3D프린트

 

지금까지의 프린터의 기능은 단순히 문서나 도면등을 출력하는데 그쳤으나 오늘날에는 3차원의 입체적인 물체도 출력할 수 있게 되었다. 3D 프린터는 입체적으로 만들어진 설계도에 근거하여 플라스틱, 금속 가루 등의 재료를 3차원의 공간 안에 층층이 쌓거나 레이저로 굳게 하여 실제 사물을 만들어 낼 수 있는 기기이다.

3D프린터란 3차원으로 특정 물건을 만들어내는 프린터로, 입체적으로만들어진 설계도를 통해 3차원 공간위에 실제 사물을 만들 수 있도록 하는 기기이다. 일반적인 프린터가 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를분사하여 출력하는 것과 같이 3D 프린터는 디지털화 된 3D제품 디자인을 2D단면으로 연속적으로 재구성하여 재료를 한 층씩 출력하면서 적층하는방식이며, 재료를 한 층씩 쌓는 방식이기 때문에 적층제조라고 한다.

즉, 기존의 입체형상의 재료를 깎아서 조형하는 방식이 아닌 3D 설계 데이터에 따라서 액체나 고체 또는 분말 형태 의 재료를 적층하여 입체를 조형하는 기술개념이다. 3D 프린팅은 1980년대 신속조형기술이라는명칭으로 산업계에 소개되었다. 신속조형기술 은 액체나 파우더, 금속 등의 재료들을 적층 방식으로 쌓아올려 만들고자 하는 형태를 제작하는 기술을 의미한다. 초기에는 금형 제작 방법이나 레이저로 절삭하여 형태를 깎아 만드는 방식의 절삭가공 이 주를 이루게 되었다.

그 후 1986년 최초의 3D 프린터 출시를 기점으로 3D프린팅 기술은 점차 발전하여 적층가공기술이라는 기술 용어로 자리 잡게 되었다 3D 프린터는 다양한 적층 방식과 활용할 수 있는 재료에 따라 구분이 가능하다. 적층 방식은 압출, 액체를 빛으로 경화하는 방식의 광경화, 잉크젯 방식의 분사, 금속 인발, 분말을 압축하는 방식의 파우더 소결, 시트 접합 등으로 구분이 가능하며 폴리머, 목재, 금속, 종이, 식재료 등을 다양하게 재료로 활용할 수 있다.

3D 프린팅의 기본 원리는 얇은 막을한 층씩 쌓아 올려 입체적인 형태의 물건을 만드는 것으로 입체형태의 물건을 미분하듯이 편명으로 매우 얇게 잘라 분석한 후 얇은 막을 바닥부터 한 층씩 쌓아서 물건의 형태를 완성시키는 제작방법이다. 와이어, 분말, 액체의 형태로 사용되고 이를 높은 열로 녹여, 녹인 재료를 얇은 막으로 층층이 쌓아간다.3D 프린팅의 과정은 크게 세 가지 단계로 나누어 볼 수 있다.

첫번째로 제작하고자 하는 물체의 설계도면을 입체적으로 만드는 모델링단계이다. 3D 소프트웨어를 이용하여 3차원 공간에서 물체의형태를 제작하는 과정이다. 제작된 모델링 데이터는 3D 프린터로 출력이 가능하도록 STL또는 OBJ파일로 변환 시켜야 한다.

둘째로 재료를 한 단계씩 쌓아 올려 모형을 제작하는 단계인 프린팅 이다. STL 파일을 3D 프린터로 출력하기 위해 모델링한 3D모형을 수평방향으로 수많은 얇은 층으로 분리하여 데이터를 G-code파일로 변환하여 출력된다.

마지막으로 제작된 3D모형을 서포터를 제거하고 연마, 염색, 표면재료 증착 등의 최종 상품화를 위한 후가공단계가 있다 3D 프린터 구조이며 주로 보급형으로 사용되어진다.

초창기 개발진들이 도입하여 1950년대부터 사용되던 G-Code를 사용하여 압출기를 제어한다. G-Code[바로가기]는 일종의 프로그램 언어로 Tool의 끝단에 대해 X-Y-Z축 방향으로 얼마만큼 이동해서, 툴을 동작시키고, 이동하도록 하는 일종의 명령어이다.

출력 프로그램을 통해 만든 G-code로 압출기 를 제어하며 압출기 를 통해 출력 소재를 제작단 에 분사하여 출력한다. 입력된 G-code를 따라 재료가 압출되며, 압출된 재료는 한 층씩 단계별로 쌓이게 된다. 얇은 층이 쌓이며 출력물의 형태가 완성되며 출력 과정에서 생긴 부속물이나 필요 없는서포터를 제거하고 표면을 가공하여 출력물이 완성된다.

과거 산업에서 주를 이루던 금형 제작 방식이나 절삭가공이 소품종 대량 생산에 유용한 반면에 다품종 소량 생산에 효율성이 낮았다면, FDM 방식의 적층가공기술은 소량의 샘플을 제작하고 다양한 품종을 소량만 생산하는 경우 금형 제작 또는 절삭가공과 비교하여 적은 비용으로 효율적인 제작을 가능하게 했다.

 

 장점

㉮. 재료 낭비 최소화

절삭가공 방식의 생산방식은 어떠한 재료를 깎아내어 형체를 만들어내는 방식으로 어쩔 수 없이 재료 낭비가 발생한다. 반면 3D 프린터는 플라스틱, 음식, 생화학 물질 등 재료를 한 층씩 쌓는 적층방식을 사용하기 때문에 재료 낭비를 줄여준다.

㉯. 다품종 소량생산

과거 대량생산 방식에서는 수요가 적은 제품을 쉽게 만들 수 없을뿐더러 극히 소량의 제품이 한정적으로 공급되며 무척 비싼 가격에 판매된다. 그러나 3D프린터는 다품종 소량생산과 개인 맞춤형 제작이 가능하기 때문에 수요에 구애 받지 않고 필요에 따라 얼마든지 제작할 수 있다.

㉰. 소비 네트워크의 변화

3D프린팅은 제조 분야에만 혁신을 초래하지 않는다. 소비자는 3D프린팅을 통해 제조된 상품을 구매할 수도 있지만 시스템 안으로 들어가 직접 3D 데이터를 제공하며 직접 참여할 수 있다. 이제까지 특정 기업에 한해서 판매되고 공급되던 물품은 소비자도 직접 참여해 제작하고 공급할 수 있는 시대가 도래 하는 것 이다.

㉱. 다양성 추구

3D프린터가 있으면 한 가지 모델로도 다양한 시도와 변경이 가능하다. 기존의 제작방식에서는 작은 내용이라도 수정하거나 변경하기 위해서 기기 설계 및 부품 등을 교체하는 작업이 필요했지만 3D프린터는 3D데이터를 수정해 출력할 수 있다. 이러한 장점은 기업에서 시제품 용도로 많이 사용됐으며, 불필요한 과정을 생략할 수 있기 때문에 기업의 운영비용을 절감하는 효과를 얻게 한다.

㉲. 생산방식의 간소화

기존 제작 방식에는는 일정한 공간과 인력, 설비시설 등 요구사항이 많다. 하지만 3D프린터는 출력 작업을 진행하는 프린터와 컴퓨터만 있으면 된다. 그 예로, 두바이에서 최초로 완성한 3D프린팅 건축물의 경우 17일의 제작기간 중 단 한 명의 직원만 필요하다.

㉳. 다양한 활용범위

3D프린터는 제품의 사이즈에 상관없이 얼마든지 원하는 것을 제작할 수 있다. 현재도 3D프린팅 기술을 다양한 분야에서 활용하고 있다. 프린팅 방식과 재료에 따라 의료, 건축, 문화, 디자인 등 활용범위는 앞으로도 더 확대될 전망이다.

㉴. 누구나 도전할 수 있다

특별한 기술이 없어도 3D프린터를 손쉽게 사용할 수 있다. XYZprinting 제품처럼 소비자를 향한 보급형 3D프린터가 공급되면서 3D프린터는 개인 사용자에게로 확대되고 있다. 가격경쟁력을 확보하고 출력 속도가 개선되며 손쉬운 사용 환경으로 무장한 3D프린터는 이제 특정 기업이나 전문가에게 국한된 게 아닌 관심만 있으면 누구라도 도전할 수 있게 됐다.

 

 단점

대량 생산이 어렵고 고가이며 출력할 수 있는 물건의 크기가 제한적이다. 지적 재산권의 침해가 될 수 있으며 지문 출력 등을 이용한 범조의 가능성이 크다.

㉮. 개인무기소지

지금은 개인의 무기를 구매하기 쉽지 않지만 여러 인증 절차를 거처 합법적으로 무기 보유를 승인 받아야 하지만 3D프린터가 대중화 된다면 개인들은 집에서 아주 쉽고 간단하게 무기를 출력할 수 있게 된다. 그렇게 된다면 총기 안전지대라고 불리웠던 우리나라도 더 이상 총기로부터 자유롭지 못하게 된다.

㉯. 일자리 파괴

3D프린터가 대중화 되면 많은 일자리들이 사라지게 될 것이라는 전망이 많다. 제일먼저 타격을 받게 되는 것은 미숙련 노동집약적 일자리 들이다. 다시 말하자면, 옷 디자인에 따라 재봉틀을 박는 사람들, 컨베이어 벨트에서 제품 조립을 하는 사람들과 같이 비교적 단순하며 반복적인 일을 하는 사람들은 모두 3D프린터로 인해 일자리를 잃게 된다. 이로 인해 사회의 양극화 문제가 더 심화될 가능성도 있다.

 

 3D프린터의 종류와 특징 및 활용사례

㉮. 소재압출 방식

소재압출 방식은 3D 프린팅 재료를 압출해 쌓아올리는 방식으로 조형한다. 학교 미술시간에 배운 찰흙으로 그릇 만들기 와 유사하다. 찰흙을 가늘게 말고, 빙 둘러 쌓으면 그릇이 된다. 소재압출 3D 프린터의 원리도 이와 같다. 소재경화 방식은 재료를 조금씩 굳혀 원하는 모양을 만든다.

재료는 레이저로 굳히는 금속 분말, 빛을 쬐면 굳는 광경화 수지 등 다양하다.

소재압출 3D 프린터는 구조가 간단해 만들기도, 다루기도 쉽다. 크기가 큰 조형물을 만들 경우에도 소재압출 3D 프린터가 유용하다. 3D 프린터 본체와 소재 가격대도 낮아 경제적이다.

다만, 소재압출 3D 프린터 인쇄물의 품질은 소재경화 3D 프린터의 그것보다 떨어진다. 재료를 쌓아올리는 만큼 인쇄물 표면이 거칠고, 인쇄 후 서포터(인쇄 시 공중에 뜬 부분을 지지해주는 역할)와 표면을 처리하는 후가공 절차도 필요하다. 복잡한 형태·구조 인쇄물도 만들기 어렵다. 교육·취미용 3D 프린팅 펜은 소재압출 3D 프린터에 속한다. 글루건과 유사한 원리로, 필라멘트를 고열 노즐에서 녹여 원하는 제품을 그리고 만든다.

㉯. 소재경화 방식

소재경화 3D 프린터는 부피가 크고 큰 인쇄물을 만들기 어렵다. 본체 가격이 수백만원 에서 수억원 대에 이를 정도로 비싸고, 소재 가격도 높아 대개 산업용으로 쓰인다.

반면, 소재경화 3D 프린터의 인쇄물 품질은 아주 우수하고 후가공 절차도 훨씬 간단하다. 재료를 굳혀서 만드는 덕분에 1mm 이하 작은 크기나 정교한 무늬도 거뜬히 만들어낸다. 재료에 색상을 첨가하면 인쇄 단계에서 결과물에 색상을 입히기도 쉽다.

3D 프린터가 있으면 소재도 있다 소재로는 대부분 플라스틱 수지가 활용되는데, 최근에는 친환경 수지 가 각광 받고 있다. 3D 프린터는 열을 사용해 소재를 다루는 만큼, 사용 시 자칫 유해물질이 생길 수 있다. 친환경 수지는 옥수수를 비롯한 유기물질로 만들어 인체에 무해하다.

금속 도 3D 프린터 주요 소재이다. 분말 형태로 가공해 고열 혹은 레이저로 녹이는 방식이다. 금속마다 용융점과 강도가 모두 다르니, 활용 분야에 따라 각기 다른 금속 소재를 사용하면 된다. 고강도 철이나 가벼운 알루미늄, 인체 무해한 티타늄이 주로 활용된다. 3D 프린터에 따라서는 종이(수천장 쌓인 종이를 한장씩 베어내 원하는 모양을 만듭니다), 세포, 모래 등 독특한 재료를 활용하기도 한다.

 

 활용사례

3D 프린터는 얼마나, 어떻게 쓰이고 있을까 최근 3D 프린터로 집을 하루 만에 지어 화제가 됐다. 사실, 이 기술은 3~4년 전 이미 발표됐다. 골조 위에 기계가 콘트리트를 덧씌우는, 일종의 대형 소재압출 3D 프린터 로 보시면 된다. 현재는 창문이나 전기 배선 등을 사람이 직접 시공해야 하지만, 각기 다른 작업을 하는 여러 대의 3D 프린터를 응용하면 집 한 채를 완전히 3D 프린팅하는 것도 불가능은 아니다.

바이오 3D 프린팅 기술은 우리 삶의 질을 높여줄 것이다. 사람의 뼈, 관절, 혈액에 심지어 장기까지 복제할 수 있는 기술이다. 이미 인체 무해한 티타늄 소재 관절, 두개골 등이 임상 실험을 마친 상태이다. 관절이나 뼈를 3D 프린팅하면, 환자 몸의 특성이나 환부에 따라 맞춤형 보조 기구를 만들 수 있다. 수술 정확성이 대폭 높아지는 셈이다. 우리나라에서는 사지절단 장애인을 위해 3D 프린팅 전자 의수(기계 손)를 제작한 메이커의 사연이 화제가 되기도 했다.

앞으로는 혈관이나 장기 등 신체 조직도 3D 프린팅하는 시대가 온다. 사람에게서 세포를 추출하고, 배양을 거쳐 바이오 3D 프린팅 재료를 만든다. 이후 3D 프린팅 기술로 장기를 비롯한 신체 조직을 만드는 원리이다. 장기 3D 프린팅 역시 연구가 활발하고 실제 인쇄 제품도 있다.

금속 3D 프린팅 기술도 날이 갈수록 발전하고 있다. 초기 금속 3D 프린팅 기술은 단순히 부품 일부를 만드는 수준이었지만, 지금은 복잡한 비행기 엔진 혹은 자동차 내연기관의 모든 부품을 3D 프린팅하는 단계에 이르렀다. GE, 보잉 등 유수의 제조 기업들이 금속 3D 프린팅으로 시제품을 만들고 있다

 

참고자료

google.co.kr

국회도서관 학술자료