3D 프린팅 기술 및 시장 동향

Report
3D 프린팅
기술 및 시장 동향
2014 . 04
목 차
1. 3D 프린팅에 주목하는 세계
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
4-1 3D 프린팅의 하드웨어와
2. 3D 프린팅 이란 ?
소프트웨어 구성
2-1 개 념
4-2 3D 프린터용 재료
2-2 3D 프린팅 연혁
4-3 재료 관련 기술개발 이슈
2-3 작동 방식별 분류
2-4 작동 방식별 성능과 제작 사이즈
5. 3D 프린팅 특허 동향
5-1 주요 특허 동향
3. 3D 프린팅 동향
3-1 국가별 시장 동향
3-2 국가별 정책 동향
3-3 3D 프린팅 시장 실태와 전망
3-4 주요 이슈
5-2 주요 업체별 보유 특허
1. 3D 프린팅에 주목하는 세계
○ 제조업 Paradigm 의 변화
투자
전통
제조업
한계
판매
재무관리
금형비
재고관리비
최소 주문
투자의사 결정
비용 및 디자인 자유도
측면에서 제품 개발
단계의 가장 큰 걸림돌
부품과 완제품의
적정재고 운영 필수
비용타산이 맞지 않는
소량 주문고객 판매
불가능
높은 초기 투자비용에
따른 의사결정 어려움
및 투자비 회수관리
고객 만족도
재고자산의 회수
불확실성
수천만원에서 수억원에
이르는 금형 제작 비용
및 수개월의 제작 기간
재고유지 및 주문비용,
이에 따른 기회비용
부품수급(SCM)
맞춤형 제품의 높은 가격
다수의 부품을 제작,
수급하여 조립하므로
SCM 비용이 높고 복잡
제조공정의 한계로
Optimum design 구현
불가능
금형 투자 고정비용을
낮춰 소량 생산 가능
주문제작으로 재고
수준 낮춤
최소 주문 수량 감소
금형의 디자인 한계를
없앰
부품을 통합하여 조립
비용절감
금형으로 구현 가능하고
경제적인 디자인으로
타협 필요
3D
프린팅이
바꾸는
제조업
생산
SCM 단순화
Mass customization
향상된 성능과 디자인
현금 유동성에 악영향
중소기업의 경우 흑자
도산 원인이 되기도 함
투자 실패 리스크
감소
회수 불확실 자산
감소로 경영 리스크
감소
자료: ICT와 3D 프린팅에 의한 3차 산업혁명 (KT경제경영연구소)
1. 3D 프린팅에 주목하는 세계
○ 3D 프린터에 대한 주요 기관/미디어 평가
“ 3D 프린터가 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 것 “
- Economist紙
“ 2013~2025 미래 예측 20 “  3D 프린터가 생산 혁명 유발 할 것
- 세계 미래 학회
미래 10대 기술을 발표 하면서 3D 프린터가 두 번째로 포함(2013.2.14)
- 세계 경제 포럼
2012년 최고의 발명품 26종에 3D 프린터 포함
2013년 주목 받을 10대 뉴스
- TIME紙
- Foreign Policy紙
이머징 기술분야 ‘Best of CES’의 하나로 3D Systems의 CubeX 3D 프린터 선정
- CNET
1. 3D 프린팅에 주목하는 세계
○ 용어 설명
 Additive Manufacturing
- 제품의 3차원 데이터를 기본으로
박판을 서로 겹쳐지는 형태를 제조의 근본 데이터로서 작성하여
그것에 분체, 수지, 강판, 종이 등의 재료를 적층하여
물건을 만드는 제조기술.
- AM 가운데서 가장 중심적인 위치에 있는 것이 3D 프린터 임.
 RepRap (Replicating Rapid Prototyper) Project
- 목적 : 무료 오픈소스 소프트웨어(FOSS) 3D프린터를 만드는 것.
- 목표 : RepRap 자신의 부품을 3D프린트하여
또 다른 온전한 RepRap을 복제 할 수 있게 만드는 것.
- 현재, RepRap이 자신의 회로판과 금속 부품들을 프린트 할 수 있게 만드는 연구가
진행 중 임.
 RP : Rapid Prototyping
2. 3D 프린팅 이란 ?
2-1 개 념 : 가상의 3D CAD 데이터를 손으로 만질 수 있는 물리적인 모델로 빠르게 제작하는 조형기술.
• CAD나 Animation 모델링
SW를 통해 3차원 도면 작성
• 디지털 횡단면 작성.
• CAD 가상모델의 횡단면과
대응하여 소재(액체,파우더,
종이 등)를 쌓아 올리는 방
식으로 프린트.
• 사용된 지지구조 제거
• 사포로 연마, 색칠, 용접되는
것이 보통의 과정
2. 3D 프린팅 이란 ?
2-2 3D 프린팅 연혁
연도
분야
1984
제조업
3D 프린팅 기술(Stereolithography) 발명 (by Charles Hull, 3D Systems)
1986
제조업
SLA (Stereolithography Apparatus) 개발, 특허 출원(1987년), SLA-250 발표(1988년)
1988
제조업
• FDM (Dused Deposition Modeling) 발명 (by Scott Crump, Stratasys)
• SLS (Selective Laser Sintering) 개발, 특허 출원
(by Dr.칼 데커드 & Dr. 조셉 비먼, TAXAS univ.)
1999
의학
장기보조기구를 3D 프린터로 제조
2002
의학
소형 신장을 3D 프린터로 제조
2006
DIY
오픈 소스 프로젝트인 RepRap Project 발족
DIY
RepRap Project에서 첫 자가복제 3D 프린터 Darwin 개발 (이후 Mendel 개발)
의학
맞춤형 의족을 3D 프린터로 제조
DIY
3D 프린터를 직접 만들고 제품을 제조할 수 있는 DIY Kit 출시
의학
혈관을 3D 프린터로 제조
2008
2009
항공공학
2011
2012
2013
2014
비 고
무인비행기를 3D 프린터로 제조
자동차
자동차를 3D 프린터로 제조
보석류
3D 프린터의 제조 재료로 금과 은 제공
의학
네델란드에서 3차원 프린터로 인공 턱 구현,
무기
권총 3D CAD 도면 인터넷 업로드
의학
줄기세포 기반 3D 프린터 인공장기 소개
-
SLS 방식 특허기간 만료 예정으로 FDM 방식과 같이 대중화에 많은 기여 예상
자료 : 정보산업연합회(3D 프린팅의 현재와 미래)를 기반으로 재작성
2. 3D 프린팅 이란 ?
2-3 작동 방식별 분류
Type
RP 방식
압출 적층
FDM
ABS, PLA, Thermo
-plastic (젤), Food
가는 실과 같은 filament 형태의 열가소성 물질을 nozzle 안에
서 녹여 얇은 film 형태로 출력, 한층씩 적층해 나가는 방식
SLS
Thermoplastic, metal
powders, ceramic powders
분말을 레이저 빔으로 소결하여 조형하는 방식.
SLM
스테인리스 스틸, 코발트 크
롬, 티타늄, 알루미늄
파우더 분말을 고 에너지 레이저를 이용, 가루를 녹여
층층이 쌓아 올리는 방식
EBM
티타늄 합금
금속 파우더를 진공 속에서 전자 빔으로 용해시키는 방식.
DMT
구형 일반 금속(합금) 분말
고출력 레이저 빔을 이용, 금속 분말을 녹여 붙이는 방식
PBP
석회가루 등 Powder
Powder에 접착제를 사용하고 프린터 헤드를 통해서 플라스틱
이나 수지 소재의 파우더 층을 한 층마다 분사하는 방식.
LOM
종이, 금속 호일, 플라스틱,
필름 등 sheet
종이, 플라스틱, 금속 Laminate 층 등의 필름형태 재료를 칼
이나 레이저로 절단하여 접합체로 접합하여 조형하는 방식.
SLA
Liquid Photopolymer
Resin이라고 하는 UV광경화성수지에 UV 레이저를 쏘아
한번에 한층씩 굳혀가는 적층 방식.
DLP
Liquid Resin
액체 상태의 광경화성 수지에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투
사하면서 수지를 층층이 굳혀(경화) 프린팅 되는 기술
Polyjet
Liquid Resin
잉크젯과 광조형 혼합방식. 프린트헤드에 있는 수 백개의 미세
노즐에서 재료 분사와 동시에 자외선으로 경화.
ABS Like,
아크릴 (Liquid-inkjet)
프린터 헤드에서 아크릴 광경화성 수지와 지지대가 되는 왁스
재료를 동시에 분사, 자외선으로 고형화하는 방식
분말 재료
결합
Lamination
광중합
(Photopolymerization)
MJM
재료
특징
FDM (Fused Deposition Modeling) – 용융수지 압출 조형
 X,Y,Z 축을 기반으로 노즐의 움직임을 제어하고
막을 형성.
 소재는 Hot Plate 와 노즐(nozzle)을 거쳐 용융
되어 통과.
 노즐을 통과한 소재는 적층과 동시에 경화되며
제품 형태를 만듦.
[용융 접착 방식]
[FDM 기술원리]
필라멘트가 Extruder와 연결
원료가 둘둘
말려있는
필라멘트 스풀
핀치시스템을 사용하여
압출기는 토크 및 정확한
양을 공급, 필라멘트를
철회
가열된 필라멘트가 더 작은
직경의 노즐을 통해 밖으로
나옴.
1. 녹은 플라스틱을 분사하는 노즐
2. 녹은 재료가 쌓여진 것
3. 조작 가능한 이동 태이블
히터 블록은 필라멘트가 녹을 수
있는 온도로 올라감.
압출된 원료가 녹아 설정된
양 만큼 쌓이게 됨
인쇄 헤드나 베드가 X/Y/Z축으로
원료가 정확히 설정된 지점에 위치하도록 동작.
• 장점 : 장치 구조와 프로그램 간단 함. 장비 가격과 원료 비용이 상대적 저렴..
• 단점 : 출력물의 detail 과 표면 조도가 대체로 미흡.
소재 경화시간이 있어 흘러내림 방지 지지대 필요성으로 부 재료 소모가 큼.
SLS (Selective Laser Sintering) – 선택적 레이저 소결
 Bed에 도포되어 있는 Powder에 선택적으로 Laser를 쏘면, Laser를 맞은 부분의 powder는
소결(Sintering), 즉 분말을 가열하여 결합.
[SLS 기술원리]
레이저
스캔 미러
로더
고결 상태의 모델더
파우더
전달 시스템
파우더 공급 피스톤
조형물 피스톤
• 장점 : 속도가 빠르고, 재료 다양하며, 완제품이 정교 함
• 단점 : 프린터가 고가에 부피가 크고, 사용을 위해 전문적인 교육이 필요.
SLM (Selective Laser Melting) – 선택적 레이저 용융
1)
2)
3)
4)
5)
Wiper 라는 재료 이송 및 도포 장치가 작업 플랫폼 한 층 두께만큼 미세한 메탈 파우더를 얇게 도포.
도포된 파우더 위로 레이저가 조형하고자 하는 영역을 선택적으로 조사.
레이저에 조사된 파우더는 용융되고 나머지 부분은 파우더 상태.
레이저가 파우더를 용융하고 있는 동안 산화 방지를 위해 불화성 가스(아르곤)가 챔버 내에 공급.
한 층 작업이 끝나면 작업 플래폼은 아래로 한 층 만큼 내려가며 다시 와이퍼가 파우더를 공급.
[SLM 기술원리]
• 장점 : 특성상 그 어떤 복잡한 형상의 메탈 재질 제품을 쉽게 만들어 내기 때문에 선호도가 높음.
• 단점 : 정교함과 정밀도는 다소 떨어짐..
SLM : Selective Laser Melting
EBM (Electron Beam Melting) – 전자 빔 용해법
• 진공상태에서 전자빔으로 금속분말을 녹여서 작업
• 한층 작업 완료 되면 작업 베드는 아래로 이동
• Roller 가 금속분말로 새로운 층을 쌓음
• SLM 방식과의 차이점 : EBM은 전자빔 사용, SLM은 레이저 사용.
[EBM 기술원리]
• 장점 : 공극이 없고 매우 견고 함.
EBM : Electron Beam Melting
DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling) – 레이저 금속 성형 기술
1)
2)
3)
4)
작업 플랫폼의 한 층에 해당되는 두께만큼 미세한 메탈 파우더를 얇게 도포.
도포된 파우더 위에 정밀한 레이저가 조형하고자 하는 영역을 선택적으로 조사.
조사된 부분이 용융되며 제품을 조형..
레이저가 파우더를 용융하고 있는 동안 산화 방지를 위해 불화성 가스(아르곤)가 챔버 내에 공급
[DMT 기술원리]
• 장점 :
- 구형의 일반 산업용 금속(합금)
분말을 사용하므로 경제적 임.
- 조형과정에서 재료의 손실이
없으므로 고가의 특수금속제품
제작 적합.
- 내부 구조물을 갖는 금속 제품
제작 가능  복잡한 구조 금속
제품 제작
- 손상된 금속 제품과 금형 재생
또는 보수 가능.
- 합금설계분야 적용 가능.
DMT : Laser-aided Direct Metal Tooling
PBP (Powder Bed & inkjet head 3d printing) - 분말 및 잉크젯 투사 조형
 프린터 헤드의 Nozzle 에서 액체상태의 컬러 잉크와 경화 물질(바인더)을 분말 원료에 분사하여
조형하는 방식
[PBP 프린터 구조]
[분말 및 잉크젯 투사 조형 기술원리]
• 장점 : CMYK 컬러 잉크를 사용, 원하는 컬러를 거의 그대로 출력 가능해 최상의 detail을 얻을 수 있음..
• 단점 : 조형 완료 후 분말 제거 및 표면처리 필요. 가격이 비싸 개인 운용이 어려움.
LOM (Laminated Object Manufacturing) – 개체 접합 조형
1)
2)
3)
4)
5)
재료의 시트가 가열된 롤러로 기본 구조물에 붙여짐.
Laser가 모델 한 층의 형상대로 잘라내고 나머지 불필요한 부분 제거 됨.
적층이 완료된 플랫폼은 아래로 살짝 내려감.
새 재료시트가 플랫폼 위로 다시 올라옴.
적층될 층을 조형중인 모델에 붙이기 위해 플랫폼이 다시 위로 올라옴.
[LOM 기술원리]
• 장점 : 제작 비용이 저렴. 실사와 같은 색상 인쇄 가능. 작업공정 시 수축이 작고 잔여물이 붙지 않음.
• 단점 : 종이를 이용할 경우 내구성이 약함.
LOM : Laminated Object Manufacturing
SLA (Stereo Lithography Apparatus) – 입체 인쇄
1)
2)
3)
4)
5)
3D CAD 도면를 작성하여 SLA machine으로 전송
제조 단계에서 레이저 사용 - 레이저의 각 자국은 1층 막을 형성
반복하여 막 형성 과정이 완료
수지 지지대 제거
자외선 오븐에 넣어 건조 시킴
[SLA 기술원리]
• 장점 : 정밀도가 뛰어나고 속도가 빠른 편 임.
• 단점 : 내구성이 떨어짐.
DLP (Digital Light Processing] - 마스크 투영 이미지 경화 조형
○ 이미지 프로세스 칩을 장착, 이미지 고 정밀 표시를 구현하는 기술. 광원으로 Digital Light Projector 사용.
1) 안전광 환경에서 한통의 액체상태 폴리머를 DLP 프로젝트에서 나온 빛에 노출.
2) 빛에 노출된 폴리머는 굳게 되며, build plate가 서서히 아래로 움직이게 되어 다시금 빛에 노출.
3) 최종적으로 통 안의 액체상태 폴리머는 따라 내어져 고체상태 모델만 남게 됨.
[DLP 기술원리]
• 장점 : 소음이 적음. 표면조도 우수. 출력속도가 빠름.
• 단점 : 사용 가능한 원료와 색상이 제한적. 원료와 프린터 비쌈. 제품 사이즈가 작음.
Polyjet (Photoploymer Jetting Technology - 폴리젯 적층 조형)
1) 포토폴리머 재료를 build tray에 분사.
2) 이렇게 분사된 재료는 16~30㎛ 두께의 초박형 층을 형성.
3) 이때 각각의 층은 분사 뒤 자외선을 쬐어 경화.
[폴리젯 적층 조형의 기술원리]
• 장점 : 소음이 적음. 치수정밀도가 뛰어나 우수한 표면 조도. 출력물 품질 매우 높음.
• 단점 : 비용이 많이 듦.
MJM (Multi Jet Modeling) – 멀티 젯 조형
O 프린터 헤드에서 모델 재료인 Acrylic Photopolymer와 지지대(Support)가 되는 WAX재료를
동시에 분사. 자외선으로 굳혀가며 모델을 만드는 방식.
1) 작업대가 앞뒤로 왕복하면서 정해진 위치에 모델 재료와 지지대 재료가 적층 될 수 있도록
X축 방향을 잡아주게 되며
2) 모델이 한층 한층 완성되면서 그 높이만큼 MJM 헤드가 Z축 방향으로, 즉, 위로 올라감.
[멀티 젯 조형의 기술원리]
• 장점 : 정밀도가 가장 높은 기술. 내부를 확인 할 수 있는 조형물 제작에 적합. 표면조도 우수.
• 단점 : 강도가 약하며, 65 ℃ 이상에서 변형 가능. 가격이 비쌈
MJM : Multi Jet Modeling
2. 3D 프린팅 이란 ?
2-4 작동 방식별 성능과 제작 사이즈
○ 3D 프린터 작동 방식별 성능
2. 3D 프린팅 이란 ?
○ 3D 프린터 작동 방식별 제작 사이즈
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-1 국가별 시장 동향
국가
시장동향
• 미국시장은 2011년 기준 세계 3D 프린터
시장의 38% 이상 점유
미국
• 상위 8대 기업 가운데 5개 업체가 미국기업
(Stratasys, Envisiontec, 3D systems, Z Corp,
Solidscape)
• 미국 3D 프린터 제조업체 매출액
- 2012년 16억 8,550만 달러,
- 2017년 32억 6,520만 달러 전망.
(연 평균 성장률 14.1% 전망)
중국
일본
활용 분야
• 소형제품 생산에 사용. (모형제작, 보청기, 보석 등)
 최근 자동차 부품, 항공기 부품 등 대형제품을 제조
• 사례
- Boeing : 찬 공기를 전자장비에 공급하는 배관을
비롯하여 약 300개 소형항공기 부품을 생산.
- United Technologies Corp. : 항공기 엔진에 사용되는
날(Blade)과 날개(Vane)를 생산 중
- Honeywell : 항공기용 열교환기(Heat Exchanger)와
금속 교정장치를 생산 중
- GE : 사람 피부를 통해 나오는 초음파이미지를 기록할
수 있는 초음파 의료영상기기에 적용 계획.
• 대학 및 일부 기업을 중심으로 빠르게 발전.
산업 영역에서는 초기 단계
• 중항레이저 : 3D 성형기술
• 현재 시장규모는 3억 위안에 불과
 3년후 100억 위안에 달할 것으로 추산.
• Farsoon Hi-Tech : 2012.8월 부터 중국 최초 자주적 지적
재산권 보유 3D 프린터 생산 및 미국 수출
• 3D 프린터 기기 및 서비스 일상생활에서의
보급 진행.
- 최근 몇 년간 100만엔 이하의 비교적
저렴한 고정밀 3D 프린터 생산
 대기업/중소업체까지로 수요 확대.
• Abee : 가정용 3D 프린터 ‘SCOOVO C170’
(18.9만엔) 출시 예정
• 팀랩, DMM.com 및 nomad3사는 공동으로 3D 프린팅
서비스 ‘DMM 3D인쇄’ 발표. (사용자가 만든 3D모델
데이터를 인터넷을 통해 업로드하여 전용인쇄 센터에
설치된 3D 프린터로 출력/사용자에게 보내는 서비스)
• 3D 프린터 카페 ‘FAB Café’ 등장((Lofework 사 운영)
- 팹카페(fabcafe.com)는 발렌타인 기념 3D 프린팅
초콜릿을 제작해 주는 이벤트를 진행.
• B2B 시장이 중심. B2B, B2C 시장 병행.
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-1 국가별 시장 동향 (계속)
국가
시장동향
• 영국, 독일, 네델란드 등 국가의 기업들이 3D 분야에서 성과를
보이고 있으나 상업화 수준은 미국에 비해 낮으며 시장이 크지 않음.
• 전문기업 및 대학을 중심으로 관련 기술개발을 활발히 하고 있어
기술과 인력 수준은 글로벌 상위로 평가 받고 있슴
• 고객 맞춤형 차별화 경향에 따라 소량의 차별화된 다양한 제품 개발.
○ 영국
• 첨단 제조산업에 빠르게 도입.
• Maplin사 : Velleman K8200 모델 3D 프린터 출시
EU
○ 네델란드
• Shapeways 사
- Philips 사 디자인 부서의 핵심 디자이너들이 독립해 설립한
‘startup’기업.
- 개발자 ‘릭 콤판여’는 ‘두들3D’를 개발.
- 2012년 기준 15만명의 유저 기반으로 연간 120만개 제품 프린팅
• Ultimaker 사 : 2010년 설립 3D 프린터 제조업체
• TNO : 2007년 부터 3D 프린팅 기술 연구 중. 상용화 제품 출시.
소재 다양화 및 프린팅 속도 향상 기술 개발 중.
○ 독일
• 프린터 가격 하락으로 가정용 취미용 시제품 제작으로 확대
가능성 주시.
• 여성용 의류제작 전문 디자이너들이 3D 프린터를 이용한
신종 사업 개시
• 독일 랩랩이 최근 3D 프린터 Protos의 성능 개량형 출시
활용 분야
○ 영국
• 유럽 항공우주방위산업체
EADS는 Airbike 자전거 제작
• 초콜릿 3D 프린터 장치 개발
○ 네델란드
• 대표적 활용부문 :의료 부문
- 티타늄 소재 인공 턱뼈 개발
• 3D 프린팅을 통해 제품
디자인, 판매, 제조, 배송을
한번에 해결할 수 있는 통합
서비스를 제공.
○ 독일
• 개성이 강한 소비자를 위한
실내전등, 스마트 폰 등 분야
• 비키니 수영복, 신발 분야
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-1 국가별 시장 동향 (계속)
국가
한국
시장동향
활용 분야
• 2009년 부터 2년 연속 전년대비 30~40% 고성장.
 2013년 상반기에 2012년 실적 이미 초과 추정.
• 국내시장은 초기 단계 임. 2012년 시장 규모 약 300억원 추정.
최근 판매 중인 프린터 90%가 수입이며, 국산 품질이 다소 떨어짐.
• 최근 삼성전자가 연계사업 검토 중이며, 그외 LG전자 등 대기업들 • 휴대폰 케이스, 자동차, 가전,
3D 프린터 기술 확보 노력.
의료기기, 완구, 방위산업 등
• 캐리마 : 2009년 3D 프린터 ‘마스터’ 개발. (DLP 방식)
다양한 제조업체 및 3D 설계
• 로킷 : 3D 프린터의 오픈소스 기술 기반 ‘에디슨’ 개발
엔지니어에 까지 보급 확산.
(‘데스크톱’형)
• 현대 모비스 : 자동차 부품,
• 인스텍 : DMT기술 기반 장비 개발. 관련 원천기술 보유
디자인 확인, 기능성 테스트에
 국내 전자회사, 의료회사, 연구소 등에 7대 장비 납품.
활용.  계기판, 운전석 모듈,
• 엔피케이 : 3D 프린터의 주원료인 열가소성수지의 착색 컴파운드
Front-end module, 안전장치
및 고농도 안료의 뱃지 설계-개발-생산-판매를 진행.
등 제작분야.
 새로운 가공 안료 개발 중.
• 대학교 및 연구실에서 활용.
• 세중정보기술 : 미국 ‘3D SYSTEMS’사 한국내 판권 보유, A/S지원.
• 신도커머스 : 자사 온라인 쇼핑몰 OfficeBuy에서 기기 및 재료
판매.
• BRULE 코리아 : maketBot 사의 기기 및 재료 판매
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-2 국가별 정책 동향
○ 미국, 일본, 유럽 등 주요국들은 3D 프린팅 육성을 위하여 산업 클러스트 형성, 산·학 연계
기술·제품 개발 등 연구지원을 통해 산업육성 지원.
국가
정책 동향
미국
• 3D 프린팅 기술개발에 3천만 달러 규모의 3D프린팅 특화기관 설립 계획 공개.
• 연방/지방 정부와 대학을 중심으로 하는 “제조업 혁신을 위한 컨소시엄” 설립
• AM 정책의 경우, Design으로부터 공정, 소재, system 및 Test bed center까지 전 분야에 걸쳐 국가
주도적으로 기업과 함께 개발 및 실용화를 진행 할 계획.
중국
지방 정부마다 경쟁적으로 3D프린터 산업단지 조성.
- 주하이, 칭다오, 우항, 청두 등 에 3D프린터 산업혁신센터와 산업단지 구축 추진
중국 당국 관련부처 3D 프린터 산업육성 및 지원 방안 강구
일본
2013년 5월 경제산업성 3D프린터 개발 계획 발표 (개발 예산 약 30억엔, 완성시기 2018년)
- 산업기술종합연구소가 프로젝트 총괄, 민간업체가 역할 분담하여 개발.
- 주조형 모래형을 제작할 수 있는 3D프린터 위탁 개발.
- 217년까지 2000만엔 이하인 프린터 개발 예정.
EU
한국
유럽위원회는 제조산업의 재활성화 밑 경제성장을 목표로 3D프린팅 기술을 제조업의 주요 트렌드로
육성하기 위한 전략 개발 및 개발자금 투자 논의 중.
○ 영국
• 3D 프린터를 “제조업과 경제를 변화시키는 기술”로 인식, idea를 SW로 구현하고 3D프린터로 직
접 만드는 교육을 통해 창의적 idea가 현실화될 수 있는 방법을 10대부터 학습 시킬 계힉.
• 2013년 7월 『3D 프린팅 산업 발전 전략 포럼』 발대식 개최를 통해 본격적인 육성에 나섬.
• 3D프린팅 기술을 타 산업과의 융합을 통한 파급효과가 큰 차세대 제조 핵심 기술로 선정.
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-3 3D 프린팅 시장실태와 전망
산업별 점유율
국가별 점유율
Architectural,
Government/mili 3.9%
Other, 3.6%
tary, 5.2%
Russia, 1.4%
Academic
Motor vehicles,
institutions, 6.8%
Taiwan, 1.5%
Other, 12.0%
18.6%
China, 8.7%
Aerospace,
Korea, 2.3%
10.2%
Medical/dental,
16.4%
Japan, 9.7%
Industrial/busin
Consumer
ess machines,
products/electr
13.4%
onic, 21.8%
U.S., 38.0%
Spain, 1.3%
UK, 4.2%
Italy, 3.8%
Sweden, 1.2%
자료 : Wohers Associates, Inc.(2013)
Germany, 9.4%
Turkey, 1.4%
Canada, 1.9%
France, 3.2%
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-3 3D 프린팅 시장실태와 전망 (계속)
개인용 3D 프린터 시장의 상위업체 점유율
산업용 3D 프린터 시장 상위업체점유율
Delta Micro
Beijing Tiertime
2%
Factory, 5%
EOS
Others
10%
Envisiontec
2%
11%
Objet
15%
MakerBot, 22%
3D Systems
18%
Bits grom Bytes,
Solidscape
Startasys
○ STRATASYS 와 3D SYSTEMS 비교
매출 (달러)
매출 구조
최근 주요 M&A
세계시장 점유율 (2010년)
13%
4%
39%
구분
Reprap, 60%
자료 : 정보통신산업진흥원
Stratasys
3D Systems
1.2억 (2009년) 약 2,1억 (2012년)
1.1억 (2009년) 약 3.6억 (2012년)
기기 50%, 소재 25%, 서비스 25%
기기 30%, 소재 30%, 서비스 40%
Objet(2012년) , Solidsacpe(2011년) 인수
Z Corporation(2012년) 인수
56%
19%
3. 3D 프린팅 시장 동향
○ 장비 가격
○ 프린터 및 재료 가격
○ 개인용
3D 프린터 평균가격 추이
가격(천 달러)
프린터
재료
가격/1lb
RepRap
$ 300
plastic
$14
MaukCC
$1,450
plastic
$17
Bits_Bytes
$1,400
plastic
$20
프린터
재료
가격/1lb
RepRap
$ 9.900
포토폴리머
$850
MaukCC
$22,000
ABS 플라스틱
$185
Bits_Bytes
$19,900
포토폴리머
$175
140
120
117.7
100
73.2
80
○ 산업용
60
01'
02'
03'
04'
05'
06'
년도
07'
08'
09'
10'
○ 향후 전망 (매년 평균 20%~30% 성장 전망)
세계 3D 프린터 시장규모 전망 (억$)
매출액
150
100
108
50
0
17
2011년
22
2012년
37
2015년
49
2017년
63
2019년
2021년
11'
3. 3D 프린팅 시장 동향
3-4 주요 이슈
○ 향후 해결해야 할 과제
구분
기술 측면
사회 문화 · 법률
측면
과제
내 용
소재, 디자인, 완성도
품질 경쟁력 부족 및 수지 타산 안 맞음  전문가적인 기능, 디자인 필요
표준화
관련 용어 및 재료 표준화
총기류 제작
Defense Distributed 그룹 : 3D 프린터로만 제작된 총기 제작.
도면에 대한 저작권
• 인터넷 공간에 돌아 다니는 도면을 D/L 받아 3D프린팅/제작
• MakerBot : 3D프린팅 제품 설계도면을 공유 가능케하는 커뮤니티 사이트
인 Thingiverse 운영  저작권 소송
○ 활성화 이슈
사업 기회
이 슈
요소기술 개발
• 크기 : 개인용 가로세로 200~300mm, 전문가용 1m 수준.
 사이즈가 클수록 작업사간은 기하급수적 증가
• 내구성 : 전통 제조방식의 80 % 수준.
• 조형 속도 : 상업용 3D 프린터 150mm/초
• 현 3D 프린터 기술은 너무 복잡함. 사물을 인쇄하기 위해 3D sw를 사용 해야 함
소재와 재료 개발
• 프린팅용 플라스틱 : 합성수지류 중심으로 제한적으로 사용 가능
• 콘크리트, 나일론, 금속분말 : 연구 단계,
금, 은 : 실험 단계
가격 절감
• 3D 프린터 가격 : 2001년 117,700 달러  2011년 73,200 달러
(10년 사이 산업용 3D 프린터 가격 약 38% 정도 하락)
• 학교나 가정에서 쓸 수 있는 보급형은 100달러 대 이하 제품 출시 증가.
제도와 규제 정비
• 최근 플라스틱으로 만든 세계 최초 3D 프린팅 총기 공개.
 총기 도면 내용에 대한 관리, 총기 제작용 부품 관리. 개인 소유 무기 관리체계 등
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
4-1 3D 프린터의 하드웨어와 소프트웨어 구성
○ 하드웨어 분야
분류
구성 부분
X/Y/Z 축의
선형 운동체
부분
X축 : 좌우 이동
Y축 : 전후 이동
Z축 : 상하 이동
프린트 베드
(Print Bed)
출력물이
올려지는 곳
본체
주요 기능
벨트와 풀리
(Belts and
Pulleys)
- X/Y 축을 움직이는데 사용
- 벨트와폴리 조합은 정확도를 고려 할 때 중요.
(T5, T2.5, MXL, GT2 등)
스레드 노드
(Thread rod)
Z 축 움직이는데 사용
Upper Plate
- Low Plate 의 네 귀퉁이에 있는 스프링 위에 고정
- PCB 기판이나 금속으로 만들어 짐.
Lower Plate
Upper Plate를 지지 할 수 있는 기반을 제공
Controller
전자 부품
Stepper Motors
X/Y/Z 축의 움직임과 익스트루더 컨트롤을 위해 사용
Stepper Drivers
Stepper Motors와 Controller 의 중개 역할
End Stops
멀리 떨어져 있는 부품에 직접 연결 할 수 있는 스위치가 있는 작고 간단한
회로보드
Heated Bed
일정 온도의 열을 인쇄하는 동안 인쇄물에 가해 뒤틀린 현상 방지.
• 원료 필라멘트를 노즐에 공급
익스트루더
• 베드에 필라멘트를 녹여 안착
(Extruder) • FDM 방식의 핵심
Cold end
• 필라멘트를 녹여 Hot end로 보내는 역할
• 모터와 기어로 구성
Hot end
• 원료 필라멘트를 녹이는 역할
• 금속관의 온도를 측정하는 Thermistors
• 히터와 노즐로 구성
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
○ 3D 프린터 하드웨어 타입
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
○ 소프트웨어 분야
분류
구성 부분
소프트웨어
CAD
파일
주요 기능
정해진 매개변수에 근거하여 손쉽게 파트(part)들을 변경하고 조작할 수 있게 함.
• Parametric files 라고도 불림.
• 가장 널리쓰이는 메쉬 파일 포맷은 STL 임.
• STL 파일은 CAM 툴에서 사용.
Slicer
STL에서 G코드로 변환하는 과정
- 파트를 슬라이스 한 뒤, 각 슬라이스의 횡단면을 보고 프린트
헤드가 플라스틱을 분사하며 움직여야 하는 경로를 탐색.
- ㄱ 뒤 계산을 통해 거리에 맞게 압출기를 통해 주입해야 하는
필라멘트 양 산출.
G code Interpreter
파일의 각 라인 해독 실제 전기신호를 모터에 전해 랩랩 작동법 지시
G code Sender
G코드 파일을 통합형 하드웨어 통역기로 전송
소프트웨어
CAM
파일
G 코드
펌웨어
소프트웨어
파일
CAM 툴에 의해 사용되는 주된 파일 : STL, G코드 파일
기계공정에 적합한 포멧
펌웨어를 컴파일하고 Arduino 기반의 전자장치에 업로드 하기 위해선 Arduino IDE
사용
펌웨어 파일들은 주로 Arduino IDE 프로젝트를 위한 소스코드로 활용.
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
4-2 3D 프린터용 재료
분류
내용
ABS
플라스틱 합성 수지
ABS Like
플라스틱 계
PLA (Poly Lactic Acid)
아크릴
PC (Polycarbonate)
• 향후 개인용 3D 프린터 분야에서 일반인이 가장 많이 사용할 것으로 예상.
 강도, 영 내구성, 가격 측면에서 유리.
• 정밀도에서 약점.
• 3D Systems사가 잉크젯 적층방식에서 사용
• ABS 성질을 가지면서 정밀도,표면조도 탁월
녹는점이 낮고, 열 수축 현상이 적음. 내구성,가격 면에서 약점
• 3D Systems사가 잉크젯 적층 방식(MJM)에서 사용
• 정밀도 탁월. 강도와 온도에서 약점
• 열가소성 플라스틱. 강한 충격방지 가능한 소재.
• 치수 안정적. 고온에서 변형이 없음. 높은 장력,유연성, 높은 강성.
금속계
• ExOne사의 ProMetal에서 사용. (사용 재료 : Stainless Steel, Bronze, Tool Steel, Gold)
• 독일 MCP 사의 SLM RP : 알루미늄, 코발트크롬 등 금속재료 사용 제품 제작 가능,
• 2014.2월 SLS 특허 만료(3D Systems 사)
 3D 프린터의 중요한 개발대상은 금속분야라는 견해가 많음.
 금속 프린터 가격 하락 예상.(수억원  수천만원대)
 수년내에 자동차와 항공기, 선박 부품 등의 대량 생산 가능 전망
• CNC 기계 사용 분야는 SLS 방식 3D 프린터로 적용 가능.
 금속부품 대량 생산 가능 예상
파우더
• 접착제를 잉크젯 프린터처럼 분사하여 파우더를 붙이면서 조형물을 완성
• 강도는 약하지만 컬러 구현 가능
• 적층 Layer 두께 : 0.09~0.1 mm
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
4-2 3D 프린터용 재료 (계속)
분류
내용
왁스
• 보석, 치과용 보철, 의료기기 분야에 응용 가능
• 적층 Layer 두께 : 0.076 mm
고무
•
•
•
•
•
•
옅은 황백색의 미세한 알갱이 파우더  강도가 우수하고 유연하며 내구도가 있는 소재.
마찰 내성을 가지며 세밀한 재현 어려움.
모래와 알갱이 모습을 띠는 것이 특징.
미국의 유통제한사항에 저촉 됨  제 3자조차 생산,유통 불가능.
국내 캐리마 업체는 DLP 방식을 채용한 Rubber like 수지 사용
선택적 레이져 소결(SLS) 공법에서 사용.
•
•
•
•
나무(톱밥)와 복합재료를 조합하여 FDM 방식으로 사용 가능.
인테리어 분야에 적합.
40% 정도의 재활용 목재를 사용, 무공해 화학재로 접착 사용.
버클리 대학의 한 프로젝트에서 프린팅 비용 절감 목표로, 나무와 소금 같은 자연자원을 사용.
현재 실용화 단계.
나무
종이
• 엠코 테크놀로지의 3D 프린터는 종이를 사용, 조형물 제작
• 강도는 나무재질 정도 되며 드릴로 구멍을 뚫는 작업 가능.
모래
ExOne 사에서는 Sandcasting를 CAD 데이터로 부터 작업 기능.
유리
ExOne사의 ProMetal은 100% 재사용 가능한 ‘soda-lime glass’ 유리 재료로 조형물 생산 지원.
세라믹
• 600 ℃ 열에 견디며 재활용 가능. 현재 소재 가운데 유일한 식품안전 소재.
• 가격 : 다른 소재들과는 달리 면적으로 책정
• Z Corp. 프린팅 테크놀로지는 세라믹으로 디자인 만드는데 사용.
나일론
3D Systems사의 SLS 방식 장비는 나일론 재료를 사용하여 월등한 강도와 내열성이 130도 까지
견디는 샘플 제작 가능.
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
○ 3D 프린팅 재료별 조형물
4. 3D 프린팅 기술 개발 동향
4-3 재료 관련 기술개발 이슈
분류
내용
다중 소재 프린팅
• 여러 소재를 한번에 프린팅.
• 2011년 Objet사 다중소재 프린터 출시
 겉은 플라스틱, 안은 전도체 소재 배터리 프린팅
• 이론상 아파트 출력 가능한 기술
세라믹스 3D 프린팅
• 2012년 포매택 세라믹 기술 이용 제품 생산
• 어드매택 프로젝트 : ECN과 이노텍 유럽이 광범위한 세라믹스 재료의
3D 프린팅 기술 개발
고강도 3D 프린팅 소재
– ‘티글라스’
Taulman3D는 고강도 3D 프린팅 머티리얼 출시 (T-Glase)
- 강도 우수
- 최적온도 : 210~220 ℃ (207~235℃까지 사용 가능)
- FDA 승인 득, 식품용기 등으로 사용 가능. 재활용 가능
- 인쇄 시 수축이 극히 적음. 냄새나 연기가 나지 않음.
겔 재료의 3D 프린터 개발
• 겔 상태의 물질을 이용 3D프린터로 입체형상 조형. 의료,식품분야 활용 기대
• 도쿄의 정밀가공업체와 공동으로 겔 조형 기술실증장치 개발.
• 인공혈관, 뇌동맥류 수술의 검증 모델, 재생의료용 세포배양틀 등 생산 예상
액체 금속을 이용한 3D 프린팅
개발 기술
3D 프린팅에 금속을 사용 할 수 있는 신기술 개발.(노스캐롤라이나 주립대)
태양열을 이용해 모래를 녹여
3D 프린트 하기
SLS 방식 3D 프린터인 솔라신터(SolarSinter) 개발
: 태양광에너지를 전력과 소결에너지로 사용. 주원료를 모래를 활용해 유리를
녹여 만드는 방법 활용
폐품 플라스틱 재활용
• 2013년 Filabot 발표 : 폐품플라스틱을 3D 프린터용 필라멘트로 바꾸는 로봇.
• Filabot이 있으면 Makerbot 등의 3D프린터에서 사용 원료를 페기물로 만들 수
있음.  2013년 판매 예정
5. 3D 프린팅 특허 동향
5-1 주요 특허 동향 (이슈퀘스트 분석)
IPC별 3D 프린터 관련 출원 동향 (단위:
연도별 3D 프린터 관련 출원 동향
건
20
17
11
10
5
2
5
9
건, %)
18
H 섹션, 11,
14%
9
A 섹션, 23,
G 섹션, 14,
3
29%
18%
B 섹션, 26,
F 섹션, 1,
0
33%
1%
C 섹션, 4,
5%
개인, 4, 5%
중견기업, 2,
3D 프린트 기술에 관한 주요국 특허출원 건수
3%
대학/연구소,
100
11, 14%
80
중소기업, 62,
78%
93
53
60
39
22
40
20
출원인별 3D 프린터 관련 출원 동향 (단위: 건, %)
0
미국
일본
EU
한국
5. 3D 프린팅 특허 동향
5-2 주요 업체별 보유 특허
업체 명
Stratasys
Incorporated
(11)
특허 명
• 압출가공 기반 디지털
비 실린더형 필라멘트
• 압출가공 기반 디지털
리본 액화기
• 디지털 제조 시스템용
• 압출기반 적층식 증착
소비형 조립체
• 압출기반 적층식 증착
제조 시스템용
제조 시스템용
지지재료
시스템에 사용되는
•
•
•
•
•
•
3차원 객체 생성을 위한 트랜젝션 방법
층상 증착 모델링용 평활법
압출 장치에서의 액화기 펌프 제어 방법
압출 장치에서 용율물 유동 보상 방법
3차원 모델링을 위한 방법 및 재료
돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법
시스템에 의한 3차원 물체 생성 방법
• 3D 인쇄 시스템으로 부터의 외관 모형용
열가소성 분말 물질 시스템
• 광경화성 조성물
• 의족 또는 보조기용 교체 가능한 페어링
• 맞춤형 보조기, 캐스트 및 이를 디자인하고
제작하기 위한 디바이스 및 방법
• 인공 사지
• 이중 광개시제, 관경화성 조성물, 그것의
용도 및 3차원 물품의 제조 방법
• 경화성 조성물
• 과산화물 경화를 사용하는 3차원 인쇄
물질 시스템 및 방법
• 3D 프린터 내에서 재료를 처리하기 위한
인쇄 헤드 및 장치 및 방법
• 무-안티몬 광경화성 수지 조성물
및 3차원 물품
• ABS-유사 물품을 제조하기 위한
광경화성 조성물
• 3D 프린터를 보수하기 위한 장치 및 방법
• 입체 물체의 제조 방법
• 3D 인쇄 시스템으로 부터의 외관 모형용
열가소성 분말물질 시스템
• 입체물의 3차원 인쇄용 조성물
• 3차원 인쇄 물질 시스템과 방법
캐리마
(3)
• 대,소형 광조형 장치
• 고속 적층식 광조형 장치 – 2009.06
• 고속 적층식 광조형 장치 - 2010.03
인스텍
(3)
• 절삭/연마 공구 및 그 제조 방법
• 내부 공간이 형성된 금속제품 및 그 제조방법
• 레이저 클래딩과 직접 금속 조형기술에서 이미지 촬영과 이미지 프로세싱을 이용한
클래딩 층 높이의 실시간 모니터링 및 제어방법 및 그 시스템
3D Systems
(13)
Z Corporation
(3)
Q & A
감사합니다.

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