[3월 월간브리핑] 3D 프린팅의 흐름을 바꾼 오픈소스 프로젝트

• 성장하는 3D 프린팅 시장과 그 시장을 압도하는 오픈소스 활용 기술 방식

  1. 3D 프린팅 관련 시장은 제품의 가격이 하락한 2009년을 기점으로 연평균 성장률은 2배가량 증가하는 등 꾸준히 성장하고 있으며, 도입된 장비 중 오픈소스를 활용한 기술 방식이 시장을 압도하고 있음

• 렙랩 프로젝트의 오픈소스 FFF 기술로 인해 바뀐 3D 프린팅의 흐름

  1. 오픈된  FFF 방식의 기술 및 설계도로 개발된 저비용의 3D  프린터로 인해 1인  제조업이 증가하였고,  이는 4차 산업혁명 흐름의 핵심이 됨

□ 3D프린팅 관련 시장은 꾸준히 성장하고 있으며, 보급형 3D프린터 제품의 가격이 하락한 2009년을 기점으로 시장은 더욱 커짐

◎ 전 세계 3D 프린팅 시장은 연평균 약 27.5%씩 성장할 것으로 예측되며, 의료, 항공 및 우주 등 여러 분야에서도 활용되고 있음

- 과학기술정보통신부에서 발표한 3D 프린팅 관련 자료에 따르면, 코로나19 팬데믹 이후 ‘디지털 제조 수요 확대’에 따라 전 세계 3D 프린팅 시장은 연평균 ‘약 27.5%’씩 성장할 것으로 예측됨. 이에 2022년 17.7억 달러(약 2조 2,930억 원) 규모에서 올해는 약 22.5억 달러(약 2조 9,140억 원), 2026년에는 46.8억 달러(약 6조 606억 원) 수준까지 성장할 것으로 전망됨. 3D 프린팅 시장 중 프린터 부문은 2020년 산업용 3D 프린팅 시장에서 가장 큰 점유율을 차지하였고, 연평균 19% 성장할 전망임. 소재 부문 시장은 14%의 연평균 성장률이 전망되고, 서비스 부문은 2026년 12.9억 달러(약 1조 6,744억 원)까지 증가할 것으로 예측됨.

2023년도 3D프린팅 시장 평가
출처: https://www.industrynews.co.kr/

- 전 세계 3D 프린팅 시장에서 2009년을 기점으로 연평균 성장률이 2배 가까이 증가했는데, 이는 플라스틱을 원료로 사용하는 FDM 방식의 저가형 3D 프린터에 관한 핵심 특허가 만료되고 이로 인해 보급형 3D 프린터 제품의 가격이 1만 달러(한화 약 1,300만 원) 선에서 1천 달러(한화 약 130만 원) 선까지 떨어지게 되었기 때문임.

세계 산업용 3D 프린팅 국가별 시장 전망(단위 : 백만 달러, %)
출처: Markets and markets

- 미국은 전 세계 상업용 3D 프린터 시장의 35% 이상을 차지하는 대규모 시장이자 세계에서 가장 성장 속도가 빠른 국가임. Markets and markets는 2025년 전 세계 시장의 45% 이상을 미국이 차지할 것으로 전망함. 2020년 미국의 3D 프린터 시장규모는 7억3,000만 달러이며, 2025년까지 미국 상업용 3D 프린터 시장은 연평균 21%의 고속 성장이 전망됨.

- 국내시장은 2022년 기준 4,540억 원(10.2% 성장) 수준으로 시장규모 및 성장의 폭이 글로벌시장 대비 작았지만, 정부 지원 및 솔루션 공급 확대에 힘입어 올해 ‘약 20% 수준’의 성장을 예상하고 있음. 인더스트리뉴스의 조사 결과, 2023년 국내 3D 프린팅 시장규모는 ‘최대 6,200억 원’에 달할 것으로 추산됨.

- 고객에게 3D프린터 혹은 관련 프린팅 솔루션을 제공하는 공급기업들은 2022년 매출이 전반적으로 증가했음. 인플레이션과 경기 침체 등 부정적 요인에도 불구하고, 3D프린팅 솔루션에 대한 수요 및 관심이 커져 각 기업에서 투자 및 솔루션 도입이 확대되었음.

- 공급기업들은 연구개발 시간 감소와 다양한 디자인을 빠른시간 안에 확인할 수 있으며 시제품 개발비용 절감 등을 수요기업에서 솔루션을 도입하는 주요 요인임. 3D프린팅이 생산성 증대에도 실질적인 도움을 주고 있으며 복잡하거나 ‘고정밀성’을 요구하는 작업 등에 해당 기술을 활용하면 더욱 효과적일 것임

- 3D 프린팅 산업 실태조사에 따르면, 도입 장비는 압도적으로 MEX(FFF/FDM) 방식이 많고, 그다음으로는 VPP(SLA/DLP 등) 방식이 뒤따랐음. 이 두 가지 방식은 데스크톱과 산업용 제품이 있으며, 다른 방식들에 비해서 가격이 저렴하기 때문임.

- 3D 데이터 구현 기술은 코로나19 확산으로 인해 재조명되고 있음. 방역용품과 의료장비 등이 부족해지자 3D 프린터를 이용한 일회용 검사도구나 산소호흡기 부품이 제작되면서 해당 기술에 대한 사회적 관심이 커짐. 

- 3D 프린팅은 의료분야에 최적의 기술로 꼽히는데, 의료산업은 다품종소량생산에 적합하고 맞춤형 제작이 가능한 3D 프린팅 기술의 장점을 활용해 가장 빠른 속도로 사업화가 진행되고 있는 분야임. 의족과 의수, 두개골 모양, 인공 관절과 인공 치아 등의 형태 제작에 유용함. 의료분야뿐만 아니라, 항공 및 우주, 자동차산업, 건축, 패션, 교육 등 다양한 분야에서 활용되고 있음.

산업별 3D 프린터 시장규모(단위 : US$ 백만)

출처 : Markets and markets

□ 렙랩 프로젝트는 오픈소스 FFF 기술을 통해 소규모 사업자 및 개인에게는 부담스러웠던 3D 프린터의 가격을 대폭 낮추어 3D 프린팅의 흐름을 바꿈

◎ 3D 프린터로 3D 프린터를 만들자는 렙랩 프로젝트의 목표에 따라, 2007년~2009년에 저비용의 3D 프린터를 개발함

- 1986년 찰스 헐(Charles Hull)이 SLA 방식의 3D 프린터를 최초로 고안한 이후로, 2000년대 중반까지 전문적인 분야에서만 이용되어 왔음. 렙랩 프로젝트를 시작할 당시 조형기기로서의 3D 프린터의 대당 가격이 4,000달러(당시 한화 약 457만 원) 선으로, 기술 방식과 그에 따른 프린터 생산설비 구축에 소요되는 비용이 규모가 작은 사업자 또는 개인이 부담하기에는 너무 컸으나 2004년 영국 바스 대학의 에이드리언 보이어(Adrian Bowyer) 교수의 아이디어로 시작된 렙랩(RepRap) 오픈소스 프로젝트가 진행되면서 이러한 기술들을 개인이 활용할 수 있게 되는 계기가 마련됨. 

- 렙랩(RepRap)에서는 3D 프린터를 자체 제작할 수 있는 도면을 공개하고 모든 사람이 이 기술을 공유할 수 있도록 하여 오픈소스라는 방식으로 많은 사람에게 3D 프린터 도입을 이끌고 있음. 

- 외국에서는 렙랩 기반의 유명 메이커들이 완제품 3D 프린터를 제작하여 판매하기 시작하였으며 미국에서는 버락 오바마 대통령이 “3D 프린팅은 우리가 모든 것을 만드는 방법에 있어 혁명의 바람을 일으킬 잠재력을 갖고 있다”라며 “신년 국정 연설에서 3D 프린팅이 제품의 생산 방식을 혁신할 수 있는 잠재력을 가진 기술”이라고 언급함.

- 같은 해 세계경제포럼에서는 3D 프린팅이 미래를 바꿀 10대 신기술 중 하나로 주목받았으며 실제로 3D 프린터로 제작된 자동차와 집, 무인항공기까지 등장하면서 이 기술이 가져올 변화에 빠르게 대응할 것이 요청되었음. 이에 우리나라는 삼차원 프린팅 산업을 활성화하고 그 발전 기반을 조성하고자 2015년 12월 22일 ‘삼차원 프린팅 산업 진흥법’을 제정되었음.

- 렙랩(RepRap)은 신속한 프로토타입 복제(Replicating Rapid-Prototype)의 줄임말로, 렙랩 프로젝트는 ‘3D 프린터로 3D 프린터를 만들자’라는 자가복제를 향한 오픈소스 운동을 의미함. 즉 이 프로젝트는 3D 프린터를 이용해 3D 프린터 부품을 생산하여 새 3D 프린터를 만들 수 있게 하는 것임. 프린터를 통해 프린터 부품을 프린팅하고, 프린팅한 부품을 조립하여 새로운 프린터를 만들고, 또 새로운 프린터로 새로운 부품을 프린팅할 수 있게 되는 것이 렙랩의 목표였음. 이와 같은 자기 복제(Self-replicating)가 가능하다는 점이 렙랩(RepRap)의 가장 큰 장점임.

- 렙랩 프로젝트의 모든 디자인은 개방형 디자인으로 자유 소프트웨어 사용권인 GNU GPL로 배포되어 있으며 많은 부품이 플라스틱으로 만들어져, 부품을 인쇄해 자가 보수가 가능하고, 새로운 렙랩 프린터도 만들 수 있음.

렙랩 프로젝트의 첫 3D 프린터 ‘다윈’과 다윈으로 만들어낸 복제 3D 프린터

출처 : 교육부 공식 블로그

- 많은 사람이 저비용 3D 프린터를 이용해 기기의 가능성을 발굴해낼 수 있도록, 그리고 더 많은 사용사례와 방법들이 도출될 수 있도록 해보자는 것이 보이어 교수의 생각이었음. 렙랩 프로젝트는 3D 프린터가 3D 프린터를 복제해 낸다는 개념으로 2007년 3월 렙랩(Reprap)의 초기모델명을 Darwin (생물 진화론자)에 이어 이후 모델명도 2009년 10월 Mendel, 2010년 Prusa mendel 등을 발표했으며, 저명한 생물학자의 이름을 적용해 진화와 복제를 강조함.

◎ 렙랩이 발표한 Darwin과 Mendel은 자가복제가 가능한 오픈소스 3D 프린터이며, 활발히 활용되고 있음

- Darwin은 GPL 라이선스 하에 모든 사람에게 무료로 제공됨. 대부분의 자체 구성 부품을 만들 수 있는 신속한 프로토타이핑 기계이며, 프레임 상단에 수평으로 움직이는 헤드가 프린팅의 원료가 되는 플라스틱을 얇게 녹인 후, 압출하여 레이어를 형성하고 이를 반복하여 프린팅을 완료함.

Darwin

출처 : RepRap

- Mendel은 렙랩의 두 번째 모델로, 책상에 놓을 수 있을 만큼 작지만, 기존 모델 Darwin보다 큰 것을 만들 수 있을 만큼 인쇄 볼륨이 큼. Darwin에 비해 조립이 더욱 간단하며, 더 가볍고 휴대성이 편리함. 또한, z축에 대한 제약 조건을 개선하여 인쇄물 품질도 높아짐.

Mendel

출처 : RepRap

◎ 오픈된 FFF 방식 기술 및 설계도로 만들어진 저비용 3D 프린터는 1인 제조업을 증가시켰고, 4차 산업혁명 흐름의 핵심이 됨

- 렙랩은 FDM(Stratasys 사의 특허기술 상표) 방식의 기술을 응용한 모델로 처음 시작되었음. 렙랩의 FFF 방식은 개인이 운용할 수 있는 수준의 비용이 소요되는 유일한 기술인 반면, 다른 프린팅 기술들은 운용 비용이 많이 발생함. 하지만 최근 FFF 외에 데스크톱을 위한 SLA, DLP, Powder 등 다양한 기술들도 렙랩 오픈소스 기술을 응용하여 다양하게 쓰이고 있음.

3D 프린터 회사별 이용 경험

출처 : RepRap

- 렙랩이 설립될 당시 3D 프린팅의 가장 기본적인 방식인 용착조형공정(FDM, Fused Deposition Modeling)기법의 기술특허가 만료되었는데, Stratasys 사에 상표권이 있으므로, 렙랩에서는 법적인 분쟁을 방지하기 위해 FFF 방식(Fused Filament Fabrication, 열가소성 수지 압출 적층 방식)이라는 용어를 사용하여 이 기술을 이용해 만들 수 있는 3D 프린터를 공개해 운용 비용을 획기적으로 감소시킴. FDM 방식과 FFF 방식은 용어만 다를 뿐, 뜨거운 노즐을 통해 원료를 녹여 압출하는 동일한 방식을 가리킴. FFF 방식으로 인해 3D 프린터에 대한 접근성이 대폭 증가했음.

FFF 방식의 작동 원리

출처 : 한빛미디어 네이버 블로그

- FFF 방식의 작동 방식은 글루건과 비슷함. FFF 방식에서는 열가소성, 즉 열을 가하면 부드럽게 변하는 필라멘트(Filament)를 실 형태로 가공해 사용함. 공급 장치에 의해 노즐(Nozzle)로 전달된 필라멘트는 얇게 녹여져 사출되고, 이때 노즐이 2차원으로 움직이면 사출되는 재료로 하나의 평면 그림, 즉 레이어(Layer)를 베드(Bed) 위에 그릴 수 있음. 3차원적인 형상을 만들기 위해서는 그 위에 새로운 레이어를 쌓아야 하고, 이를 위해 프린터 헤드를 올리거나 베드를 내림. 이러한 과정을 반복하여 원하는 형상을 얻는 것이 FFF 방식임
*프린터 헤드(Printer head) : 노즐이 부착된 가열 장치
 

- 3D 프린터의 조작기술과 설계도가 모두에게 오픈되어 누구나 기기를 저렴하게 구입해 이 오픈된 소스를 바탕으로 어떤 상품이나 물건을 출력, 소유할 수 있는 세상이 됨. 이는 1인 제조업을 증가시켰고, 4차 산업혁명의 흐름으로 꼽히는 제조업 혁신과 메이커 운동 확산의 핵심이라 할 수 있음.
 

□ 맺음말

- 디지털 제조 수요 확대에 따라 3D프린팅 시장은 긍정적인 평가를 받고 있으며 3D프린팅 솔루션을 도입하는 기업들이 증가하고 있다는 점이 이를 뒷받침하고 있음. 3D프린팅 기술의 활용성과 성장전망을 유지하기 위해 적층 제조 관련 기술개발이 지속적으로 이뤄지면서도 3D프린팅 솔루션과 관련된 안정성, 신뢰성 등 고객들이 가지는 여러 가지 의구심이 해결해야 할 성장 과제로 지목됨.

- 3D 프린터 시장은 오픈소스 프로젝트를 통해 부족한 기술 역량 극복 노력이 더욱 확대될 전망이며 특히, 국내 시장은 스타트업을 중심으로 시장이 형성되어 있어 오픈소스의 영향력이 더욱 클 것으로 기대.

- 특허가 만료된 3D 프린팅 기술을 기반으로 오픈소스 프로젝트가 활성화되면서 개방 생태계가 확산되고 있음. ‘렙랩(Reprap.org)’, ‘이벤트오봇(Eventorbot.com)’, ‘탄틸러스(Tantillus.org)’ 등 3D 프린터 OS 관련 기관이 적극적으로 참여하여 오픈소스 3D프린터 플랫폼 개발을 통해 시장 성장을 촉진시킬 전망

※ 출처

1)https://xyzist.com/advanced-pages/3d-printing-basics/use-my-3d-printer/opensources-for-3d-printing/reprap-tech-korean/
2)https://if-blog.tistory.com/7085
3)https://martist.net/3d%ED%94%84%EB%A6%B0%ED%8C%85%EC%9D%98-%EB%8C%80%EC%A4%91%ED%99%94-%EC%98%A4%ED%94%88%EC%86%8C%EC%8A%A4-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%A0%9D%ED%8A%B8/

4)https://repository.kisti.re.kr/bitstream/10580/8186/1/2017-5%20%EB%8C%80%ED%98%95%203D%20%ED%94%84%EB%A6%B0%ED%8C%85%20%EA%B8%B0%EC%88%A0%EB%8F%99%ED%96%A5%20%EB%B0%8F%20%EC%82%B0%EC%97%85%EC%A0%84%EB%A7%9D.pdf

5)http://www.amenews.kr/skin/news/basic/view_pop.php?v_idx=48644

6)http://www.3dguru.co.kr/bbs/newsroom/13671

7)http://webzine.koita.or.kr/201311-specialissue/%ED%8A%B9%EB%B3%84%EA%B8%B0%ED%9A%8D-3D-%ED%94%84%EB%A6%B0%ED%8C%85-%EC%82%B0%EC%97%85-%ED%99%9C%EC%84%B1%ED%99%94%EB%A5%BC-%EC%9C%84%ED%95%9C-%EC%A0%84%EB%9E%B5

8)https://kiha21.or.kr/monthly/2018/9/2018_09_05_s365.pdf

9)https://reprap.org/wiki/Mendel

10)https://www.itworld.co.kr/tags/51456/3D%ED%94%84%EB%A6%B0%ED%8C%85/107090

11)https://damandler.tistory.com/entry/3D%ED%94%84%EB%A6%B0%ED%84%B0-%ED%99%9C%EC%9A%A9-%EB%B6%84%EC%95%BC-%EC%95%8C%EC%95%84%EB%B3%B4%EA%B8%B0

12)https://dream.kotra.or.kr/kotranews/cms/news/actionKotraBoardDetail.do?SITE_NO=3&MENU_ID=430&CONTENTS_NO=1&bbsGbn=254&bbsSn=254&pNttSn=1887703

13)http://www.industrynews.co.kr

14)https://spri.kr/posts/view/8857?code=data_all&study_type=industry_trend