최근 3D 프린팅에 이어 4D 프린팅까지 등장하여 미래의 제조 환경이 크게 바뀌어 갈 것이라고 예상되는데요. 오늘 이 시간에는 3D 프린팅을 이용한 ‘적층 가공법(Additive Manufacturing)’의 도입과 그 부가 가치 창출 효과’에 대해 살펴보겠습니다.

적층 가공법이란 무엇인가?

이미 익숙한 키워드가 된 3D 프린팅을 이용한 ‘적층 가공법’은 재료를 변형하고 가공할 때 디지털 방식을 사용하는 것입니다. 즉 ‘만드는 방법’에 대한 새로운 접근법이라고 할 수 있는데요. 이는 기존의 ‘절삭’ 또는 ‘성형 가공’, ‘조립’ 방식과는 또 다른 장점들을 가지고 있습니다.

가장 기본적으로 위의 그림과 같이 액체나 가루형(모래, 플라스틱, 금속, 세라믹) 또는 고체형 재료를 녹여서 더해 나가는(Additive) 방식이기 때문에, 원재료에서 잉여 부분을 빼나가는(Subtractive) 기존의 방식과 비교할 때, 생산 찌꺼기(Scrap) 산출을 최소화할 수 있습니다. 그리고 그 자체로 완제품을 만들거나 다른 부품들과의 조립을 통해 완제품의 일부가 될 수도 있습니다.

그 중에서도 가루형 재료를 접착제 등으로 굳혀서 만드는 ‘선택적 레이저 소결법(Selective laser sintering)’이 비용 대비 효율성이 가장 높은 기술로 주목 받고 있습니다. 이 부분은 아래 기사를 조금 더 참고하시기 바랍니다.

● 디자이너의 경계가 무너지다! 3D 프린팅 시대: http://blog.lgcns.com/431

핵심은 얼마 만큼의 부가 가치 창출 효과가 있느냐 하는 것!

결국 핵심은 ‘더 좋은 더 다양한 제품과 더 싼 가격’ 사이의 상충적 관계의 틀을 깨고, 과연 얼마나 고부가 가치 창출에 보탬이 될 수 있느냐 하는 것인데요.

아래 그림에서 보여지듯, ‘자본 대 생산 규모(규모의 경제)’ 및 ‘자본 대 생산 범위(범위의 경제)’란 두 가지 관점에서 전통적 가공 방식과 비교했을 때, 이 방법은 생산에서의 최소 효율 규모에 도달하는데 필요한 자본을 감소시킵니다. 이를 통해 장소를 불문하고 생산이 가능해지므로 제조 진입 장벽을 낮출 수 있습니다.

또한 그 유연성으로 인해 단위 자본이 생산할 수 있는 제품의 다양성을 증가시켜 줄 수 있습니다. 뿐만 아니라 생산 전환과 맞춤화에 따른 비용을 절대적으로 감소시켜 전체적으로 필요한 자본의 총량을 줄여 줄 수도 있는데요. 결국 이로 인한 ‘자본 대 규모’의 관계 변화는 공급망 구성 방식에 영향을 미칠 수 있는 것이죠. 그리고 ‘자본 대 범위’의 관계 변화는 ‘제품 설계-소비’의 관계에도 영향을 줄 수 있을 것으로 보입니다.

미국 컨설팅 기업인 딜로이트(Deloitte)와 엑센츄어(Accenture)의 최근 연구 결과에 따르면, 적층가공법은 두 가지 근본적인 측면에서 부가 가치 창출을 기대할 수 있을 것 같은데요.1 그 내용은 다음과 같습니다.

1. 툴링(Tooling), 기계 비용, 재료비, 인건비 등의 생산 현장 직접비를 기준으로 한 적용 타당성 부분에서 전통적 제조 방식과 견줄 수 있는 역량 보유
2. 공급망, 제품, 사업 모델을 변화시키는 능력을 바탕으로 고유한 제품과 시장 포지션의 창조를 통해 차별화된 기업 가치 형성 지원 .

결과적으로 적층 가공법이 가진 장점들을 린 경영(Lean Management), 비용, 생산주체, 그리고 부가가치의 측면에서 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

1. 적층 가공법은 기존의 사출성형 등에 비해서는 재료의 재활용률은 떨어지지만, 생산 과정 중 발생하는 재료 손실 면에서는 절삭 가공보다 훨씬 더 경제적이라고 알려져 있습니다. 위의 그림에서 알 수 있듯이 ‘모델링-프린팅-피니싱’ 등의 보다 날씬해진 생산 과정만으로 직접 생산이 진행되기 때문에, 기존 가공 방식의 번거로운 툴링(Tooling) 셋업 및 준비 시간의 제거 및 간소화를 통해 궁극적으로 제품 생산 시간을 줄일 수 있는 것이죠.
2. 또한 툴링 제거와 설계 반복 과정을 더 짧게 가져감으로써, 제품당 실제 가공 시간을 충분히 상쇄하여 전체적인 제품 출시 속도를 높일 수 있습니다.
3. 하지만 툴링의 비용 절감에 반해 3D 프린터 기계 설비 비용 및 재료비(총 비용 가운데 30%에 육박)의 상승이 동반될 수도 있는데요. 이는 기계의 이용률, 적정 수준의 생산 규모, 스크랩 비율 등과 비교해 보면 다소 상쇄될 수 있는 부분이라는 전망입니다. 기존 대량 생산에서는 생산량의 감소가 제품 하나당 원가 상승을 가져 왔지만, 이 방법은 생산량과는 무관한 일정한 원가를 유지할 수 있기 때문입니다.
4. 또한 아래 그림에서처럼 기계를 소유하면 누구나 생산(개인의 경우 창고 등을 이용)이 가능해지므로 생산 활동의 진입 장벽이 낮아지는 효과도 있습니다.

5. 전체적인 공급 사슬로 더 확장해서 생각해 본다면, [그림3]에서처럼 공급 사슬 내 여러 단계가 생략되는 효과를 기대해 볼 수 있겠는데요. 즉 ‘제품 개발-지식 재산(제품 도면) 유통-제품 생산’으로 제조 활동 순서의 재배치, 재고 최소화, 물류 흐름의 간소화가 이루어지는 것을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 시장 요구에 대한 반응성 향상과 제품 인도 속도 향상, 에너지 및 비용 절감 효과도 함께 가져올 수 있으리라 기대합니다.
6. 그 밖에 급속한 시장 변화의 위험에도 ‘Ultra-Postponement’2 등의 전략을 사용해 더 능동적으로 대처할 수도 있을 것입니다. 이는 제품 디자인 및 엔지니어링 등의 제품 개발 과정과 실제 생산 활동 간의 간격이 줄어들면서, 소소한 제품 수정 능력이 향상되어 그만큼 시장 변화에 대한 수용성이 높아지기 때문입니다.
7. 또한 과거의 레고 방식보다 오히려 모래성 쌓기 같은 방식이기 때문에 조립으로 구현하기 힘든 보다 세밀하고 복잡한 모양의 다품종 소량 생산 제조에 더 적합한 방법이라고 볼 수 있습니다.
8. 그리고 제품의 복잡도에 따라 생산 비용이 증가하는 기존의 제조 방식과 비교해 볼 때, 복잡도와 그 생산 비용은 거의 무관합니다.

이렇듯 적층 가공법은 최근의 다양화, 개인화된 소비자의 요구에 보다 더 잘 대응할 수 있는 오늘날 ‘Mass Personalization’의 추세에 보다 더 적합한 제조 방식이라고 보여집니다.

어떤 차별화된 제품들을 생산할 수 있는가?

적층 가공법이 적절히 사용된다면 비용 면에서 전통적 제조 방식과 흡사한 수준 또는 더 저렴한 수준을 달성할 것으로 예상하고 있는데요. 동시에 우월한 공급망을 바탕으로 제품 성능을 확보할 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대하고 있습니다.

또한 과거에는 쾌속 조형 기법(Rapid prototyping)을 통한 시제품 제작에 주로 사용되었지만, 이제 는 위의 표에서 소개하는 여러 완제품 제조 분야로 그 적용 범위가 확장되기에 이르렀습니다.

최근 연구 결과에 따르면, 121,000여 종의 소형 전자 부품에서부터 대형 제품 생산, 특히 항공 산업이나 방위 산업에서도 사용하기에 매우 유망한 기술이라고 밝혀졌다고 하는데요.3 뿐만 아니라 그간 고가의 장비로 인해 도입에 어려움을 겪었던 개인 병원 등에서도 환자들의 특성에 맞춘 의료용 기기(치아 보철물, 의족/의수, 보청기, 인공뼈 등)를 더 싼 가격으로 제작할 수 있게 되었습니다.

지금까지 적층 가공법의 도입과 부가가치 창출효과에 대해 소개해 드렸습니다. 다음 시간에는 3D 프린팅을 둘러싼 새로운 시장 형성과 3D 제조 플랫폼에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

글 ㅣ 이승엽 연구원