산업적인 어플리케이션 제조가 가능한 상업용 제품들이 대거 소개되었다. 3D프린팅은 제품을 설계하는 모델링 공정(modeling process)과 디지털화된 모델을 적층, 입체물을 만드는 인쇄 공정(printing process), 그리고 최종적으로 표면을 연마하거나 염색하는 후처리 공정(finishing process)의 3단계로 나눠진다. 전 공정을 처리하기 위해서는 광학기술 및 전기전자, 기계, 소프트웨어, 그리고 재료 등 종합적인 기술력이 필요한 분야다. 한편, 3D 프린터는 적층 방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 다양한 기술로 구분할 수 있다. 적층 방식은 압출, 잉크젯 방식의 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분가능하며, 활용 가능 재료는 폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다고 한다. 3D 프린터의 종류를 살펴보자면 대표적으로 SLA(Stereolithography)방식, FDM(Fused Deposition Modelling)방식, SLS(Selective Laser Sintering)방식, 그리고, DLP(Digital Lighting Processing)방식, Inkjet 방식으로 Binder Jetting방식과 Material Jetting방식, SDL(Selective Deposition Lamination)방식, 그리고 EMB(Electron Beam Melting)방식 등 여덟 가지의 방식이 있다. 

SLA은 세계적으로 가장 처음 상용화 된 방식으로 액체 기반의 재료를 강한 자외선 혹은 레이저로 순간적으로 굳혀서 프린트 하는 방식이다. 표면이 매끄럽고 정교한 부품을 만들 때 적용되는데 내구성과 내열성이 약하다는 단점을 갖고 있다. 

FDM방식은 열에 녹는 고체기반의 재료에 열을 가해 녹인 뒤 적층해 상온에서 식혀 굳히는 방식으로 3D 프린터 가운데 가장 흔하게 접할 수 있는 방식이다. 다른 프린트들의 출력물에 비해 내구성이 강하고 개인용으로도 사용하기 편하다. 그러나 표면이 거칠고, 출력 속도가 다른 프린터에 비해서 느리다. 

SLS 방식은 분말 기반의 재료를 레이저로 녹인 뒤 응고 시켜서 프린트 하는 방식으로 프린터 중 출력 속도가 가장 빠르고 사용 하는 재료가 광범위 하다. 플라스틱뿐 아니라 금속도 성형 가능하기 때문에 SLA이나 DPL 방식보다 훨씬 견고하고 복잡한 형태의 제품을 생산할 있다. 그러나 출력 크기가 제한적이고 장비가 고가이다. 

DPL 방식은 액체 기반의 재료를 이용해 프린트 하는 방식으로 광경화 수지를 사용하므로 SLA방식과 비슷하지만 LDC 액정과 같은 아크램프를 사용한다. 이 방식의 장점으로는 표면의 정밀도가 뛰어나고 제작 시 발생하는 소음도 매우 적다는 것이다. 그러나 출력물 크기가 큰 것은 사용하기 어렵고 DLP 전용의 재료를 사용해야 하며 원료도 고가이기 때문에 제한이 있다고 한다.

잉크젯 Binding Jetting 방식은 분말 재료에 잉크젯 프린터 헤드를 통해 경화제를 출력해 적층하는 방식이다. SL 방식과 동일하게 분말 재료를 경화시켜 제조하는 방식이므로 복잡하고 정교한 제품을 생산해 내는데 적합하다. 잉크젯 프린터로 인쇄물을 출력하는 것과 같은 원리를 적용함으로 생산 속도가 빠르고 정밀하다는 장점을 갖고 있다. 세라믹이나 식품 등에 응용이 가능하며, 경화제에 컬러를 더해 다양한 컬러의 생산품을 제작할 수 있다. 그러나 내구성이 낮아 후가공 처리를 반드시 해야 한다고 한다. 

Material Jetting 방식은 잉크젯 프린터 헤드를 통해 직접 재료를 분사해 결과물을 만들어 내는 방식으로 분사되는 재료를 빠르게 경화시켜야 하므로 광경화 수지를 사용하며, UV 광선으로 즉각적인 경화가 일어나게 하는 방식이다. 정교하고 다양한 컬러의 제품을 만들 수 있다는 장점을 갖고 있다고 한다. SDL방식은 잉크젯프린터로 출력된 종이를 겹쳐서 만들어 내는 방식이다. 이 방식은 종이에 인쇄된 출력물을 이용하기 때문에 결과물이 실제 제품과 거의 흡사한 컬러와 품질을 갖게 된다는 것이다. 재료 또한 시중에서 쉽게 수급할 수 있다는 장점을 갖고 있다. EMB방식은 스웨덴의 아캠사에서 고안해 낸 방식으로 금속 분말을 레이저로 녹여 성형하는 DML방식과 매우 유사하나 레이저가 아닌 전자빔을 사용해, 작업이 진공 상태로 이루어진다. 다양한 합금을 성형할 수 있는 장점이 있어 임플란트, 의료산업 분야에서 성공을 거둔 방식이다. 현재는 항공, 우주, 자동차 분야의 적용 분야에도 많은 연구가 진행되고 있다고 한다. 

주요 벤더들의 3D 프린터 산업 진출

대부분의 리딩 디지털 인쇄 장비 제조업체들은 drupa2016을 통해 그 동안 연구 개발한 3D 프린터들을 선보였다. 총 23개에 달하는 업체들이 drupe2016에서 3D 프린터를 전시, 시연했는데, HP나 코닥, 캐논, 리코, 멤젯, 미마키, 로랜드, 자르 등과 같이 이미 디지털 프린팅 기술로 명성을 얻고 있는 업체들이 전체의 30% 이상을 차지하고 있었다. 이들 업체들은 자체적인 연구 개발을 통해 생산된 3D 프린터를 선보이기도 했지만, 기존 3D 프린터 제작에 있어 시장을 선도하고 있는 업체들과의 전략적인 제휴를 통해 잉크젯 기반의 시제품들을 출시하기도 했으며, 단순히 유통을 하고 있는 제품들을 전시하기도 했다. 

HP 젯퓨전 3D 프린팅 솔루션

HP 인디고 시리즈를 통해 디지털 인쇄산업계의 넘버 원으로 인정받고 있는 HP는 젯퓨전 3D 프린팅 솔루션(HP Jet Fusion 3D Printing Solution)이라는 3D 프린터를 전시했다. 이 제품은 FDM과 SLS 방식의 3D 프린터보다 최대 10배 이상 빠른 생산속도를 갖고 있으며, 기존 프린터의 절반의 비용으로 우수한 품질의 부품 출력이 가능한 제품이라고 한다. 이 솔루션은 복셀(voxel; 3D상의 픽셀) 단위로 초당 3억 4천만 개의 복셀을 처리, 부품을 출력하는 최초의 제품으로 고객이 직접 부품의 특성을 변경할 수 있으며, 주문제작 또한 대량 생산이 가능하다. 

시제품 제작 및 3D 출력을 위한 상업용 프린터로 설계된 HP 젯퓨전 3D 프린팅 솔루션은 작업 과정을 간소화해 빠른 시제품 제작이 가능하고, 경제적 비용으로 부품 제작이 가능하며, 소재 및 소프트웨어의 오픈 플랫폼 통해 솔루션 채택 장벽을 낮춰 산업 전반에 걸친 새로운 어플리케이션 개발이 가능 하다는 장점을 갖고 있다. 

HP는 현재 3D 소재 앱스토어를 개발 중에 있으며, 점차 오픈 플랫폼 생태계를 확대해 나가기 위해 아케마(Arkema), 바스프(BASF), 에보닉(Evonik), 레만앤보스(Lehmann&Voss)와 같은 인증 제휴사들과 협력하고 있다고 밝혔으며, 나이키, BMW, 지멘스, 존슨앤존슨 등 유수의 브랜드들과의 전략적 제휴을 통해 다양한 어플리케이션을 생산해 낼 예정이라고 한다. 현재 HP는 ‘HP 젯퓨전3D 4200’ 프린터와 ‘HP 젯퓨전3D 3200’ 프린터를 2017년 말 국내에 출시 예정이며 가격은 10만불에서 30만불 사이의 가격대를 형성할 것으로 전망하고 있다.    

코닥의 M1 3D 프린터

코닥은 카본(Carbon)사와 제휴, 카본사의 혁신적인 CLIP(Continuous Liquid Interface Production) 기반의 기술을 접목시킨 M1 3D 프린터를 선보였다. 지난 3월 이 두 업체는 재료 및 기술에 있어 전략적 제휴를 발표했으며, 그 이후 M1 3D 프린터를 개발, 전시한 것이다. 이 제품은 UV 광을 이용, 광경화 할 수 있는 재료를 사용하고 있으며, 앞으로 더 많은 종류의 재료들이 개발 될 예정이다. 

매시빗, 슈퍼 사이즈의 3D모형 전시

이스라엘 기업인 매시빗은 세계에서 가장 큰 3D 프린터를 전시했다. 이 제품은 drupa 전시 기간 내내 많은 이들의 이목을 집중시켰으며, 다양한 결과물을 전시해 대형 산업용 3D 프린터의 가능성을 열어 보였다. 매시빗은 전시 기간 중 대형 사이즈의 모형을 인쇄, 판매하기도 했으며, EFI는 매시빗의 3D 프린터로 제작된 콘크리트 몰드와 파이버 글래스 부품을 전시에 사용하기도 했다. 

Gel Dispensed Printing 이라는 새로운 기술을 기반으로 개발된 매시빗의 3D 프린터는 FDM 방식고 유사하다 할 수 있으나, UV 센서티브 재료를 사용해 UV 경화를 통한 제품 생산으로 속도와 품질 면에 있어 균형 잡힌 생산 공정 운영이 가능하다고 한다 디지털 프린터 생산 업체라 자부하는 매시빗에서 출시한 3D 프린터는 1.2×1.5×1.8에 달하는 거대한 사이즈로 기존 3D 출력물보다 월등히 큰 사이즈를 자랑하며, x, y 축으로 시간당 3.5평방미터의 인쇄가 가능하고 z 축으로는 시간당 35cm의 작업이 가능하다. 작업 시간이 빠르고, 프리미엄 작업을 손쉽게 핸들링 할 수 있고, 재료의 소모가 적어 보다 효율적이면서도 비용 효과적인 생산이 가능하며, UV 경화 폴리머 기반의 재료를 연구, 적용함으로 내구성이 뛰어나다는 장점을 갖고 있다.

잉크젯 헤드 기술을 바탕으로 한 3D 프린터 대거 출현

이번 drupa2016에서는 앞서 언급한 것과 같이 기존 인쇄방식에 사용되는 잉크젯 헤드 기술이 접목된 3D프린터들이 다양하게 출시되어 선보였다. 잉크젯 고속 컬러 인쇄 기술의 선도 업체인 멤젯은 글로벌 3D 프린터 제조 기업인 XYK 프린팅 과의 제휴를 통해 바인더 제팅 3D 프린터를 선보였다. 이 제품은 잉크젯 바인딩 제팅 기술을 적용한 3D 프린터로 멤젯 잉크젯 헤드를 탑재해 빠른 생산 속도와 보다 비용 효율적인 제작이 가능한 프린터다.

잉크젯 헤드 기술에 있어 글로벌 선두주자인 영국의 자르(Xaar)는 자체적인 잉크젯 프린터 헤드 기술을 기반으로 한 바인더 제팅 및 머티리얼 제팅 3D프린터를 발표했다. 자르의 관계자에 따르면, 자르의 3D 프린터는 제작 방식에 잉크젯 헤드를 접목시킴으로 상당한 제작 비용에 감소를 가져올 것이라 기대한다고 밝혔다. 

와이드포맷 출력용 잉크젯 제품을 주로 생산하고 있는 미마키는 3D 프린터로 생산된 시제품을 전시했으며, 본격적인 3D프린터의 출시는 올 말이나 내년 초에 이뤄질 예정이라 발표했다. 로랜드 또한 2014년부터 출시된 monofab 3D 프린터 시리즈를 전시했다. 

3D 시스템즈(3D Systems)사의 3D 프린터를 유통하고 있는 캐논은 drupa2016을 통해 다양한 버전의 3D 시스템즈의 프린터를 전시, 시연했으며, 리코는 AM S500P 3D 프린터를 선보였다. 

독일의 하나우는 재료에 특화된 3D프린터를 선보였다. 이 업체는 재료 및 의학 기술, 퀄츠 글래스, 조명, 그리고 센서에 전문성을 갖고 있는 기업으로 이번 전시회에서는 다양한 재료를 사용해 여러 어플리케이션에 적용할 수 있는 제품을 시연해 보였다. 이러한 3D 프린팅 사업의 선정에 힘입어 3D 모델링을 위한 소프트웨어 또한 이번 drupa2016에서 한 몫을 했다. 기존 패키징 디자인을 위해 개발된 제품들이 3D 어플리케이션을 위한 파일 포맷을 지원하며 원 소스 멀티 유즈를 지향했으며, 하나의 원본 데이터를 활용해 2D 및 3D 인쇄가 가능한 제품들이 시연되었다. 이들 업체 가운데 특히 하이콘(Highcon)은 3D 프린터를 위한 모델링 소프트웨어를 선보이며 종이의 커팅과 피일링을 통한 3D 제품을 선보여 많은 이들의 주목을 받았다.     

제조업의 지도를 바꾸어 놓을 3D 프린팅

미래학자들은 앞으로 3D 프린터가 생산비용을 낮춰 전 세계 제조업 지도를 완전히 바꿔 놓을 것으로 예견하고 있다. 또한 유수 시장 조사 기관들에 따르면 3D프린터 시장은 해마다 두자릿수 성장률을 유지해 2016년 31억 달러(3조 4500억 원), 2020년 52억 달러(5조8000억 원)까지 커질 것으로 전망되고 있다.

3D프린팅은 다품종 소량생산과 개인 맞춤형 제작이 용이한 산업으로 앞으로의 발전 가능성 여부에 따라 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 제조 방식으로 고려되고 있다. 물론 현재와 같은 기술로는 생산 비용이라든가 시간, 그리고 재료에 있어 많은 제약이 따르고 있는 것이 사실이다. 그러나 drupa2016을 통해 살펴 볼 수 있었듯, 미래 인쇄산업의 새로운 범주로 3D 프린팅은 잉크젯의 활용도를 확대해 나가며, 산업용 제조 방식으로 적용 가능할 것이라는 기대를 한 몸에 받고 있다. 유수한 기업들의 아낌 없는 투자 또한 이러한 배경에서 이해할 수 있을 것이다.      

전문가들은 3D 프린터를 도입하기에 앞서 다음에 대한 보다 구체적인 아이디어를 갖고 있어야 한다고 조언했다. 첫째, 원하는 이미지를 생산해 내기 위한 제품의 3D 모델링 작업에서부터, 파일을 생산하고, 최종 제품을 만들어 내기까지 소요되는 시간을 정확히 파악해야 한다. 아무리 정교한 제품을 만들어 낼 수 있는 3D 프린터라 할지라도 생산 속도에 문제가 있으면 산업용으로는 무용지물이기 때문이다. 일부 3D 프린터들은 후가공 공정을 거쳐야만 내구성을 보완할 수 있는 제품들도 있으므로 3D 프린터를 선택할 때에는 이 공정에 소요되는 시간 또한 면밀히 따져 봐야 할 것이다.

두 번째로는 부품비용이다. 부품의 수명이나 가격, 그리고 소모품의 가격 또한 제작 비용의 일부가 되기 때문에 전체적인 생산 비용을 따져 보자면 이러한 비용에 대한 자료도 프린터 공급 업체들에게 세세히 안내 받아야 할 것이다. 그리고 다음으로는 정밀도와 인쇄 역량 및 컬러 요소이다. 2D 인쇄와 마찬가지로 3D 프린팅 또한 얼마나 정밀한 이미지 출력이 가능한가, 2D에서 각기 다른 어플리케이션에 적합한 프린터를 선택할 것인가, 그리고 2D의 픽셀과 같은 3D의 복셀이 얼마나 높아 보다 정교한 제품을 제작해 낼 수 있으며, 컬러의 재현력은 어느 정도인가를 살펴볼 필요가 있다. 따라서 3D 프린팅 사업에 투자를 고려하고 있는 업체라면 위에 열거한 내용을 제품선택 앞서 고려해야 할 것이다.  

이번 drupa2016이 3D프린터에 대한 상업화 가능성을 전개해 보였다면, 다음 drupa2020에서는 3D 프린팅이 기존 시제품 제조에서 그 영역이 더욱 확대되어 자동차 제조, 의료, 항공, 우주항공 등 보다 다양한 산업군에 접목될 것으로 전망 되고 있다. 보다 다양한 어플리케이션으로 보다 높은 부가가치를 창출할 수 있는 제품들이 폭 넓게 전시 될 것으로 기대되고 있는 것이다. 따라서 앞으로는 인쇄산업의 범주를 보다 폭 넓은 시각에서 확대해 나가고, 기존의 인쇄 서비스에 다양성을 더해 갈 수 있는 새로운 비즈니스 모델을 구축해 나가는 것이 현 시점에서 미래 인쇄산업의 다각화를 위해 필요한 일일 것이다.

글_안혜정 기자