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3D프린팅 제품설계 디자인
* 발행 년도 : 2017년
1. 기술로드맵

3D프린팅 제품설계 디자인 기술로드맵

2. 개요
가. 정의 및 범위
  • 정의 : 법률 정의는 삼차원형상 구현 위한 전자적 정보를 자동화된 출력장치를 통하여 입체화하는 활동으로 적층 제조(Additive Manufacturing)기법으로 물체를 형상에 맞게 무수한 반복을 통해 쌓아올린 인쇄제조방식인 3차원 적층방식의 가공 시스템
  • 범위 : 3D 적층제조 기술은 분말, 액체, 고체 형태의 특정 물질로 입체 형상을 제조하기 위해 모델링, 프린팅, 후처리 등의 요소기술들을 포함하고 있으며, 기존 폴리머 기반의 단순 시제품이 아닌, 티타늄 등 메탈 기반의 초정밀/초대형 부품의 양산 기술 포함
나. 주요 제품

[ 3D프린팅 기술에서의 적층방식 ]

3D프린팅 기술에서의 적층방식
적층 방식정의방식재료
광중합 방식
(Vat Photopolymerization)
빛을 조사하여 플라스틱 소재의 중합반응을 일으켜 선택적 고형화시키는 방식 SLA
DLP
Photopolymer
재료분사 분식
(Material jetting)
용액형태의 소재를 Jetting으로 토출시키고 자외선 등으로 경화시키는 방식 Polyjet
MJM
Photopolymer,
wax
재료압출 방식
(Material extrusion)
고온 가열한 재료를 노즐을 통해 압력으로 연속해서 밀어내며 위치를 이동시켜 물체를 형상하는 방식 FDM
FFF
Clay, food,
metals,
Ceramics,
metal
분말적층용융 방식
(Powder bed fusion)
가루형태의 모재위에 고에너지빔을 주사하며 조사해서 선택적으로 소재를 결합시키는 방식 DMLS
EBM
SLS
Metal alloy,
Steel,
Aluminum,
/Metal/ Ceramic
Powder
접착제분사 방식
(Binder jetting)
가루 형태의 모재 위에 액체형태의 접착제를 토출시켜 모재를 결합시키는 방식 3DP
PP
Plaster
고에너지직접조사방식
(Direct energy deposition)
고에너지원(레이저, 전자빔 등)으로 원소재를 녹여 부착시키는 방식 DMT
LMD
Metal
Sheet Lamination
(시트접합)
얇은 필름형태의 재료를 열, 접착제 등으로 붙여가며 적층시키는 방식 LOM
UC
Paper,
Metal foil

* 출처 : 한국산업기술평가관리원(2016), 3D프린팅 산업현황 및 시장동향

[ 공급망 관점 기술범위 ]

주요제품 분류표
적층방식기술명정의
Extrusion
(압출)
FDM
(Fused Deposition Modeling, Fused Filament Fabrication)
  • 가는 실(필라멘트) 형태의 열가소성물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름형태로 출력하는 방식으로 적층노즐은 플라스틱을 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산하며 플라스틱은 상온에서 경화
Jetting
(분사)
MJM
(Multi Jetting Modeling)
  • 프린터 헤드에서 광경화성 수지와 WAX를 동시분사 후, UV Light로 고형화 하는 방식으로 적층
  • 광경화성 수지는 모델의 재료이며, WAX는 지지대로 사용
Polyjet
  • 광경화와 잉크젯 방식의 혼합
  • 프린트 헤드의 수 백 개의 미세 노즐에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 경화시키는 방식
  • 이스라엘의 Objet에서 개발(현재 Stratasys에 인수)
3DP
(3 Dimensional Printing, Power Bed and injet Head 3D Printing)
  • 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질을 분말 원료에 분사하는 방식으로 적층
액체 Light
Polymerised
SLA
(Stereo Lithography Apparatus)
  • 액체 광경화성 수지가 담긴 수조 안에 저전력‧ 고밀도의 UV 레이저를 투사하여 경화시키는 방식으로 적층
  • 조형판 위에 지지대(받침대)를 조성하고 조형하고자 하는 모델의 아랫부분부터 경화·적층
  • 1단계 적층이 완성될 때마다 조형 모델을 아래로 조금씩 하강시키며 수평 유지
  • 리코터(Recoater)의 수평 날을 이용하여 수지의 표면 평탄화와 재료 코팅 처리 수행
DLP
(Digital Light processing)
  • 액체 상태의 광경화성 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 DLP(Digital Light Projector)에 투사하여 적층
  • 프로젝터에서 나온 이미지를 마스크 단위(2차원)로 투사
고체
Granular Sintering melting
SLS
(Selective Laser Sintering)
  • 베드에 도포된 파우더(분말)에 선택적으로 레이저를 조사 ‧ 소결하고, 파우더를 도포하는 공정을 반복하여 적층
SHS
(Selective Heat Sintering)
  • Thermal Printer Head를 이용하여 챔버에 얇게 도포된 파우더를 녹여 경화시키는 방식으로 적층
  • SLS 방식과 유사하나 레이저 대신 Thermal Printer Head를 사용하는 것이 특징
SLM
(Selective Laser Melting)
  • 도포된 금속 파우더에 선택적으로 고출력 Ytterbium- Fibre 레이저를 조사하여 용융시키는 방식으로 적층
  • 리코터(Recoater)를 이용하여 금속 파우더 표면 평탄화
  • 금속 파우더가 용융되는 동안 산화 방지를 위해 불활성 가스 (아르곤, 질소)를 챔버 내에 공급
DMLS
(Direct Metal Laser Sintering)
  • 도포된 금속 파우더에 선택적으로 고출력 Ytterbium- Fibre 레이저를 조사하여 용융시키는 방식으로 적층
  • SLM과 매우 유사한 방식이며, SLS와의 차이점은 금속 파우더에 국한되어 사용된다는 점
EBM
(Electron Beam Melting)
  • 고진공 상태에서 전자 빔을 활용하여 금속 파우더를 용해하는 방식으로 적층
Directed
Energy
Deposition
DMD
(Direct Metal Deposition, Laser Aided Direct Metal Tooling)
  • 고출력의 레이저 빔을 이용하여 금속 분말을 녹여 붙이는 방식으로 적층
  • 지지대 역할 금속 표면에 고출력 레이저 빔을 조사 하여 일시적으로 용융 풀(pool)을 생성하고, 여기에 금속 분말을 공급하여 클래딩층을 형성(DMT로도 알려짐)
Wire
(인발)
EBF
(Electron Beam Freedom Fabrication)
  • 와이어 형태 원료에 전자빔을 조사시켜 경화시키는 방식으로 적층
  • 무중력 환경에서 사용할 수 있는 시스템 개발 목적으로 NASA의 Langley Research Center에서 개발 주도
Sheet
Lamination
LOM
(Laminated Object Manufacturing)
  • 모델의 단면 형상대로 절단된 점착성 종이, 플라스틱, 금속 라미네이트 층 등을 접착제로 접합하여 조형
  • * 출처 : 한국기계연구원(2013), 글로벌 3D 프린터 산업 · 기술 동향분석
  • * 출처 : 한국지식재산보호협회(2014), 해외특허분쟁 대응전략 로드맵(3D프린팅)
3. 시장현황 및 전망분석
가. 세계시장

리서치 기관 스마테크 마켓은 3D 프린터 시장이 2017년 62억 7130만 달러(약 6조 8100억 원)에서 2023년 193억 6360만 달러(약 21조 원)까지 예측

[ 3D프린팅 시장 규모 및 성장률 ]

3D프린팅 시장 규모 및 성장률

* 출처 : 스마테크 마켓

국가별 시장점유율은 기계·항공 분야에 강점을 지닌 미국이 세계 시장 점유율 1위(38%), 한국 8위 수준(4%)

[ 3D프린팅 국가별 시장 점유율 ]

3D프린팅 국가별 시장 점유율

* 출처 : Wohlers Associates(’16)

소수의 3D프린팅 전문기업 및 글로벌 기업이 세계시장 주도하는 현황

  • 상위 8개 기업 매출액은(24.4억불, ’15)은 세계 3D프린팅 시장(51억불, ’15)의 약 48% 차지, 이들기업은 전략적 인수합병으로 토탈 솔루션 기업으로 진화. 최근 들어, GE(General Electronic), 구글, HP, 아마존 등 글로벌 기업의 신규 3D프린팅 분야 진출함로 시장 경쟁 심화 전망
  • 상위 8개 기업과 매출액(‘15) [美] 스트라타시스(6.9억불), 3D시스템즈(6.7억불), 프로토랩스 (2.6억불), 엑스원(0.4억불), [스웨덴] 아르캠AB(5.8억불), [벨] 머터리얼라이즈(1.1억불), [獨] SLM솔루션즈(0.6억불), 복셀젯(0.3억불)
  • 토탈 솔로션 기업으로 진화 한 3D Systems사는 28개사, Stratasys는 최근 6년간(‘11∼‘16) 6개사 인수합병으로 3D프린팅 장비ㆍ소재ㆍSW기술, 컨설팅, 디자인 콘텐츠 및 중개서비스 등 토탈 솔루션 제공

디자인전략 부분에서 기술 편향적 혁신의 한계를 극복하기 위한 대안으로 디자인적 관점으로의 접근을 통한 기술과의 융합을 시도

  • 주요 국가들은 기술과 디자인의 융합을 위한 협력 촉진, 교육을 통한 디자인 역량 강화, 공공부문과 지역사회에서의 디자인 활용 확대, 국가 브랜드 이미지 확립 등 사회 전 영역에 걸친 디자인 전략을 전개
  • 제품과 서비스가 개인화 되어가는 과정에서 디바이스의 사용시간이 증가하고 디바이스와 사람 간 물리적 거리가 보다 가까워짐에 따라 제품의 기능만큼이나 사용성이 혁신의 중요한 요소로 부상하며 디자인적인 관점에 입각한 첨단기술과의 융합 제품 개발이 주목

생산자 중심에서 사용자 중심의 제품 개발이 자리매김하며 소비자의 다양한 니즈를 충족시키기 위한 맞춤형 디자인이 큰 화두로 부상

  • 특별한 디자인이나 개인에 최적화된 사용성 제공 등으로 개인의 다양한 요구와 취향에 부응할 수 있는 맞춤형 상품과 개인의 취향을 소비에 반영하여 쉽게 커스터마이징 할 수 있도록 하는 큐레이션 서비스의 개발이 활성화

3D프린팅 관련시장은 ‘09년 이후 큰 성장을 경험하고 있으며, 최근 5년 동안 시장크기가 4배로 성장하여, 2015년에 약 51.6억 달러 규모를 기록

  • 3D프린팅 제품의 전세계 매출은 2015년 약 23.6억 달러($2,365 billion)이며, 2014년($1,997 billion)에 비해 18.4% 성장33)
  • 3D프린팅 관련 서비스는 전세계 매출이 2015년 약 28억 달러($2,800 billion)로 성장했으며, 2014년($2,105 billion)에 비해 33.0% 증가

[ 3D프린팅 제품설계 디자인 분야의 세계 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 백만 달러, %)

3D프린팅 제품설계 디자인 분야의 세계 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
세계시장 4,961 6,271 7,658 9,280 11,241 13,793 22.7

* 출처 : “Summary Forecasts For the 3DP Market by Industry_Smartech Markets(2014)

산업용 3D프린터 제조업체 중 2015년 판매량에 따른 시장 점유율은 스트라타시스(5,166대), 3D시스템즈 양사가 전체 판매량의 65% 이상을 차지하며, 매출액 기준으로도 50% 내외(약 14억 달러)점유

  • 금속 부품제작을 위한 메탈 3D프린팅 기술의 수요가 증가하고 있으며, 808대의 금속 3D프린터가 2015년에 판매되어 2014년(550대)에 비해 46.9% 증가 33) 장비, 시스템 업그레이드, 재료, 애프터마켓 제품(소프트웨어, 레이저 등)등

[ 산업용 3D프린터 제조기업 판매량에 따른 시장 점유율(2016) ]

산업용 3D프린터 제조기업 판매량에 따른 시장 점유율(2016)

개인용 3D프린팅 시장의 2015년 시장매출은 약 2.9억 달러($293.6 million)규모이며, 이 수치는 전체 3D프린팅(산업용, 개인용) 장비 매출에서 19.4%를 차지

  • 2014년 개인용 3D프린팅 시장은 1.8억 달러($181.4 million)규모이며, 전체 3D프린팅 장비시장의 14.0% 수준
  • 메이커봇(MakerBot), Beijing Tiertime, 3D시스템즈(3D Systems)외 전 세계 수많은 회사가 제품을 개발 · 공급
  • 개인용 3D프린터 판매량은 해마다 급증하고 있으며, 2015년에도 전년도 대비 69.7% 성장한 278,385대가 판매된 것으로 추정

[ 전세계 개인용 3D프린터 판매량 ]

전세계 개인용 3D프린터 판매량

나. 국내시장

디자인 강국이라는 비전하에 디자인 주도의 산업융합 활성화, 비즈니스 생태계의 고도화, 디자인 위상강화와 디자인 한류 확산 등 3대 추진 전략 발표

  • 로봇, 스마트기기/IoT, 헬스케어, 운송기기등 디자인 R&D 중점분야에서 3D프린팅, AR/VR 등 혁신적인 첨단기술을 융합한 제품과 서비스를 위한 디자인 개발을 통해 미래지장 발굴 및 선점 목표
  • 3D프린팅 기반의 개인 창작 로봇, 3D프린팅 후처리 시스템, 3D프린팅의 구현을 통한 개인 맞춤제품 제작 활성화 전망

[ 3D프린팅 제품설계 디자인 분야의 국내 시장규모 및 전망 ]

(단위 : 억 원, %)

3D프린팅 제품설계 디자인 분야의 국내 시장규모 및 전망
구분‘16‘17‘18‘19‘20‘21CAGR
국내시장 1,160 2,260 3,160 4,731 7,084 11,136 57.2

* 출처 : Mauldin Economics, (2013.5.21.). 기타년도는 연평균 성장률 기준 추정치

3D프린팅 종사자 현황은 3D프린팅 관련 종사자는 1,126명으로, ‘15년 980명 대비 63명 증가함

[ 3D프린팅 종사자 현황- 3D프린팅 관련 ]

3D프린팅 제품설계 디자인 기술로드맵

* 출처 : 정보통신산업진흥원(2016). 2016년 3D프린팅 산업 실태조사(단위 : 명)

  • ‘16년 국내 3D프린팅 관련 업체의 경우, 종사자 수는 총 4,907명으로, ’15년 4,697명 대비 210명 증가

2013년도 대비 2014년도의 장비 판매량은 국산장비의 경우 192% 성장, 외신장비는 858% 성장을 보임에 따라 평균 235%의 성장률을 달성

  • 국산제품에 비해 외산제품의 판매량 성장률이 4배 이상인 이유는 장비개발에 소요되는 시간과 비용문제로 인한 국산제품의 신제품 개발 빈도 저하 및 외산제품에 대한 선호 등이 주요한 요인
  • 2014년도 국산제품의 수출은 110대 규모로 불과 총 판매대수의 약 2%

국내 3D프린터 유형별 매출액 현황

  • 2014년도 3D프린터 매출액을 구분하면 국산 11.6%, 외산 87.7%로 구분되며, 가장 매출액이 많은 유형은 재료분사방식(MJ, 39.7%)이며, 그 다음은 재료압출방식(ME, 28.9%)으로 조사
  • 국산제품은 PP, ME에 한정되어 있으며 BJ, MJ 등의 유형은 매출이 전혀 없음

    [ 국내 3D 프린터 유형별 매출액 비중 ]

    (단위 : 백만 달러, %)

    대기오염 방지설비 세계 시장 규모 및 전망
    구분광중합
    방식
    (PP)
    재료
    압출방식
    (ME)
    접사방식
    (BJ)
    재료
    분사방식
    (MJ)
    분말적층
    용융방식
    (PBF)
    고에너
    직접조
    방식
    (DED)
    Sheet
    Lamination
    국산 1.6% 4.7% 0% 0% 0% 0.6% 0% 6.9%
    외산 10% 24.2% 17.1% 39.7% 1.7% 0.2% 0.2% 93.1%
    11.6% 28.9% 17.1% 39.7% 1.7% 0.8% 0.2% 100%

    * 참조 : 한국산업기술평가관리원(2016), 국내 3D프린터 유형별 매출액 비중

  • ‘16년 3D프린팅 세부분야별 매출액은 장비유통에서 90,382백만 원으로 가장 높고, 다음으로 장비제조(40,588백만 원), 소재유통(28,355백만 원) 등의 순으로 나타남.
  • ‘16년 서비스 유형별 예상 매출액은 ’컨설팅‘이 22,734백만 원으로 가장 높고, 다음으로 ’3D 디자인‘(11,208백만 원), ’출력 서비스‘(5,831백만 원) 등의 순으로 나타났으며, ‘교육’을 제외한 모든 분야에서 ‘15년 대비 매출액이 증가
미국 IT컨설팅기관 가트너(Gartner)는 전 세계 3D프린터 출하량이 매년 2배씩 증가해 2014년 약 11만대에서 2018년 약 230만대를 상회할 것이라고 전망, 특히 1000달러 미만 3D 프린터 출하량은 11.6%에서 22.7%에 이를 것으로 예측
UPS 조사 결과 아시아 제조업체가 미국·중국·유럽 지역에서 고객의 니즈를 충족시키고 국제 비즈니스 성장에 주력할 수 있는 주요 영역 중하나로 3D프린팅과 같은 부가 가치 서비스로 확인
4.기술분석
가. 기술환경 분석
인터넷이 대중들에게 보급되기 이전에 이미 군사용 그리고 연구용으로 광범위하게 사용된 것과 비슷하게 3D프린팅 기술도 이미 약 20년 전부터 대기업 그리고 일부 대형 실험실에서 사용
인터넷에 비해서 아직까지 일반 대중과 중소기업에 보급된 정도나 속도 면에서는 떨어지지만, 현재 보급화가 진행 중인 혁신의 대중화(Commoditization)의 전형적인 패턴

현재 3D프린팅 산업과 결합되고 있는 대표적인 산업군인 의료산업, 자동차 산업, 건설 및 패션 및 캐릭터, 예술 분야 등

  • 향후 3D프린팅 산업은 타 산업 간의 융합을 통해서 확장된 부가가치 효과를 얻을 수 있는 융합 산업으로 외국 사례와 같이 3D프린팅과 결합한 산업 생산품들의 영역이 점차 확대 전망

[ 3D프린팅 산업 비즈니스 모형 ]

3D프린팅 산업 비즈니스 모형

*출처: 권혁인외(2016), 신기술 혁신 모델에 기반한 3D프린팅 산업 비즈니스 생태계 모형에 관한 연구

인터넷이 기업 프로세스의 디지털화를 촉진하고 다양한 파생적 형태의 파괴적 혁신을 만들어낸 것과 비슷하게, 3D프린팅은 미래에 기업 프로세스를 바꿀 가장 촉망받는 기술 중 하나

  • 이제까지의 거대 자본을 가진 기업들 소유의 공장에서 제조를 주도하는 것에서 소규모 회사나 개인 등 누구나 3D 프린터를 활용해 제조할 수 있는 제도의 민주화를 실현할 것으로 예상

3D프린터가 일반화되면 개인이 아이디어를 실현하기가 훨씬 쉬워질 것으로 예상

  • 지금은 신제품에 대한 좋은 아이디어가 있어도 개인이 이것을 실현하려면 도면 제작, 금형제작, 공장임대 등을 혼자 해야 하기 때문에 어려움이 많지만, 3D프린터를 이용하게 되면 정확한 도면만 컴퓨터로 작성한 뒤 바로 3D프린터로 생산해 아이디어 확인

3D프린터의 가정보급 확산 시 소비 형태에 큰 변화가 올 것으로 예상

  • 제품의 설계도와 이를 3D프린터로 제품을 만들 수 있는 권리를 사는 소비 형태로 변화 가능
  • 스마트폰 케이스가 필요할 경우 마음에 드는 스마트폰 케이스 디자인을 고르고 이것을 3D프린터로 만들 수 있는 제조 권리를 구입해 각자 집에 있는 3D프린터에 제조도면을 넣어 만들어 쓰는 형태로 변화 가능

맞춤 생산 시대를 열어줄 것으로 기대되는 3D프린팅 기술과 함께 주목받고 있는 것은 친환경 생산 방법

  • 제러미 리프킨은 <한계비용 제로 사회>에서 “3D 프린터는 저렴한 재활용 플라스틱이나 폐지 등을 원료로 자가 생산하는 시대를 가속화할 것”이라고 주장
  • 3D프린팅 건축으로 유명한 중국의 윈선(Winsun)은 산업 폐기물을 재활용한 새로운 건축 자재로 3D프린팅 건물, 즉 3D프린팅 하우스를 공개해 큰 화제가 됐음. 해마다 16억~20억 톤 가까운 거축 폐기물이 나오지만 재활용률은 5%에 머물고 있는 중국에서 윈선은 향후 3D프린팅 건축과 함께 중국 전역에 100여개의 재활용 공장을 지을 계획
  • 코카콜라도 3D시스템즈와 파트너십을 통해 에코사이클이라는 브랜드를 론칭하여 플라스틱 콜라병을 재료로 다양한 모양의 생활 제품을 생산해 낼 수 있는 3D프린터를 공개
5. 핵심요소기술 선정

[ 3D프린팅 제품설계 디자인의 핵심요소기술 ]

3D프린팅 제품설계 디자인의 핵심요소기술
분류핵심요소기술키워드
통합디자인
지식서비스
소비자 모델링 기술 소비자 니즈 분석 플랫폼
사용정보기반
PSS(Product-Service systems)
디자인 기술
3D프린팅 제품 디자인 등록 DB, 콘텐츠 마켓 플랫폼
PSS(Product-Service systems)
디자인 프로세스 기술
제품 모듈화, 사용성 프로세스, 제품출력 데이터
3D프린팅 디자인 3D S/W 개발 기술 랜더링 툴, 보급형 3D 모델링 S/W
압출공정
(Material extrusion)
3D Bioplotter 방식 혁신소재 활용사례