이슈리포트 2019-28호

자동차산업의 3D프린팅 활용현황전성택 수석 (stjun@nipa.kr)

ICT생태계본부 3D프린팅산업팀

2019. 9. 23.

목 차

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 자동차산업의 3D프린팅 활용현황

1. 자동차산업내의 3D프린팅 시장 현황

2. 자동차 응용분야별 3D프린팅 활용현황

Ⅲ. 대량생산 기반의 3D프린팅 활용사례

Ⅳ. 결론 및 시사점

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Ⅰ. 서론

□ 제조업은 전 세계 GDP 중 15.6%의 많은 비중을 차지하는 산업으로 국내의 경우 전체 산업 중

제조업이 차지하는 비중이 글로벌 시장보다 11.6%p 높은 27.2%로 구성1)

ㅇ 국내 제조업 중 자동차 산업은 주요 수출품목 3위를 기록하며 국내 시장경제 활성화를 위한

주요 산업으로 간주2)

ㅇ 국내 자동차산업은 현대·기아 자동차를 기반으로 활성화되어 있으며 해당 기업은 글로벌

기업별 자동차 판매량 순위 5위에 오르는 등 자동차 시장 내 영향력을 발휘3)

- Ford에 의한 대량생산을 의미하는 Fordism(포드주의)을 탄생시킨 자동차산업의 생산

프로세스는 전 산업으로 응용·적용되며 현재에서도 널리 활용 중

- 연속공정 기술을 활용하여 표준화된 제품을 대량으로 생산하고 컨베이어 벨트를 활용한

조립과정이 글로벌 산업 공정의 표준으로 자리잡음

□ 최근 4차 산업혁명과 관련된 기술이 개발됨에 전통적 제조업의 패러다임이 변화

ㅇ 특히, 3D프린팅 기술의 개발로 기존의 여러 단계로 구성되어 제품/부품을 생산하던 상황에서

설계-출력-후가공의 짧은 프로세스를 활용한 제품 생산이 가능해짐

- 고강도및고내구성을요구하는자동차산업내에서도적용이확산되고있으며 3D프린팅을통해

복잡한형상의부품을기존의전통적생산방식과비교하여더빠르고낮은비용으로제작이가능

ㅇ 3D프린팅 전문 시장조사 기관인 Wohlers Associates는 자동차산업(19.6%)이 글로벌 3D프린팅

응용시장에서 산업기계(19.8%) 다음으로 큰 비중을 차지, 국내도 응용산업 중 2위 차지4)

ㅇ 자동차 산업은 2만개가 넘는 부품의결합을통해제품이완성되는시장으로 3D프린팅기반의

부품 제조가 상용화될 경우 시장에 미치는 파급력이 막대할 것임

ㅇ 본보고서에서는자동차산업내 3D프린팅활용현황, 주요기업들의투자현황및국내외 주요 활

용사례를통해향후산업에서의 3D프린팅활용이어떻게변화될것인지에대해살펴보고자함

1) THE WORLD BANK, Maunufacturing, value added(% of GDP), 2018년 기준2) 한국무역협회, 품목별 수출입, 2018, 자동차 기준 cf)자동차 부품을 포함할 경우 수출품목 2위3) focus2move, World's 2018. Volkswagen Group on top of light vehicles, over Toyota & Nissan/Renault,

2019.02.024) NIPA, 2018년 3D프린팅 산업 실태조사

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Ⅱ. 자동차산업의 3D프린팅 활용현황

1 자동차산업내의 3D프린팅 시장현황

□ 자동차산업은 3D프린팅 기술이 개발된 이후, 포드를 시작으로 관련 기술이 활용됐으며,

1980년대 후반에서 1990년대 초반 자동차 부품 생산 적용을 위해 3D프린팅 기술에 많은 투자

ㅇ 초기 3D프린팅 기술의 한계로 인해 대부분의 출력물들은 디자인 검증용도로 활용된 반면,

기술 개발에 따라 점차 활용 범위가 확대

ㅇ 시제품·지그·부속품 생산 등 제품생산 영역까지 3D프린팅 기술이 활용되고 있으며,

활용 확대에 힘입어 2016년 세계 3D프린팅 시장 내 자동차산업의 비중은 14.8%를 기록,

산업기계, 우주항공 다음의 비중을 차지

ㅇ 폭스바겐, 포드, BMW 등의 주요 자동차 기업들은 3D프린팅 기술 관련 투자 및 유관 기관·

기업들과의 협업, 자체적인 R&D를 지속하며 실제 부품에 적용하기 위한 준비 단계로 진입

- BMW는 3D프린팅 기술을 기반으로 부품 생산 적용을 시작, 산업 내 3D프린팅 기술의

활용도 및 부가가치가 높아지며 자동차 산업 내에서의 활용이 증가

그림 1 3D프린팅 시장 내 자동차산업 비중(2016년 vs. 2018년) (단위: %)

* 출처: Wohlers Report 2017, 2019

□ 자동차산업 내 3D프린팅 기술의 효용성에 대한 긍정적 인식이 확산되며 글로벌 자동차기업들은 실제 자동차에 3D프린팅 부품을 적용하기 위한 R&D 투자를 지속

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ㅇ (폭스바겐) 2018년 첨단 3D프린팅센터(Advanced 3D Printing Center)를개설했으며시제품 및

금형 제작에바인더젯 3D프린팅의적용가능성을분석, 향후 2-3년내에매년 10만개이상의

End-use단의제품제작이진행될전망

ㅇ (BMW) 1990년 3D프린팅 기술을 도입한 후지속적으로 3D프린팅 기술을 활용하여 시제품 및

제품제작에활용중

- 독일뮌헨적층제조센터(Additive Manufacturing Center)에서는매년 10만개이상의정밀부품을제작,

1,000만유로를투자하여 3D프린팅적층제조캠퍼스(Additive Manufacturing Campus) 설립예정

ㅇ (포드) 1988년 3D프린터를 처음 도입하여 31년 이상 3D프린팅 기술을 활용중이며, 4,500만

달러를 투자하여 첨단제조센터(Advanced Manufacturing Center)를 오픈

- 3D프린팅 전문가 100여명과 전문장비를 한데 모아 3D프린팅, AR/VR, 로봇 기술등을활용한

제품개발에활용하며프로그램개발을통해비용및시간을절약하고자함

2 자동차 응용분야별 3D프린팅 활용현황

□ 자동차산업에서의 3D프린팅 기술은 제품 생산의 보조수단인 디자인검증, 시제품 제작에서

실제 자동차 부품 생산 등의 Final Parts로 적용이 확대중

ㅇ 조립 라인의 지그, 고정구 등 보조도구부터 차량 외관용 부품, 내부 부품, 엔진 컴파트먼트

(Engine Compartment, 엔진룸)의 실제품 및 코어 제작까지 적용

□ 해외 활용 현황

ㅇ 조립라인 : 3D프린팅 기술을 활용한 지그5), 고정구6) 등의 도구 제작

- 폭스바겐: 3D프린팅 기술로 제작한 지그, 고정구 등 조립라인에서 활용될 도구 제작으로

연간 20만 달러 이상의 비용을 절약, 기존대비 생산가격 91%, 제작기간의 95%를 절감

표 1 폭스바겐 - 3D프린팅 지그 및 고정구의 절감효과구분 외부 공급업체 3D프린터 절감효과

비용 400유로 10유로 98%

제작기간 35일 4일 89%

* 출처: Ultimaker

5) 지그 : 기계가공에서 가공위치를 쉽고 정확하게 정하기 위한 보조용 기구6) 고정구 : 부품을 기계에 고정시키는 것으로, 부품을 가공할 때 부품이 움직이지 않도록 고정하는 장치

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그림 2 폭스바겐 - 3D프린팅 지그 및 고정구

* 출처: Ultimaker

ㅇ 차량 외관 : 프레임, 차체, 문, 휠, 타이어, 서스펜션 등의 외관부품 제작

- (로컬모터스) 3D프린팅 기술을 활용하여 차체를 제작하는 자동차업체로 차 한 대를

디자인, 제작을 완성하는데 일주일이 소요됨. 44시간이면 2인승 스포츠카 인쇄 가능

- (BMW) 소비자의 요구에 맞춰생산하는 BMW Individual 프로그램의일환으로 M850i NIGHT

SKY 에디션을제작, 천문학적인패턴이들어간외부사이드미러캡, 브레이크캘리퍼등을제작

- (HRE Wheels) 세계 최초의 3D프린팅 휠을 선보임. 현재는 기존대비 3D프린팅을

활용한 제작가격이 비싸지만 소재를 낭비하지 않는다는 장점이 있음

- (GM-Michelin) 3D프린터로 인쇄된 에어리스(Airless), 노펑크 타이어 시제품을 제작

그림 3 BMW - 3D프린팅 사이드 미러 캡 & HRE Wheels - 3D프린팅 휠

* 출처: BMW, HRE Wheels

ㅇ 차량 내부 : 대시보드, 컵 홀더, 기어 등 차량 내부부품 제작

- (Daimler/Mercedes Benz) 버스의 운전석 사이드 패널에 위치한 컵 홀더를 소비자

요구에 따라 3D프린터를 활용하여 제작, 비용절감, 잉여생산 방지와 더불어 소비자와

가까운 지역에서 유연한 대응을 할 수 있어 배송비용 및 관세를 줄일 수 있음

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- (BMW) MINI Your Customized 서비스, 소비자가 온라인상점에서 디자인을 설계,

주문을 통해 조수석의 차량 내부 데코용 스트립, LED 도어 실 피니셔 등 내외부

부품을 맞춤 제작해주는 서비스

그림 4 BMW - MINI Your Customized 차량 내부 3D프린팅 부품

* 출처: BMW

ㅇ 엔진 컴파트먼트: 엔진 부품, 펌프, 밸브 등의 엔진이 있는 곳에 필요한 부품

- (BMW) 냉각수 채널을 구조에 통합하여 열 관리를 위한 지오메트리7) 최적화로 실린더

헤드 무게를 최소화한 3D프린팅 엔진 실린더 코어를 제작

- (Ford) 전통적인 방식을 통해 제작할 수 없는 복잡한 구조를 지닌 엔진부품 제작을 위해

3D프린팅기술활용. 알루미늄합금분말을활용하여F-150픽업트럭용흡입(흡기) 매니폴드8)를제작

그림 5 BMW & 포드 - 3D프린팅 엔진코어 및 부품

* 출처: BMW, Ford

7) 지오메트리 : 기하학적 배열, 차량에서의 차륜 배치, 차의 정렬 등을 나타냄8) 흡입(흡기) 매니폴드 : 가솔린과 혼합된 혼합기(氣)를 각 실린더에 배분하는 역할을 하는 부품

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□ 국내 활용 현황

ㅇ 제품 디자인 : 최종 제품 생산을 위한 제품 디자인 활용

- (현대자동차) 금속, 세라믹, 플라스틱 기반 3D프린터를 활용하여 차량 디자인 활용

- (기아자동차) 대시보드, 도어 패널, 스티어링 휠의 디자인에 3D프린팅 기술을 활용

그림 6 기아자동차 - 3D프린팅 디자인(스티어링 휠, 도어패널)

* 출처: 기아자동차

ㅇ 내·외장재 시제품/부품 : 본격적 제품 생산을 위한 3D프린팅 기술 적용

- (현대자동차) 내·외장재 자동차 부품 생산을 위한 시제품 제작에 3D프린팅을

활용하고 있으며, 본격적인 제품 생산공정 내 적용을 위한 연구를 시작. 향후

자율주행 관련 부품으로 3D프린팅 활용을 확대할 전망

그림 7 현대자동차 - 3D프린팅 시제품

* 출처: NIPA

ㅇ 조립라인 : 3D프린팅 기술을 활용한 지그 제작

- (현대자동차) 3D프린팅 전문 업체 3D솔루션과 협력계약을 체결. 향후 연간 5만 개의

지그를 납품할 예정

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Ⅲ. 대량생산 기반의 3D프린팅 활용사례

□ 3D프린팅 기술로 제작되는 자동차부품은 시제품제작, 단종된 시리즈의 부품 생산,

커스터마이즈 차량 내부 인테리어 제품 등 소량생산을 통한 활용에 집중

ㅇ 그러나 최근 폭스바겐은 금속 3D프린팅 기술을 활용한 대량생산체제를 준비하고 있으며

특히, BMW은 3D프린팅을 활용한 부품 대량생산에 성공하며 Final Parts생산에 적용

□ 자동차산업에서 3D프린팅 기술은 기존의 다품종 소량생산에서 대량생산 체계로 발돋움 중,

3D프린팅기술을활용한 부품대량생산및 해당부품적용을 위한기업들의시도가 증가

ㅇ 부가티(Bugatti): 티타늄 브레이크 캘리퍼9)

- 2018년 1월 Bugatti 개발부서와 Laser Zentrum Nord는 3D프린팅 기술을

활용하여 티타늄 소재의 브레이크 캘리퍼를 제작

- 기존의 브레이크 캘리퍼는 경량화와 높은 인장강도를 확보하기 위해 알루미늄 합금

소재를 활용하여 제작, 가공이 어려운 티타늄을 3D프린팅 소재로 활용 가능해짐에

따라 부가티는 티타늄 브레이크 캘리퍼를 제작할 수 있게 됨

- 티타늄 브레이크 캘리퍼에 대한 아이디어 발표 후 첫 시제품을 인쇄하기까지의

개발과정은 3개월 밖에 걸리지 않음. 3D프린터를 이용하여 하나의 브레이크

캘리퍼를 인쇄하는 데는 총 45시간이 소요되며 2,213층의 레이어를 쌓아 완성

- 2018년 12월 이후 출시되는 부가티 제품에 3D프린팅 티타늄 브레이크 캘리퍼

적용을 위한 제작부품 테스트를 실시한 결과, 375km/h의 속도에서 브레이크

캘리퍼가 성공적으로 작동함

표 2 부가티(Bugatti) : 티타늄 브레이크 캘리퍼

구분 내용활용소재 티타늄

3D프린팅 방식 PBF

제품개발 소요시간 3개월

제작 소요시간 45시간 / 후공정 11시간

인장강도 1250N/㎟무게 기존 4.9kg이었던 무게를 2.9kg로 약 2kg(약 41%) 감소

* 출처: 폭스바겐

9) 브레이크 캘리퍼: 자동차의 패드를 디스크에 밀착시켜 앞바퀴 브레이크를 잡아주는 유압장치로 브레이크 디스크, 패드와 더불어 자동차 제동을 위한 핵심 장치

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그림 8 부가티(Bugatti) : 티타늄 브레이크 캘리퍼

* 출처: 폭스바겐

ㅇ BMW: 2018 BMW i8 로드스터(Roadster) 브래킷10)

- 2018형 BMW i8 로드스터(Roadster)에 3D프린팅 기술로 제작한 브래킷을 적용함

- 루프의 하중을 견디고 밀고 당길 수 있는 복잡한 구조가 필요해 기존의 캐스팅 방식으로는

제작할 수 없어 3D프린팅 기술을 활용하여 제작. 컨버터블 루프 형태의 자동차 루프커버

끝부분 양쪽에 하나씩 배치되어 차량과 루프커버를 연결

- 3D프린팅 기술을 통해 기존 브래킷 대비 10배 이상의 인장강도와 무게 44%를 감소

표 3 BMW: BMW　i8 로드스터(Roadster) 브래킷

구분 내용활용소재 알루미늄 합금

3D프린팅 방식 PBF

인장강도 기존대비 10배 이상

무게 기존 부품 대비 44% 감소

* 출처: BMW

그림 9 BMW: BMW　i8 로드스터(Roadster) 브래킷

* 출처: BMW

10) 브래킷 : 지지 구조재로 여기서의 브래킷은 자동차 루프커버를 지지할 용도의 브래킷

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ㅇ BMW: 2019 BMW i8 로드스터(Roadster) 창문 가이드레일11)

- 2019년 형 BMW i8 로드스터(Roadster)에 3D프린팅 기술로 제작한 브래킷

이후 차량 창문 가이드레일을 인쇄하였으며 이를 실제 자동차에 적용함

- 해당 창문 가이드 레일은 제품개발에서 인쇄, i8 시리즈에 적용까지 5일 밖에

걸리지 않으며 기존 플라스틱 재질의 창문 가이드레일보다 가벼우며 24시간 내에

최대 100개까지 출력할 수 있음

표 4 BMW: BMW　i8 로드스터(Roadster) 창문 가이드레일

구분 내용3D프린팅 방식 MJF(HP Jet Fusion 3D 4200)

제품개발 소요시간 5일

제작 소요시간 24시간 내 최대 100개

무게 기존 부품보다 가벼움

* 출처: BMW

그림 10 BMW: BMW　i8 로드스터(Roadster) 창문 가이드레일

* 출처: BMW

ㅇ XEV-폴리메이커(Polymaker): 3D프린팅 전기차 ‘LSEV’

- 최근 자동차 제작에 3D프린팅 기술을 결합한 이탈리아의 자동차 제조 스타트업 XEV와

중국의 3D프린팅 소재 기업 폴리메이커(Polymaker) 업체가 함께 3D프린팅 기술로 제작한

전기차 `LSEV'를 출시함

- 샤시 및 엔진 등 금속 부품은 기존의 생산방식을 활용하고 그 외 부품들은 나일론,

PLA, TPU 등 소재로 3D프린팅 기술을 활용하여 3일내 자동차 한 대를 제작가능

- XEV는 국내기업 제주모터스와 계약을 체결하며 한국에 마이크로팩토리를 설립했으며

전기자동차 `LSEV'를 제조·판매를 추진할 계획임

11) 가이드레일: 미닫이 등에서 문바퀴가 벗어나지 않도록 안내하는 레일로 여기서는 창문 유리를 담당함

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표 5 XEV-폴리메이커(Polymaker): 3D프린팅 전기차 ‘LSEV’

구분 내용

활용소재 나일론, PLA, TPU 등

3D프린팅 방식 FDM

제작 소요시간 3일

무게 450kg

* 출처: XEV

그림 11 XEV-폴리메이커(Polymaker): 3D프린팅 전기차 ‘LSEV’

* 출처: XEV

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Ⅲ. 결론 및 시사점

□ 제조업은 전 세계 GDP 중 15.6%의 많은 비중을 차지하는 산업으로 국내의 경우

전체 산업 중 제조업이 차지하는 비중이 글로벌 시장보다 11.6%p 높은 27.2%로 구성

ㅇ 국내 제조업 중 자동차산업은 주요 수출품목 3위를 기록하며 국내 시장경제

활성화를 위한 주요 산업에 위치하고 있고, 자동차산업 내에서의 3D프린팅

활용 확대에 따라 기존 전통적인 제품 생산방식의 패러다임 변화가 예상

ㅇ 자동차산업 내 3D프린팅 활용은 디자인검증, 시제품, 지그, 부속품 등의 생산을 위한

보조적인 수단에서 Final Parts 생산 등의 실제 자동차 부품 생산영역으로 확대중

ㅇ 특히 소재, 장비 등 금속 3D프린팅 관련 기술 개발로 3D프린팅에 기반한

제조 산업으로 변화될 가능성이 높음

□ 자동차산업 내 3D프린팅 활용의 화두가 기존 시제품 중심에서 실부품 생산 및

대량생산으로 이동하면서 주요 자동차 기업들은 3D프린팅을 활용한 생산성

확대를 위해 대량생산 적용에 대한 노력을 경주 중

ㅇ BMW는 이미 대량생산된 3D프린팅 브래킷을 차량에 적용했으며, 폭스바겐은

향후 2~3년 내로 대량생산된 3D프린팅 부품 적용을 위해 R&D에 집중 투자

ㅇ 국내 자동차기업은 시제품 제작 등 제조 보조수단 중심으로 활용되고 있으며

향후 현대자동차는 부품간 조립성 평가, 성능최적화 과정을 통해 1~2년 내로

3D프린팅 부품을 실제 자동차에 적용할 것으로 예측

ㅇ 3D프린팅 기술과 관련한 기업 간 격차는 크지 않으나, 고강도와 내구성을

요구하는 금속형 자동차 부품 기반의 3D프린팅 대량생산은 향후 자동차산업의

주도권 확보를 위해 매우 중요한 이슈가 될 것으로 전망

ㅇ 금속 3D프린팅 전문 기업간의 협업 확대, DfAM적용을 위한 전문인력 확보,

합금형 금속 소재 개발 확대 등 자동차 산업 내 국내 3D프린팅 기술의 주도권

확보를 위한 정부·기업의 적절한 대처가 필요

□ 우리원은 자동차산업을 포함한 주력 제조업에 3D프린팅 기술이 확산될 수 있도록

부품별 설계부터 제작·검증까지 벤더 기업과 3D프린팅 기업의 협력을 통한

도입효과를 더하여 종합 완성품의 혁신까지 연결되도록 지원을 할 계획임

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<참고 문헌>

1) 3D Print.com, Michelin & GM Announce 3D Printed Prototype of Uptis,the Airless & Flatproof Tire, 2019.06.07

2) 3D Printing industry, FORD CREATES “LARGEST 3D-PRINTED METALPART” FOR A VEHICLE IN FIVE DAYS, 2019.02.01

3) 3D Printing Industry, Volkswagen opens advanced 3D printing center,looks to additive manufacturing in production, 2018.12.12

4) 3D Printing Media Network, BMW’s new S58 engine features cylinderhead made with 3D printing, 2019.01.16

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합니다.