틈새시장에서 주류시장으로
3D 프린팅이 전통적인 현장건설(in-situ construction)이나 조립식건물(prefab)과 본격적으로 경쟁할 수 있는 수준이 되기까지는 어느 정도 시간이 필요할 것이다. 설비비용, 기술적 제한, 전문기술 규제, 고객의 회의적인 시각 등 극복해야 할 장애물들이 많다. 하지만, BCG의 분석에 따르면 수년 내로 실행가능한 사업성 있는 응용 사례들이 있으며, 그 사용사례의 수는 꾸준히 증가하고 있다. 또한, 가치사슬의 변화가 예상되는데, 과도기 동안에는 주로 3D 프린팅 턴키(turnkey) 프로젝트가 중심이 될 것이며 이후, 장기적으로는 보다 전문적인 모델, 즉, 도급업체들이 프린트된 구조물이나 프린팅 설비를 구매하거나 대여하는 방식이 자리잡게 될 것이다.
이해관계자들에게 시사하는 바
도급업체들과 공급업체들은 다양한 조치를 취해 3D 프린팅 혁명을 활용할 수 있다. 정부는 3D 프린팅 기술을 육성을 위한 규제환경을 조성할 수 있을 것이다.
건설업의 3D 프린팅 도입이 연일 신문기사의 헤드라인을 장식하고 있다. 이코노미스트(The Economist) 지는 2017년 6월, 특유의 절제된 어조로, ‘3D 프린팅과 똑똑한 컴퓨터들이 건설업을 혁신시킬 수 있다.’ 라고 단언했으며, 같은 해 초, CNN 웹사이트는 ‘세계의 다음 메가시티(megacity)는 3D 프린터로 만들어질 것인가?’ 라는 질문을 던졌다. 이 기사의 제목들에서 짐작할 수 있듯이, 언론의 뜨거운 관심은 이 기술이 지금까지 보여준 업적보다는 앞으로의 성장가능성에 더 초점이 맞춰져 있다. 3D 프린팅 기술은 실현 중이지만, 아직 완전히 실현된 것은 아니다.
3D 프린팅 기술은 실현 중이지만,
아직 완전히 실현된 것은 아니다.
건설업은 전통적으로 매우 보수적인 산업으로, 다시 말해, 혁신이 더디고 성공적으로 생산성을 향상시켜 오지 못했다. 하지만, 최근 많은 기업들이, 특히 디지털 기술을 활용해, 변화를 시작했다. (2016년 3월 BCG 포커스, ‘Digital in Engineering and Construction: The Transformative Power of Building Information Modeling’ 참조.) 지금까지의 혁신은 실제 건설단계보다는 주로 건설 초기와 후반부-설계 및 엔지니어링, 운영 및 유지보수-에서 이루어졌다. 하지만, 실제 건설단계에서도 곧 급격한 변화가 일어날 것이다. 지지부진했던 생산성 향상은 빌딩정보모델링(BIM:building information modelling) 통합 툴 덕분에 마침내 실현될 것이다. 건설현장은 벽돌 쌓기 로봇이나 타일 쌓기 로봇. 통나무의 자동절단, 자동밀링(milling), 자동조립, 자동 건물조립, 그리고 3D 프린팅 등 디지털 제조기술로 인해 완전히 새롭게 현대화 될 것이다.
결국, 3D 프린팅은 제조과정의 흔한 기능, 나아가 표준 기능이 될 것이다. 물론 정확히 언제 어떻게 그렇게 될지는 아직 알 수 없다. 약 10년 간, 과학자들은 건설업에서 3D 프린팅, 혹은 적층가공(additive manufacturing)기술을 연구, 발전시켜오고 있다. 몇몇 전문업체들이 생겨났고, 몇몇 대기업들-건설회사 뿐 아니라 건설자재 제조업체들도-이 본격적인 투자를 시작했다. 기대감은 최고조에 달했다. 하지만, 우선 해결해야 하는 몇 가지 이슈들이 있다. 시장이 실제로 얼마나 준비가 되었는가? 업계는3D 프린팅이 가져 올 창조적 파괴력에 저항하지 않고 이를 받아들일 준비가 얼마나 되었는가? 3D 프린팅 기술 자체가 얼마나 준비가 되었는가? 기업들은 어떻게 가장 효과적으로 이 기술을 활용하고 적용할 것인가?
건설업에 최적화된 기술
이 어려운 문제에 대한 답을 찾기에 앞서, 건설업 3D 프린팅에 대해 좀 더 자세히 살펴볼 필요가 있다.
3D 프린팅 이라는 용어는 실제 사물을 보통은 컴퓨터가 조정하는 자동화된 기계로 레이어별로 생산하는 것을 말한다. 이 기계는, 대부분 디지털 3D 모델에 따라 움직이며, 금속이나 분말형 고체를 녹이거나 액체나 반액체 재료를 분사한다. 이 기술은 외과용 임플란트에서 자동차 스페어 부품, 우주과학 프로젝트의 경량구조물에 이르기까지 다양한 응용이 가능하다. 이런 다양성은 다음의 3가지 요소, 즉 적합한 재료의 다양성(특히, 폴리머(polymer), 금속, 세라믹, 모르타르, 콘크리트 등), 거의 제한이 없는 자유로운 설계, 복잡한 형태를 유연하게, 저렴한 비용으로, 현장에서 혹은 현장외부에서 제조하는 능력 덕분에 가능하다. 자동 및 자율생산에 이런 특징들이 더해지면 건설업과 거의 완벽한 궁합이 된다. (Exhibit 1 참조.)
3D프린팅을 건설업과 비교해 살펴보자. 건설프로젝트에는 종종 맞춤 디자인이 필요하며, 이 디자인은 공사현장에서 굳어지는 액체나 유연성 있는 재료-종종 복합물질-들을 필요로 하다. 공사지연, 과다지출, 숙련노동력 부족문제를 방지하기 위해 자동화에 대한 의존도는(적어도 선진국에서는) 더욱 높아지고 있다. 고객, 납세자, 정부 모두에게서 점점 거세지는 압력을 받고 있는 건설회사로서는, 빌딩이나 부품을 365일 24시간 자동으로 프린트할 수 있다는 것은 두 팔 벌려 환영할 수 밖에 없는 가능성이다.
빌딩이나 부품을 365일 24시간
자율적으로 프린트할 수 있다는 것은
두 팔 벌려 환영할 수 밖에 없는 가능성이다.
보기 1. 3D 프린팅은 건설업에 안성맞춤이다.
이런 맥락에서, 건설업의 3D 프린팅을 도입은, 당연하게도, 가속화 되고 있다. 이런 상승세의 원인은 다음과 같이 요약될 수 있다.
• 기술발전. 건설업에서 3D 프린팅용 설비와 자재는 끊임없이 발전하고 있으며 그 비용은 하락하고 있다. 최신형 프린터들-로봇공학을 보다 기발하게 활용하거나 복합물질을 더 잘 사용할 수 있게 하는 등의- 가 쏟아져 나오고 새로운 응용이 가능해지고 있다. 한 달이 머다 하고 새로운 디바이스나 기법이 유수의 스타트업이나 MIT, 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich), 델프트 공과대학교(TU Delft), 러프버러 대학(Loughborough University) 등 주요 연구기관에 의해 시연되곤 한다.
• 신규진출 기업. 건설업 3D 프린팅 관련 기업의 수는 최근 급증했다. 2013년 초만 하더라도, 이 분야에는 겨우 30개의 스타트업이 있었지만, 현재는 약 65개의 업체가 아키텍트와 엔지니어 용 프로토타이핑 솔루션, 소프트웨어 및 디자인 툴, 대규모 구조화 부품 혹은 심지어 전체 건물에 이르기까지 다양한 서비스를 제공 중이다. (보기 2 참조.)
보기 2. 스타트업들이 현재 다양한 건설업 3D 프린팅 서비스를 제공 중이다.
건설업의 3D 프린팅 관련 가장 유망한 기업 중 하나는 중국업체인 윈선(Winsun)으로, 2014년 한 배치의 10채의 주택을 프린트해 세계적인 화제가 됐다. 그 이후, 여러 개의 프로토타입 건물을 만들고 두바이 미래기금(Dubai Future Foundation)의 스타일리쉬한 사무실 건물을 프린팅하는 등 대담한 프로젝트를 추진했다. 2003년 창립된 윈선은 첨단건축자재 개발업체로 시작해, 현재 중국에서 125개 이상의 특허권을 보유하고 있다. 하지만, 이 분야에서 가장 혁신적인 기업들 중 대다수는 순수 스타트업들이다. 네덜란드 스타트업인 MX3D는 로봇공학 및 디자인 전문기술을 이용해 보행자용 금속교량을 프린팅하는 방법을 개발했다. 캘리포니아 스타트업 아피스코어(Apis Cor)는 러시아 기업 PIK와의 제휴를 통해, 24시간 만에 겨우 1만 달러의 비용으로 100% 현장에서 보통의 콘크리트 주택을 프린팅했다고 알려졌다. 이는 전통적인 건축방식에 비해 70%절감된 수치이다. 테네시(Tennesse)의 스타트업인 브랜치 테크놀로지(Branch Technology)는 폼이나 시멘트로 채울 수 있는 프리폼 폴리머 (freeform polymer) 매트릭스를 만들 수 있는 프로세스를 개발했다.
• 기존 건설회사의 전략적 움직임. 이름있는 건설회사들은, 좋든 싫든, 새로운 현실에 적응해야 할 것이며, 몇몇 회사들은 이 신기술의 얼리어답터(early adopter)가 되기로 전략적인 결정을 내리기도 했다. 2017년 2월, 프랑스의 건설 대기업인 빈치(Vinci)는 콘크리트 구조물 프린팅을 전문으로 하는 프랑스 스타트업 엑스트리리(XtreeE)의 지분을 매입했다. 또 다른 프랑스 건설 대기업인 부이그(Bouygues)는 낭트대학교(University of Nantes)와 파트너십을 맺어 바티프린트3D (Batiprint3D) 프로세스 개발을 지원했으며, 낭트지역의 공공지원주택 프린팅을 시작하고 있다. 다국적 건축설계기업 에이컴(AECOM)은 윈선과 3개년계약을 체결해 공동으로 건설업 3D프린팅의 고객업무를 개선시키고 있다.
건축자재의 일부 공급업체들 역시 3D프린팅 기술을 이용하기 시작했다. 시멘트 제조업체인 라파즈홀심(LafargeHolcim)은 빈치와 마찬가지로, 엑스트리리와 파트너십을 맺고, 특히 3D프린팅에 적합한 다양한 실험적 콘크리트 믹스를 개발했다. 또, 오스트리아의 폼워크(formwork) 전문업체인 도카 벤처스(Doka Ventures)는 미국에 본사를 둔 스타트업, 건설업용 갠트리형 3D 프린터 제조업체 컨투어 크래프팅(Contour Crafting)의 지분 30%를 매입했다.
• 정치적 독려. 규제, 보조금 및 공공정책들이 전세계 곳곳에서 건설업의3D프린팅 도입을 장려하고 있다. 중동에서, 아랍에미리트(UAE)는 2030년까지 신축건물의 25%를 3D프린팅으로 만드는 것을 목표로 하고 있다. 사우디 아라비아는 3D프린팅을 주택부족문제 해결에 활용할 계획으로 보인다. 다른 지역에서, 영국은 적층가공 국가전략(National Strategy for Additive Manufacturing) 계획을 수립했는데, 2025년까지 건설업에서만 이 기술이 연간 10억달러 이상의 GDP와, 약 1만 5000개의 일자리를 창출할 것으로 추정된다. 미국에서, 국방부는 현지 자재를 이용해 전세계의 병력을 위한 군 막사를 프린팅하는 아이디어를 검토 중이다.
이상의 4가지 요소로 인해, 건설업의 3D 프린팅에 대한 참여도는 계속해서 높아질 것이다. 3D 프린팅 기술의 다양한 형태와 응용은 이미 잘 설명되어 있고 분류되어 있다. 그 내용을 요약한 내용은 ‘3가지 주요 유형, 6가지 주요 응용(Three Main Types, Six Main Applications)’ 을 참조한다.
3가지 주요 유형, 6가지 주요 응용(Three Main Types, Six Main Applications)
각각 다른 응용사례와 독특한 특징이 있는 세 가지의 3D 프린팅 기술이 건설업에서 사용되고 있다.
소재 압출 (Material Extrusion). 침적모형(deposition modeling), 콘크리트 프린팅(concrete printing), 혹은 컨투어 크래프팅(contour crafting)이라고도 알려진 이 기법은 로봇 팔, 갠트리 혹은 크레인에 탑재된 하나 혹은 여러 개의 노즐을 통해 재료가 압출되는 방식이다. 이 프로세스는 오랫동안 사용됐던 분사콘크리트(sprayed-concrete) 방식과는 달리 재료를 정확히 바르고 레이어 별로 압출하는 것이 가능하다. 이 기술은 컨투어 크래프팅의 창립자인 베록 코시네비스(Behrokh Khoshnevis)에 의해 건설용으로 개발되었으며 다양한 재료(콘크리트나 모르타르, 석고, 세라믹, 폴리머)에 활용가능하고 다양하게 응용할 수 있어 많은 기업들에게 인정받고 있다.
분말 접착 (Powder Bonding). 선택적 상태변경(Selective state change) 혹은 접착제 분사(binder jetting)이라고도 알려진 이 기법은 레이저나 액체(접착제나 용매)를 샌드믹스, 분말형 금속 혹은 다른 입자형태의 재료 베드(bed)에 발라, 재료를 혼합해서 샌드스톤이나 철강처럼 단단한 고체를 만드는 방식이다. 화학 반응이나 열 반응을 통해, 재료의 각 레이어는 그 전 레이어 위에서 단단해진다. 건설업에서, 이 프로세스는 엔리코 디니(Enrico Dini)와 그의 회사인 디-셰이프(D-Shape)가 전통적인 건축방식으로는 불가능한 기하학적으로 복잡한 물체와 오버행(overhang)을 만들기 위한 목적으로 개발했다.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing). 이 방식은 전기 아크(arc)를 이용해 와이어를 녹이고 로봇 용접공이나 적하장치가 한 방울씩 금속물체를 주조하는 방식이다. 이 프로세스는 MX3D가 실시한 암스테르담 교량 건설 프로젝트를 통해 일반대중의 주목을 받았다. MIT MMT (Mediated Matter Group) 연구소는 디지털 건설 플랫폼 시스템 개발에 있어, 이 관련기술-로봇 체인용접-을 실험적으로 사용해 견고한 강화 구조를 만들었다.
건설업에는, 현재까지 3D 프린팅 관련 6개의 주요 응용분야가 있다. 이 응용사례들은 그 특징뿐 아니라 성숙도에 있어서도 매우 다양하다. (이하 내용 참조.)
건물. 지금까지, 기업들은 보통 그들의 노력을 상대적으로 소규모 빌딩, 특히 소규모 단층 주택으로 국한했다. 이에 대해 가장 눈에 뛰는 예외는 윈선의 사례였다. 윈선의 창립자가, ‘당신이 불가능하다고 생각한다면, 우리가 프로트타입을 프린트해보겠다.’라고 공언한 것을 증명이라도 하듯, 윈선은, 두바이 미래기금 사무실에 이어, 성공적으로 5층짜리 아파트블록과 1만2000평방피트(1100평방미터)의 빌라를 성공적으로 프린트했다. 상하이 인근의 윈선 공장에는 길이가 330피트가 넘는 프린터가 있다. 시멘트, 모래, 섬유- 이 중 최대 50%를 재활용 폐기물에서 추출한 것임-의 혼합물을 사용해, 이 프린터는 속이 빈 벽을 만들어 목적지로 운반하고, 현장에서 강화재와 단열재로 채워진 후 신속하게 조립된다. 그 결과 만들어지는 건물은 ‘인쇄된 조립식건물’ 의 형태이다. 윈선에 따르면, 자동화된 프린팅 프로세스를 통해 전체 건설 시간은 50%에서 70%, 인건비는 50%에서 80%, 자재는 30%에서 60% 줄어든다(재활용 폐기물을 사용하고 쓰레기를 최소화한 덕분에.) 그리고 이것은 모두 건설비용이 훨씬 줄어든다는 의미이다. 사우디 기업인 알 몹티 건설(Al Mobty Contracting)은 윈선과 14억 5000만 달러의 계약을 맺고 100대의 3D 프린터를 대여해 150만 개의 적정(affordable) 주택을 건설할 예정이다.
교량. 3D 프린팅은 토폴로지(topology)와 금속 및 콘크리트 자재의 장점을 최대한 이끌어 낼 수 있다. 보행자용 교량과 아마도 언젠가는 제작될 차량용 교량에 적합한 이상적인 특징들이다. 최초로 프린팅으로 만들어진 실물크기 보행자용 교량이 2016년 12월 마드리드 근처 공원에서 개통했다. 강화콘크리트로 만들어진 8개의 프린팅된 섹션들을 현장에서 조립한, 이 40피트(12미터)짜리 구조물은, 카랄로니아 첨단건축연구소 (IAAC: Institute for Advanced Architecture of Catalonia)와 스페인 건설회사 악시오나 (Acciona)가 엔리코 디니와 디-셰이프와 함께 추진한 공동 프로젝트의 결과이다.
네덜란드 게메르트(Gemert)에서 2017년 10월, 이번에는 보행자보다는 싸이클리스트용으로 만들어진 또 다른 프린팅된 다리가 개통했는데 그 길이는 도랑을 넘어 26피트(8미터)이다. 부품의 프린트는 현장외부에서 진행됐고, 약 800겹의 콘크리트로 이루어져 완성에는 약 3달이 소요됐다. 이 프로젝트 또한, 아인트호벤 공과대학(Eindhoven University of Technology), 건설회사 BAM Infra, 그 외 다수와 함께 추진한 공동작업이었다.
상업적 가용성이 있는 응용사례들
가장 잘 알려진 프로젝트는 MX3D의 철제 교량으로 현재 산업용 로봇과 WAAM에 의해 프린트 중이다. 이 프린팅은 2018년 3월 완성될 예정이며, 2018년 말에는 보행자들이 이 다리를 이용해 암스테르담 운하를 건널 것이다.
교량건설과 다른 인프라 작업은 강화작업이 필요하다는 점 때문에, 여전히3D프린팅의 틈새시장 적용에 불과하지만, 과학자들은 분명히 다음 단계, 즉 자동차가 지나갈 만큼 충분히 튼튼한, 프린팅으로 만들어진 다리를 연구 중일 것이다.
거푸집 프린팅. 아키텍트와 디자이너들은 모두 수 십 년 동안 도시풍경에 일부가 될
독특한 형태와 모양의 도시 구조물을 만들어 내 그들만의 표식을 남기고 싶어한다. 이런 비표준화된 건물들은, 전통적인 주조방식으로 제작하면, 보통 매우 비싸고 오랜 시간이 소요된다. 3D 프린팅을 이용하면 조달기간, 비용, 폐기물을 대폭 줄일 수 있는 가능성이 있다. 이 분야의 선두 주자 중 하나인 호주-유럽 건설사 랭 오록(Laing O’Rourke)이 운영하는 프리팹(FreeFAB) 시스템이다. 프리팹은, 런던의 크로스레일(Crossrail) 프로젝트의 이중 곡선 벽 패널에서 한 것처럼, 3D 프린팅을 이용해 복잡한 왁스 거푸집을 만들고 이 거푸집을 콘크리트로 채워 원하는 물체를 제작할 수 있다. 이 거푸집은, 일단 목적을 달성하면, 단순히 녹이면 되고, 그 후 왁스는 재활용된다. 전통적인 거푸집이 목재나 폴리스티렌 수지로 만들어져서 노동집약적이고 결국 쓰레기 매립장 행인 것과 비교된다.
좀 색다른 접근법이 취리히 연방공과대학의 디지털 건축연구소(Digital Fabrication Lab)과 Branch Technology)에 의해 취해지기도 했다. 각각의 경우에, 그 목적은 외부 폼워크를 ‘메쉬 몰드(mesh mold)’ 기법으로 대체하는 것이다. 이 기법을 통해 로봇 프린터나 용접기가 강화 탄소섬유나 강철 와이어를 정확히 원하는 형태의 매트릭스로 만들어내다. 그러면, 이 메쉬 구조는 단열 폼이나 콘크리트로 채워지고 폼워크 뿐만 아니라 강화재의 역할을 한다. 취리히 공과대학의 연구진은 스위스에서 현재 DFAB 실험하우스를 건축 중이며, 로봇 용접기를 이용해 이중곡선 내력벽 용 메쉬를 만들고 있다.
건축 자재. CAD와 3D 프린팅 덕분에, 아키텍트와 디자이너들은 건물의 정면, 연결부분, 칸막이 벽, 심지어 전기 소켓 등의 건축자재에 개성을 가미할 수 있다. 일부 기업들은 특별한 미적 혹은 기능적인 특성을 갖춘 독특한 물건을 프린트하기 시작했다. 스웨덴의 건설업체인 스칸스카(Skanska)는 3D 프린팅을 이용해 상업용 부동산 프로젝트를 추진한 최초의 기업 중 하나이다. 런던 6 베비스마크 (6 Bevis Mark)에 오피스 빌딩에, 지붕 카노피의 강철 버팀대는 마디 부분에 장식 피복이 필요했다. 스칸스카는 복잡한 나일론 슬리브를 프린트해내 경제적이고 혁신적으로 이를 해결했다. 이 과감한 시도들 이후, -모두 4년전의 일- 이 회사는 러프버러 대학및 다양한 그룹들(ABB 및 포스터 앤 파트너스(Foster + Partners))과 콘크리트 프린팅 프로젝트들을 함께 추진해왔다. 그 중 한 프로젝트는 고사양 콘크리트 파사드(façade)를 단열재, 경량 트랜스미션, 구조강도 등 특수한 성질로 프린트하는 것이었다. 이런 파사드는 전통적인 방식으로 만들어지면, 매우 비싸므로, 3D 프린팅 기술을 사용하면 매우 비용 효과적일 수 있다.
아키텍처 모델. 아키텍트들은, 소형 모델의 빠른 제작을 가능하게 해주는3D프린팅 기술의 초창기 수혜자였다. 스튜디오들은 종이조각을 하나하나 붙이는 전통적인 방법대신, 폴리머 모델을 CAD나 레빗(Revit) 파일에서 정확히 프린트해 설계수정이나 고객회의의 자료로 사용할 수 있다. 포스터 앤 파트너스는 일찍이 1999년부터 이 모델을 사용해 대표적인 프로젝트 중 하나인 런던의 거킨(Gherkin) 빌딩에 활용하기도 했다. 그 이후, 이 회사는 3D프린팅을 본격적으로 이용해 2004년에는 자체 역량을 확보하고 2011년에는 완전한 인하우스 프로토타이핑 스위트(prototyping suite)를 확립했다. 현재는 금속부품의 프린팅에 주력하고 있으며 브랜치 테크놀로지와 실물 구조물의 프린팅 방식을 더욱 개선하기 위해 노력 중이다. 2017년 8월, 이 두 회사는 NASA가 주최하는 센테니얼 챌린지(Centennial Challenge)에서 ‘오프월드 주거지(off-world habit)(실상은 화성 거주용 주택)건축으로 수상하기도 했다.
언론의 주목을 가장 많이 받은 3D 프린팅 모델은 아마도 바르셀로나의 사그라다 파밀리아 (Sagrada Familia)성당일 것이다. 2001년으로 거슬러 올라가, 이 건설팀은 콘크리트 주조 혹은 석재절단 로봇의 작업 전에 전문가의 수정작업을 위해 여러 부분들을 석고 모델로 프린팅했다. 이 모델은 가우디의 생각과 복잡한 도면(및 스페인 내전(Spanish Civil War)중 파괴된 수작업 모델의 조각들)을 토대로 한 것이다. 이 새롭게 프린트된 모델 덕분에, 이 건물의 건축진행이 신속하게 이루어졌으며, 예상 완공시점은 현재 2026년으로 정확히 가우디 사망 100주년이자 건설이 시작된 지 144년이 되는 시점이다.
인테리어 디자인. 마지막으로, 3D 프린팅은 인테리어와 가구 디자인에 폭넓게 사용되어 디자이너들은 이제 틀에 박힌 한계를 뛰어넘어 자유롭게 창의성을 발휘할 수 있다. 이머징오브젝트(Emerging Objects)는 선구적인 제조업체이자, 컨설팅업체이며, 자칭 3D 프린팅 메이크탱크(Make-Tank)이다. 이 스튜디오는 다양한 3D 프린팅 기법을 수많은 재료(시멘트, 금속, 모래, 폐고무, 톱밥, 심지어 소금에 이르기까지)에 적용해 생물의 형태에 영감을 받은 독특한 실내용품을 만들어낸다. 그 종류는 꼬인 형태의 벌집모양의 구조기둥과 장식 스크린에서 화분, 발 받침대, 전등갓에 이르기까지 다양하다.
현재 상황
전망은 매우 고무적이지만, 현재로서는, 3D 프린팅 건설은 확실히 틈새시장이다. 지금까지의 결과물들은 대부분 상대적으로 소규모이고 물량도 작았다. 2018년 초 기준으로 전 세계적으로 완전히 실현된 대규모 시연 프로젝트와 프로토타입은 40개가 채 되지 않으며, 전체 결과물의 총 가치는 1억달러 미만으로 추정된다(세계적으로 연간 10조달러의 매출을 기록하는 건설 산업에서.)
지금까지의 결과물들은
대부분 상대적으로 소규모이고 물량도 작았다.
하지만, 기술적인 한계는 설비, 자재 프로세스가 더욱 혁신되어 장차 분명히 해결될 것이다. 때가 되면, 3D 프린팅은 전통적인 현장건설 및 조립식제조방식과 경쟁에 돌입할 것이고 더 많은 물량을 생산하고 더 큰 구조물을 만들며, 일상적인 물건뿐 아니라 더 특화되고 복잡한 물건을 제작할 수 있게 될 것이다.
3D 프린팅의 지지자들은 이 기술이 다양한 방식으로 건설부문에 혜택을 주고 있거나 혹은 줄 수 있을 것이라고 보고 있다.
• 설계의 자유. 비표준형태를 사용하는 데 드는 비용을 줄임으로써, 3D 프린팅은 아키텍트와 디자이너들에게 무한의 자유를 선사한다. 이 기술은 전통적인 건설업의 한계를 뛰어넘어, 복잡한 디자인을 실제 구조로 바꿔준다. 새로운 슬로건이 말해주듯이, ‘건설할 수 없으면, 프린트해라.’ 가 현실이 되고 있다.
• 자율건설. 많은 고소득 국가에서 건설업에 영향을 끼치고 있는 숙련기술력의 부족현상은 더 이상 문제가 되지 않을 것이다. 자율 혹은 반자율 3D 프린터는 인간의 관리감독을 거의 필요로 하지 않기 때문이다. 뿐만 아니라, 이런 프린터들 중 몇몇은 크레인과 같은 전통적인 건설기계보다 가볍고 이동하기가 편리하며 조립건축방식을 사용할 수 없는 위험지역이나 원거리에서도 사용이 가능하다. 비록 고가이기는 하지만, 그 효과가 전체 설비비용을 감소시켜, 비용은 보통의 전통적인 건설 프로젝트의 비용에 비해 20%에서 25%에 불과할 것이다.
• 예측가능성 및 납기속도. 365일 24시간 운영하면서 현장 문제 및 지연을 줄여주기 때문에, 3D 프린터는 건설시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 예를 들어, 여러 부문간의 복잡한 상호작용이 줄어들면서, 건축자재의 운송 역시 줄어들 것이다.
• 지속가능성. 3D 프린팅은 건설부문이 환경에 미치는 유해한 영향을 줄여줄 것이다. 우선, 원료의 상당부분- 몇몇 전문가에 따르면 최대 50%-이 재활용자재가 될 거이다. 또한, 3D프린팅으로 인해 도급업체들이 애초에 자재를 덜 쓰게 된다. 단열이나 차양 기능 목적으로 오버행이나 주름처럼 복잡한 형태를 만드는 데 있어서, 추가자재나 별도의 구조물이 필요하지 않다. 많은 경우에, 형태는 곧 기능이 된다.
원료의 상당부분이 재활용자재가 될 거이다.
또한, 도급업체들이 애초에 자재를 덜 쓰게 된다.
• 특수 자산. ‘토폴로지 최적화’를 능숙하게 이루어 낼 수 있기 때문에-원뿔모양, 빈 모양 혹은 벌집모양 구조 등을 통해-, 3D 프린팅은 상품에 높은 장력이나 단열 등의 특징을 무게를 늘리지 않고 가미할 수 있다. 역시, 형태는 곧 기능이 된다.
완전한 혜택은 3D 프린팅이 대규모로 적용될 경우에만 실현될 것이다. 그 시기는 미래가 된다. 정확히 얼마나 먼 미래인지는 여러 장애물이 극복되는 속도에 따라 다를 것이다. 주요 이슈들은 다음과 같다.
• 프린터 기술 및 경제성. 일반적인 현장 콘크리트 프린터 비용은, 50만 달러에서 200만 달러 정도이며 앞으로 가격은 분명 하락할 것이다. 높이 33피트(10미터) 미만, 시간당 처리량 550파운드(250킬로크램)로, 상당히 작은 건물의 프린팅에만 제한된다. 다층 사무실 블록이나 넓은 표면적의 쇼핑몰과 같은 대규모 건물들의 프린팅에는 훨씬 더 발전된 기계가 필요할 것이다. 일부 스타트업들이 이 같은 비용 및 규모 문제를 해결하기 위해 프린팅 노즐이 장착된 모바일, 다축 산업용로봇을 활용하는 등 색다른 접근법을 실험하고 있다. 이런 종류의 중고 로봇은 비용이 약 5만 달러일 것이다.
• 프린팅 프로세스 및 건축자재. 일반적인 건설현장에서는 불규칙한 날씨로 인해, 자재의 냉각 및 설정을 정확하게 통제하는 것, 즉 구조적인 안정성을 보장하는 것이 쉽지 않다. 자동 조정은 까다로운 작업이며, 즉각적인 품질관리는 아직 완전한 것과는 거리가 멀다. 강화 콘크리트 벽이나 프린트된 배관이나 배선이 안에 있는 벽 등 복합자재의 프린팅 등 더 복잡한 결과물은 숙련하는 것이 매우 어렵다. 프린트 구조물의 마감과 정확도는 더욱 달성하기 어려운 과제이다. 가장 가능성 있는 해결책은 첨가(additive) 공정 방식을 표면 밀링 과 같은 전통적인 공제(subtractive)공정방식으로 보완하는 것이다.
• 설계 및 엔지니어링. 대부분의 아키텍트와 디자이너들은 아직 새로운 창의적 자유로움에 대한 장점을 충분히 누리지 못했고 대다수가 그렇게 하는 것에 관심을 거의 보이지 않고 있다. 아직 전통적인 것에 얽매여 있는 이 건설업계가 적층가공이라는 매우 비전통적인 설계 개념에 쉽게 적응할 것 같지는 않다. 아키텍트와 디자이너들이 신나게 혁신적인 디자인을 만들어 낸다 해도 거기서 끝나는 게 아니다. 그 청사진이 실제 구조로 만들어져야 한다. 많은 건축 엔지니어들이 여전히 실행에 어려움을 겪고 있는 부분이다. 하지만, 전문적인 교육이 현대화되고 새로운 세대의 전문가들이 자리를 잡게 되면, 전통적인 것도 그 세력을 점차 잃게 될 것이다.
• 규제, 조달 규칙, 고객 회의론. 건설업3D 프린팅의 도입에는 관료주의적 요소가 걸림돌이었다. 건축법규의 더딘 반영, 실적기반이 아닌 임의의 관행적 기준의 적용, 지역별로 광범위한 규제의 변경 등이다. (많은 지역에서, 건축법규에서 3D프린팅 건설 기법, 자재, 시험 등에 대해 해당조항이 전혀 없다.) 한편, 많은 미래의 고객들과 세입자들은 3D 프린팅 건물의 안전성과 내구성에 대해 정보를 제대로 제공받지 못하거나 충분한 설명을 듣지 못했다.
이 같은 장애물들은 실망스럽기는 하지만 극복 불가능한 것은 아니다. 3D 프린팅 거푸집, 아키텍처 모델, 일부 건축자재들과 같은 몇몇 응용사례들은 이미 충분히 진행되어 상업적으로도 사용가능하다. 하지만, 품질, 속도, 비용 면에서 더 많은 개선이 이루어질 필요가 있다. 스칸스카의 혁신 및 사업개선 임원인 샘 스테이시(Sam Stacey)는 현재 상황을 한마디로 이렇게 표현한다. “3D 프린팅을 이용한 콘크리트 파사드를 원하는 고객이 있으면, 당장 만들 수는 있지만, 그 고객은 상당한 비용을 지불해야 할 것이다.”
사업성 역시 확실히 건설업의 3D 프린팅의 발목을 잡고 있는 요소이다. Exhibit 3은 3D프린팅과 전통적인 건설을 비교하면서, 이 신기술이 가져다 주는 전체적인 장점을 보여준다(일단 관련 장애물이 극복되기만 한다면.) 주로 자재 및 현장 노동력이 줄어듦에 따라 상당한 비용이 절감될 것이다. 중요한 부차적 요소로는 지연의 감소, 사고 가능성 저하, 환경 영향 감소 등이 있다.
시장 세그먼트 차원에서, 지금까지 가장 발빠른 움직임을 보이는 부문은 주거용 및 상업용 소규모 버티컬 건설이다. 3D 프린팅은 특히 다양한 시도를 하는 아키텍트들이 제공하는 비표준 형태와 부품 등에 적합하다. 대규모 상용 건물들도 금방 이런 추세를 따라잡아, 수요가 증가하고 비용이 감소할 것이다. 러프버러 대학의 리차드 버스웰(Richard Buswell)은 대부분의 전문가들처럼 낙관적인 입장을 피력하면서, 5년에서 10년 내로 수많은 3D 건설 프린팅 비즈니스가 생겨날 것이라고 전망했다.
5년에서 10년 내로
수많은 3D 건설 프린팅 비즈니스가 생겨날 것이다.
가장 저항이 심한 세그먼트는 인프라와 산업 건설일 것이다. 이 세그먼트에서는 수많은 표준 부품을 사용해야 하고 구조적인 강화가 필요한데, 이 두 사항은 전통적인 프리캐스팅(precasting) 방식으로 3D 프린팅보다 저렴하게 해결할 수 있다. 하지만, 3D 프린팅 기술은 머지않아 더욱 발전될 것이 분명하고, 이 기술에 대한 투자가 현재의 상승세를 지속한다면 예상보다 더 빨리 발전할 것이다.
보기 3. 건설업의 3D 프린팅에는 많은 장점이 있다.
보기4. 현재의 가치사슬을 보면 수많은 통합 3D 프린팅 기업이 있음을 알 수 있다.
앞으로 일어날 가치 사슬의 변화
현재 건설업 3D 프린팅과 관련한 수많은 기업들을 살펴보면 흥미로운 패턴을 발견할 수 있다. Exhibit 4가 보여주듯이, 놀랄만한 수의 기업들이 가치사슬의 건설 단계에서 활동하고 있다는 점이다. 이들 중 대다수는 그들 스스로 공급해 온 설비, 자재, 소프트웨어를 사용하고 있다.
이를 설명할 수 있는 한 가지 논리는 3D 프린팅을 다뤄 온 설비 공급업체들은 기존 건설업체들 사이에서는 고객을 찾을 수 없기 때문에 건설 프로젝트에 어느 정도는 참여할 수 밖에 없게 된다는 것이다. 많은 건설업체들이 3D 프린팅에 전념하기에는 여전히 너무 보수적이다. 또 어떤 업체들은 보안 문제 때문에 혹은 자체 3D 소프트웨어를 발전시키거나 인하우스 로봇공학기술을 개발하느라 바쁘기 때문에, 주저하고 있다. 단기적으로는, 통합솔루션이 선호되겠지만, 좀 더 과감한 회사라면 엔지니어링(과 심지어 설계)을 실시하고, 설비와 소프트웨어(와 심지어 자재)를 공급하고 실제 건설을 실행할 것이다. 즉, 턴키 프로젝트 전체를 인하우스 자원을 사용해 실행할 수도 있다.
하지만, 장기적으로는, 3D 프린팅 기술과 시장이 성숙함에 따라, 3D프린팅은 조립식건물제작처럼, 필요에 따라 건설업체들이 전문 하청업체를 통해 사용할 수 있는 건설 기법의 한 형태가 될 것이다. 혹은 강조점이 전문 설비에 집중되어, 건설업체들이 설비 공급업체들에게 기계를 대여하거나 리스할 수도 있다. 이 시나리오에서는, 서비스형 3D프린팅 모델이 발전할 수도 있다. 기술기업들은 복잡한 3D 프린팅 구조를 주문에 따라 생산하는 것에 집중할 것이다. 혹은 설비와 숙련된 업무 팀을 건설업체에 파견할 수도 있다. 스튜디오들은 생성적 디자인이나 3D 프린팅을 전문적으로 다룰 것이다. 설계 자동화에 특화된 소프트웨어 업체들이 부상할 것이다. 이런 회사들에게, 이처럼 더욱 세분화되고 전문화된 시나리오는 턴키 시나리오보다 한층 매력적이다. 확장가능성도 훨씬 크고 자본이나 현지에 대한 지식도 덜 필요하며, 노동력에 대한 필요도 적고 대부분의 리스크는 건설업체가 담당하기 때문이다.
이해관계자들에게 주는 전략적인 시사점
이 같은 변화가 진행되면, 건설업은 전체적으로 변모할 것이다. 기업과 정부는 이런 변화에 대비해야 하며 가능한 최대로 그들에게 유리하도록 그 영향력을 이용해야 할 것이다.
건축자재 공급업체. 몇몇 시멘트 제조업체들은 3D프린팅용 특수 혼합물을 개발했다. 한편, 3D 프린팅 스타트업들은 포틀랜드(Portland) 시멘트 혹은 기타 표준 자재를 기반으로 자체적으로 고유한 혼합물을 개발해왔다. 부가가치 상품을 판매하려는 경쟁이 치열해지고 있다. 기존의 대형 및 중량자재(heavy-side) 기업들이 신규진출기업보다 앞서 나가려면 여러 측면에서 적극적으로 조치를 취해야 할 것이다. 제조방법을 계속해서 개선해나가야 한다. 현지 네트워크를 활용해 3D 프린팅 기업을 고객으로 유지할 수 있도록 해야 한다. 또한 대체되거나 상품화될 리스크를 줄이기 위해 설비 공급업체 및 도급업체들과의 협업방안을 강구해야 한다.
경량(light-side) 건축자재 기업들-단열재, 석고판 상품, 코팅 등을 제공하는 업체들-에게, 3D프린팅은 이 자재들의 수요자체를 줄이기 때문에, 더 심각한 문제가 된다. 이제 더 이상 다양한 자재가 필요 없을 것이다. 또한 방음이나 단열과 같은 특수기능 역시 프린팅 결과물에 직접 결합될 것이다. 마감에 대한 필요 역시 줄어들 것이다. 새로운 첨가 및 공제 공정 방식이 결과물의 정확도를 개선시켜 줄 것이기 때문이다.
도급업체. 현재 도급업체들 사이에 팽배한 회의적인 의견은 오래가지 못할 것이다. 대형 건설업체들-스칸스카, 랭 오록, 빈치, 브이그 등-이 3D 프린팅을 이용해 프로젝트를, 특히 주택 건설 프로젝트에를 추진하고 있는 것이 주지의 사실이다. 앞서 나가는 기업들은 로봇공학, 프로그래밍, 설계 및 재료공학의 전문 기술과 역량을 확보하기 시작하고 있다. 또 다른 기업들은 관련 설비를 구입 혹은 대여할 준비를 하고 있거나 3D 프린팅 서비스 제공업체와의 하청계약을 계획 중이다. 어떤 기업들은 컨소시엄을 통해 연구기관이나 전문 기업과 공식적으로 협업하려는 방안을 검토 중이다.
건설업체가 일단 3D프린팅을 사전조립제조나 전형적인 현장 건설처럼, 그들의 툴킷에 포함시키면, 주어진 프로젝트에 대해 혹은 복잡한 설계를 포함하는 고도의 상업 프로젝트 입찰 시에 가장 적합한 기술 구성을 선택할 수 있을 것이다. 건설 작업 자체는 전통적인 방식에 제한되었던 것에 비해 재작업이 더 빠르고, 더 저렴하고, 법적인 책임을 덜 지게 될 것이다. 인프라와 대형 산업프로젝트에 대해서는, 더 많은 인내심이 필요할 것이다. 앞서 설명한 것처럼, 많은 작업에 있어서, 3D 프린팅은 사전조립이나 캐스팅(casting) 방식에 비해 가격이나 품질(구조적 강도)면에서 아직은 경쟁상대가 되지 못한다. 하지만, 복잡한 배관이나 하수도 시스템 등 일부 작업에 대해서는, 3D 프린팅이 이미 프로젝트실행 준비를 거의 갖추고 있다.
정부는 실적에 기반한 기준을 확립하고
건축법규를 확대함으로써 혁신을 장려할 수 있다.
규제당국과 건축주. 정부는 실적에 기반한 기준을 확립하고 건축법규에 3D 프린팅 기술, 자재, 시험에 대한 내용을 포함시키는 등 적극적으로 규제환경을 뒷받침해줌으로써 혁신을 장려할 수 있다. 반가운 선례 중 하나는 영국정부의 BIM에 대한 접근이다. 전략적인 투자와 맞물린 확실한 규제 시스템은 BIM 기술의 도입을 촉진했고 영국기업들은 국제적으로 유리한 위치를 점할 수 있었다. 두바이는 건설업의 3D프린팅 기술에 있어 유사한 행보를 보이고 있다. 게다가 각국 정부들은 인프라관련 메가프로젝트에서 저가 주택 및 재난구호 계획에 이르기까지, 각각 주요 프로젝트의 건축주이기도 하다. 따라서 3D프린팅 효율성의 혜택을 직접 경험할 수 있다.
설비 공급업체. 미래의 비즈니스 모델은, 앞서 제안했듯이, 통합 턴키 프로젝트 업체에게는 덜 선호되는 방식이며, 전문 3D프린팅 서비스제공회사나 설비대여회사에게 선호될 것이다. 기존의 3D 프린팅 기업들은 이 역할을 맡아, 설비, 소프트웨어, 특수자재뿐 아니라 노하우 및 교육 제공을 하기 위한 준비를 갖추고 있다. 또 다른 가능성은 면도기와 면도날(razor and blades) 비즈니스 모델이다. 즉 설비제공업체들이 설비에 필요한 원료 및 기타 자재들을 판매함으로써 많은 수익을 올리는 것이다. 일부 건설기계-로더(loader)와 크레인 등-제공업체들에게, 3D 프린팅 기술은 심각한 위협이 된다. 일단 현장이 준비되면 전통적인 설비에 대한 필요가 대폭 줄어들 것이기 때문이다.
미래, 가깝고도 먼
아마도, 언젠가는 거대한 빌딩 전체가 스위치를 누르고 원료를 보충하는 것 외에는 현장에서 사람이 하는 일이 전혀 필요 없이, 프린터 한대로 프린트 되는 날이 올 것이다. 이것은 매우 먼 미래의 모습이다. 보다 가까운 현실적인 모습은 몇몇 개의 독립적인 과정에 대해 자율 혹은 반자율 시스템-강화, 콘크리트 압출, 표면 밀링, 단열 등-이 적용되는 것인데, 이 과정들을 서로 긴밀하게, 작업자와 함께 통합하는 것은 아직이다. 보다 가까운 미래에, 건설업의 3D 프린팅은 그 역할을 확대해 거푸집이나 복잡한 부품의 프린팅 등 특수한 응용사례들을 대중화하고 발전시켜, 더욱 복잡하고 어려운 디자인을 소화하게 될 것이다. 관련 투자가 지속적으로 이어지기만 한다면, 이런 성장세는 계속될 것이다.
참조
1. 자세한 사례 연구에 대해서는, World Economic Forum과 BCG가 공저한 2017년 2월 보고서, ‘Shaping the Future of Construction: Inspiring innovators redefine the industry’ 를 참조한다.
