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[지식정보] 3D 프린팅 국제경쟁력 비교

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3D 프린팅 기술은 3D 프린터가 분말이나 고체 형태의 소재를 녹인 후 계속 쌓아서 만들며 제품 형태로 올라가는 기술이다. 플라스틱뿐만 아니라 알루미늄과 같은 금속 소재도 사용할 수 있어 응용 범위가 대단히 넓은 차세대 제조기술이다. 하나의 기계에서 제한적인 제품을 생산하던 전통적인 제조방식이 아닌, 하나의 기계에서 여러 가지의 다른 제품·부품을 생산할 수 있는 획기적 제조방식이다. 기업은 3D 프린터로 인해 가격 경쟁력을 갖추며 수익성이 향상되고 있다. 글로벌 3D 프린팅 시장은 ’20370억 달러에서 ’24840억 달러로 약 22.7%의 폭발적인 시장 성장률을 보일 것으로 전망된다. 세계 메탈 3D 프린팅 시장은 ’22년 약 8억 달러에 달할 전망이며, 3D 프린팅 특허 출원도 United Technologies, GE, Siemens 등을 중심으로 지속 증가하고 있다. 4차산업의 핵심으로 인식되어 국가별로 자체 원천 기술 확보를 위한 육성정책을 추진 중이다. 주로 의료, 자동차, 국방, 항공 등의 분야에서 시장규모 증가가 예상되며, 3D 프린팅 앱 트렌드도 프로토타이핑(견본 제작)에서 기능성 부품 제조로 변하는 추세다. 이 기술은 스마트 팩토리 구축의 핵심기술로 급부상하고 있다. 최근 한계 극복과 응용 분야 확대, 기술경쟁력 강화에 주력하고 있다. 3D 프린팅 산업은 단지 3D 프린터만을 제조하는 것이 아니라, 소재, S/W 및 서비스 등의 복합적인 산업 구조를 포함한다. 고가 산업용 시장은 독점적 기술력을 갖춘 미국과 유럽, 저가 보급용 시장은 가격 경쟁력을 갖춘 중국이 주도한다. 3D 프린팅 산업은 장비와 소재 그리고 소프트웨어의 융합산업으로, 제품을 직접 제작하거나 서비스를 통해 주문형 생산을 하는 업체로 구분된다. 선진국의 3D 프린팅 기술 선점을 위한 경쟁이 치열해지고 있다. 

 

선진국은 자동차, 항공 등 고부가산업 중심으로 성장하는 반면, 국내는 교육, 공공부문 수요가 성장을 견인하고 있다. 현재 선진국에서는 우주항공, 자동차, 의료분야에서도 활발히 사용되고 있으나, 국내 관련 시장에서의 수요는 아직 미미한 편이다. 국내 3D 프린팅 시장 규모는 최근 3년간 평균 10% 이상 성장하고 있다. 정부는 3D 프린팅 전문 기업기초인력을 육성하고, 전국적으로 산업지원 인프라 및 제도적 기반 조성 중이다. 경쟁력 확보를 위해선 해외로부터 기술 이전 혹은 산학협업을 통한 자체 기술 확보가 필요하다. 바이오, 금속 제조, 신소재 등 융합 분야 발굴 및 집중 지원 필요하다. 코트라 최근 발표자료를 중심으로 정리해본다.

 

자료: KOTRA자료 21-148, 전기전자산업 해외 시장동향 및 시사점: 반도체 장비, 모바일 디스플레이, 3D프린팅, IoT 센서 산업 중심

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1. 글로벌 시장동향

 

글로벌 시장 동향 및 권역별 시장점유율

 

(시장 규모) 전 세계 3D 프린팅 시장은 ’20370US$’24840US$’20년 부터 ’24년까지 CAGR 22.7%의 폭발적인 시장 성장률을 보일 것으로 전망됨

- 주로 의료, 자동차, 국방, 항공 등의 분야에서 시장규모 증가가 예상되며, 3D 프린팅 애플리케이션 트렌드도 프로토타이핑(견본 제작)에서 기능성 부품 제조로 변하는 추세

 

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(성장성과 시장 점유율) 2020년 기준 3D 프린팅 권역별 시장 점유율은 미국(42%), EU(30%), 아시아·태평양(26%)

- 지역별 시장규모는 아시아·태평양, EU, 미국 순으로 아시아·태평양이 앞으로 시장이 가장 유망할 것으로 예상.

- 미국은 주로 국방 항공 분야의 어플리케이션에 투자를 많이 하는 추세. EU는 의료분야에 투자를 집중하는 상황임

- 향후 4년간 미국과 EU는 연평균 20% 이상의 CAGR 성장 예상(자료: Statista, 20209)

 

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글로벌 가치 사슬 변화

 

3D 프린팅 기술은 스마트 팩토리 구축의 핵심기술로 급부상

- 3D 프린팅 스마트팩토리 솔루션은 설계목표와 제조 제약조건을 동시에 고려해 수행되는 혁신적인 설계 방법인 적층 제조 특화 설계소프트웨어로 항공산업과 의료산업은 물론 최근 자동차, 조선, 에너지 산업에 이르기까지 폭넓게 적용됨

- ’14GE가 미국 앨라배마 오번시에 엔진 노즐 생산 공장을 설립한 후, 중국과 인도, 유럽, 일본 등 각국에서 3D 프린팅 공장이 구축되기 시작함

 

최근 3D 프린팅 산업은 한계 극복과 응용 분야 확대, 기술경쟁력 강화에 주력함

- 3D 프린터는 대당 평균 가격이 6,297달러(’15)에서 2,615달러(’18)로 낮아지고 있으며, 3D 프린팅 원천 기술 특허가 만료되면서 시장의 확대가 기대됨

- 메탈 프린팅 확대로 산업용 로봇에 3D 프린팅 시스템을 적용함

- 제조공정의 혁신과 메탈 3D 프린터 기술 적용 범위 확대는, 바이오/의료 등 생명공학 기술 산업과 건설 산업 혁신을 주도하는 등 기술 개발이 진행 중임

 

세계 메탈 3D 프린팅 시장은 ’2년 약 8억 달러에 달할 전망이며, 이와 관련된 특허 출원도 United Technologies, GE, Siemens 등을 중심으로 지속 증가함

- 메탈 3D 프린팅 관련 특허는 전자빔 용융 및 정제기술, 선택적 레이저 용융 기술(SLM), 고강도 재료, 인코넬, 니켈 등에 대한 적층 기술임

 

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권역별 주요기업 동향

 

Stratasys(미국)

 

- 1989년 미국 스트라타시스와 이스라엘 오브젯이 합병해 탄생한 회사로 세계 13D 프린터 제조업체임

- 고체의 플라스틱 필라멘트를 뜨거운 노즐에서 용융한 뒤 압출해 층층이 쌓아가며 모양을 만드는 FDM 기술을 창시

- 산업용 엔지니어링 열가소성 플라스틱을 사용해 플라스틱 파트처럼 완제품으로 사용할 수 있을 만큼 내구성과 강도를 갖춘 것이 특징

- 현재 항공 우주, 자동차, 의료 분야 등에서 제조용 툴링, 소량 생산 완제품의 부품 등으로 활용되고 있음

- 다양한 3D 프린팅 업체가 시장에 진출함에 따라, 시장 점유율(201541.1% 201916.6%)의 감소세를 보이고 있음

 

3D systems(미국)

 

- 미국 사우스캐롤라이나에 본사를 둔 3D 프린터, 인쇄 재료, 3D 스캐너를 제조하는 회사로 1986년에 설립

- 2014년에 이스라엘 의료 영상 회사 Simbionix와 벨기에 회사 LayerWise를 인수함

- 항공기 부품, 잠수정 부품 등에 적층 제조 솔루션을 사용함으로써 수십 년 동안 미국 해군에 적층 제조 전문 지식을 제공

- ’18년도에는 ‘Newport News Chronely’와의 협력을 통해 금속 적층 제조기술을 검증하여 해군 함정 건설함

- Stratasys와 함께 3D 프린팅 업계를 이끌어 왔지만, 최근 시장 점유율(201515.3% 201910.3%)의 감소세를 보이고 있음

- 코로나19로 인해 개인 보호 장비(PPE)와 의료기기 수급 부족이 심각해짐에 따라 의료 분야의 긴급 수요를 충족하도록 협력하는데 기여하고 있음

 

Desktop Metal(미국)

 

- 2015년 설립 이후, 구글, BMW, GE 등 대기업들로부터 3천억 원 이상의 대규모 투자를 받아 주목받기 시작함

- MIT의 금속 분야 교수진과 150명 이상의 연구진에 의해 금속분말 사출성형(MIM, Metal Injection Molding)’공법을 접목한 금속 3D 프린터를 개발

- 사무실에서 사용이 가능할 정도로 대중적인 공정 운영이 가능하도록 적층 방법을 고안해 제품을 설계한 것이 특징

- 2018, ‘폼넥스트(Formnext)’에서 대형 금속 부품 출력이 가능한 데스크탑 메탈 프로덕션 시스템(Desktop Metal Production system)’을 공개

 

Protolabs(미국)

 

- 2014, 초기 프로토 타이핑에서 소량 생산으로 보다 쉽게 전환할 수 있도록 산업용 3D 프린팅 서비스를 출시

- 소규모 성형 부품과 긴급 주문에 대한 대응 생산이 가능

- CNC 가공 프로토 타입 부품을 3D 프린터를 이용하여 제작

- 현재 병원에서 사용할 수 있는 코로나 바이러스 테스트 키트용 안면 보호대, 플라스틱 클립 및 구성 요소를 생산하여 공급

- 2021, 온라인 제조 플랫폼인 ‘3DHubs’를 인수

 

Materialise(EU)

 

- 190년 벨기에에서 설립되었으며, 산업과 의료 분야에서 적층 가공 기술을 활용한 의료 영상 처리와 수술 시뮬레이션 같은 의학·임상학 솔루션 제공

- 최근 금속 3D 프린팅을 이용한 우주 항공 관련 부품을 제작

- 203, 세계 최초로 3D 프린터를 활용해 디자이너와 협업하는 제품 브랜드인‘MGX’를 설립하여 운영 중

- 이를 통해, 50가지 이상의 조명, 가구, 액세서리 제품을 20여 개국에 판매하며, 컬렉션의 일부는 전 세계 주요 미술관 30여 곳의 상설 소장품 리스트에 포함됨

 

NanoDimension(이스라엘)

 

- 3D 프린팅 산업 내 전자 부문의 선두주자로, 최근 비메모리 반도체 시장이 성장함에 따라 주목받을 것으로 기대

- ‘PCB(인쇄회로기판)’를 제작하는 정밀 적층 제조 플랫폼을 보유하고 있으며, 이는 무인으로 작동 가능

 

2. 국내 산업 동향

 

산업 특징

 

3D 프린팅 기술은 3D 프린터가 분말이나 고체 형태의 소재를 녹인 후 계속 쌓아서 만들며 제품 형태로 올라가는 기술

 

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플라스틱뿐만 아니라 알루미늄과 같은 금속 소재도 사용할 수 있어 응용 범위가 대단히 넓은 차세대 제조 기술

- 금속 소재의 강도가 완벽하지 않아 현재까지는 플라스틱 소재를 중심으로 활용 비율이 높게 나타나고 있음

- 열가소성 플라스틱 제품인 필라멘트의 활용도가 특히 높은 이유는 타 소재 대비 가격이 저렴하기 때문으로 보임

- 금속 프린팅 제품의 응용 분야는 금형, 치과 및 의료분야, 자동차, 우주항공, 전자기기 등

- 향후 우주항공 등의 산업에서 주류 생산공정으로 금속 프린팅 사용이 증가할 것이며 방위 및 의료(치과분야)가 금속 프린팅 시장의 성장을 주도할 것으로 전망됨

 

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하나의 기계에서 제한적인 제품을 생산하던 전통적인 제조방식이 아닌, 하나의 기계에서 여러 가지의 다른 제품·부품을 생산할 수 있는 획기적 제조방식

-3D 프린팅 기술은 현재 주로 프로토 타입 생산 분야에 주력하고 있으나, 최근 수백 대의 3D 프린터를 설치하여 대량생산으로 활용하려는 시도도 늘어나는 추세

 

현재 선진국에서는 우주항공, 자동차, 의료분야에서도 활발히 사용되고 있으나, 국내 관련 시장에서의 수요는 아직 미미한 편

- 2018, 금속 프린팅 시장의 최대 점유율을 차지한 곳은 미국으로 일본, 중국, 한국 등의 아시아·태평양의 자동차 산업이 금속 프린팅 기술을 채택하고 있어 향후 CAGR의 큰 성장이 예상됨

 

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산업 구조

 

국내 3D 프린팅 시장 규모는 최근 3년간 평균 10% 이상 성장

 

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3D 프린팅 산업은 단지 3D 프린터만을 제조하는 것이 아니라, 소재, S/W 및 서비스 등의 복합적인 산업 구조를 포함

 

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- 국내 3D 프린팅 시장 구조는 위의 5가지 산업과 관련이 있으며 각 관련 산업별 전문 인력 현황은 다음과 같음

 

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산업 육성을 위한 정부 정책

 

3D 프린팅 산업 현장 활용 가속화 관련

 

(현황) 자동차, 항공 등 고부가산업 중심으로 성장하는 선진국 대비 국내는 교육, 공공부문 수요가 성장을 견인

- (해외 3D 프린팅 활용 산업 비중) 산업용 기계(21%), 자동차(18%), 소비재/전자(14%), 항공 우주(12%), 의료/덴탈(9%) . * 자료원 : Wohlers Asociates 2019

- (국내 3D프린팅 활용산업 비중) 교육(21%), 자동차(15%), 공공(14%), 의료/덴탈(13%), 기계(7%), 항공·조선(7%) . * 자료원 : NIPA 2018

 

(문제점) 산업혁신 수요는 높으나, 3D프린팅 활용가치를 극대화할 수 있는 활용사례가 부족하여 고부가가치 산업으로의 성장이 저조함

- ’15’17년 국내 제조기업 37.7%가 제품·공정혁신 활동 수행

- 3D 프린팅 기술 개발·활용기업은 전체기업의 0.95%, 제조업의 1.46%을 차지

- 국내 3D 프린팅 공급사들의 애로사항은 협소한 국내시장(35.8%)과 수요사의 저조한 인식(32.7%)으로 나타남. * 자료원 : STEPI 2018, 통계청 2017, NIPA 2018

 

(추진방향) 정부 투자 성과가 민간투자 확대와 기술 확산 촉진의 마중물이 될 수 있도록 한국형 성공사례 발굴 및 민간 중심 확산 지원

 

차별적 기술력 확보 관련

 

(현황) 고가 산업용 시장은 독점적 기술력을 갖춘 미국과 유럽, 저가 보급용 시장은 가격 경쟁력을 갖춘 중국이 주도

- 다양한 산업분야에 3D 프린팅 적용을 위한 소재 다변화, DfAM 기술, AI빅데이터 접목, 통합제어 등 관련 연구 활발

* DfAM(Design For Aditve Manufacturing) 3D 기술의 장점을 제품, 시스템 제조에 활용하는 방법

 

(문제점) 우리나라는 3D 프린팅 핵심기술의 해외 의존도가 높고, 활용 분야가 제한적으로 차별화된 경쟁력 부재

- 국제 보호무역 기조가 심화되고 있어 핵심기술 자립화 시급

- 국내 활용 분야 확대를 위해 시장지향 연구개발 강화 필요

- 선도국을 중심으로 관련 기술 혁신 및 고도화가 가속화되고 있어 우리만의 차별적 경쟁력을 확보할 수 있는 기술 선점이 필수

 

(추진방향) 핵심 소재장비SW 기술의 자립화, 잠재수요와 활용가치가 높은 분야의 기술력 확보에 집중해야 함

 

혁신·성장 중심 산업기반 고도화 관련

 

(현황) 3D 프린팅 전문 기업기초인력을 육성하고, 전국적으로 산업지원 인프라 및 제도적 기반 조성 중

- (’17’19) 전문 인력(1,436) 및 강사(20) 양성. (’18’19) 석박사 인력 양성(10)

- 지역별 제조혁신지원센터 6개소, 3D 프린팅 지역센터 9개소, 인체 맞춤형 치료물 제작센터, 친환경 자동차 부품 R&DB 센터 등을 구축하고 운영 중

 

(문제점) 산업 인프라가 기업혁신·성장을 지원하는 역할은 미흡

- 운영인력이 아닌 설계 역량을 갖춘 전문 인재 양성 필요

- 저변 확대 및 시제품 제작 지원과 병행하여 제조혁신을 위한 인프라 고도화와 품질 검증 지원체계 강화 필요

- 신시장 창출을 저해하는 법·제도 이슈 지속 발굴·개선 필요

 

(추진방향) 전문인재 양성, 제조혁신과 기업성장을 위한 인프라 및 기술표준·평가체계 고도화, ·제도 정비를 통해 혁신·성장 촉진

- (3D 프린팅 인력양성 정책수요) 공급기업(28%), 장비 구매 기업(42%), 서비스 이용기업(27%) 순으로 조사됨(자료: 20203D프린팅산업 진흥시행계획, 관계부처합동, 2020.10)

 

3. 코트라의 해외기업 인터뷰 및 시사점

 

3D 프린팅 산업은 장비와 소재 그리고 소프트웨어의 융합산업으로, 제품을 직접 제작하거나 서비스를 통해 주문형 생산을 하는 업체로 구분됨

 

선진국의 3D 프린팅 기술 선점을 위한 경쟁이 치열해짐

- 2017년도에 처음 금속 프린팅 기술이 나오면서 미국, 독일 등 제조 선진국들이 잇달아 3D 프린팅 기반의 제조 혁신에 참여 중

- 산업용 3D프린터 제조사는 17년도에만 135곳이 탄생. 전년동기 대비 38% 증가한 수치

 

기업은 3D프린터로 인해 가격 경쟁력을 갖추며 수익성이 향상됨

- 복잡한 부품은 보통 고가의 정교한 기계장비를 통해 생산되므로 생산 비용이 높았음. 그러나 3D프린터가 이를 대체 가능하게 되어 생산비용이 낮아짐

- 특히, 코로나19로 인해 중요성이 부각되고 있는 의료 분야와 더불어 주요 대기업들의 미래 먹거리로 꼽히는 전장부품 사업에도 3D프린터가 활용됨

 

경쟁력 확보를 위해선 해외로부터 기술 이전 혹은 산학협업을 통한 자체 기술 확보가 필요

- 다양한 제품에 적용될 수 있도록 새로운 형태의 3D 프린팅 방식 및 활용 소재에 대한 연구개발이 필요함

- 3D 프린팅 기술의 범용적인 확산보다는 산업수요와 기술적 파급효과가 높은 산업분야를 발굴하고 관련 시장을 활성화시켜 선순환 구조의 생태계 조성이 필요

- 복잡 형상 구현, 부품과 일체 된 제품 구현, 소량 맞춤형 생산 등 3D 프린팅에 적합한 분야 발굴이 우선되어야 하며, 점차 대량생산 체계로 확대 발전시켜야 할 필요가 있음

 

바이오, 금속 제조, 신소재 등 융합 분야 발굴 및 집중 지원 필요

- 바이오 및 금속 제조 분야에 3D 프린팅에 대한 기술적 수요가 많이 발생하고 있으며, 이들의 기술 수요에 대응하고 파급 효과를 높이기 위해서는 관련 신소재 및 공정 개발 중요

- 해외 3D프린터 기업의 소재 매출은 전체 매출의 20 ̴30% 수준으로 높은 비중을 차지하고 있어, 장비뿐만 아니라 소재 개발에도 집중하여 기술경쟁력을 확보하는 것이 중요

- 특히, 국내 기업 2018년도 매출 구성은 장비(45%), S/W(24%), 서비스(20%), 소재 (1%)로 장비 분야의 매출이 대부분

- 소재 분야의 비중이 적어, 소재 분야에 대한 경쟁력 확보 및 관련 정부 육성 정책이 필요

 

해외 진출을 위한 구체적인 기술 요소 및 유의사항

- 3D 프린팅 속도가 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소

- 그 속도를 얻기 위해선 기존 방식을 바꾸는 X-Y-X 3차원 스테이지(stage)에서 고속 제어(fast control)가 필요

- 이는 point-to-point 제어인 고속 sek 제어가 필요하며 슬라이딩 모드(sliding mode) 제어를 통하여 얻을 수 있음

- 3D systems의 경우 업체 자체의 품질 스펙을 만족해야 함

- ISO 901 인증을 요구하지 않지만, ISO 901 획득이 해외 진출에 도움이 됨. * 자료원 : 3D systems Suplier Quality Specifcation, 2020

 

3D 프린팅 관련 장비의 현지 수출을 위해 권역별로 아래 인증·규격 준수 여부를 사전에 확인 필요

- (유럽) CE / RoHS / ISO901

- (미국) 3D 프린팅 부문 제조혁신센터(NAMI)의 표준. (자료: 코트라 자체 해외 시장 조사 결과 202012

 

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ULI가 최근 발표한 공항 개발 사례 자료를 보고 시사점을 정리하였다. 공항과 그 주변의 복합개발 유형은 공항의 입지, 인구, 산업 특성 등에 따라 다 다르다. 일단은 복합개발 형… 더보기

[지식정보] 코로나 이후 미국 공항 개발 트렌드

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ULI는 최근 코로나가 미국 공항 개발에 미치는 영향, 공항 개발 펀딩의 의미, 여객 시설의 설계 동향, 공항과 주변 지역 사회 간의 연결을 강화하는 방법, 기타 경향 등에 대해 … 더보기