3D프린팅, 제3의 혁명 (1)

[이슈점검]

(사진출처:http://airwolf3d.com/3d-printer-product/)

들어가는 말

3D프린팅 기술이 세계적으로 이슈화 되고 있다. 이코노미스트(Economist)지에서는 3D프린팅이 “제 3의 혁명”이라 지칭하며 국가의 산업구조에 중대한 변화를 가져올 것이라고 전망 하였고, 미국 오바마 대통령은 국정연설에서 3D프린팅이 거의 모든 제품의 생산 방식을 바꿀 수 있는 기술로 언급하였다.

우리나라 정부도 내년부터 2020년까지 초중고생, 일반인, 예비창업자 등 1,000만 명에 대한 3D프린팅 활용교육을 실시하고 손쉽게 3D프린터를 활용할 수 있는 기회를 마련하기로 했다고 한다.

이에 따라 앞으로 2회에 걸쳐 3D프린팅 기술에 대해 연재하고자 한다. 1회는 3D프린팅의 개념 및 적용사례를 설명하고 2회는 우리나라 3D프린팅 산업정책과 사회적기업의 적용 가능성에 대해 설명하고자 한다.

지금까지 프린터는 단순히 잉크나 레이저를 이용하여 글자나 그림을 인쇄했다면, 3D 프린터는 잉크나 레이저 대신 고분자, 파우더, 플라스틱, 액체 등 다양한 소재를 사용하여 자외선이나 레이저로 재료(소재)를 굳혀 제품을 만들어 내는 방식이다.

3D프린팅의 정의

쾌속조형(RP:Rapid Prototyping)의 적층 조형 개념

3D프린팅이란 디자인 데이터를 이용, 소재를 적층(積層)하여 3차원 물체를 제조하는 프로세스로 재료를 자르거나 깎아 생산하는 절삭가공과 대비되는 개념으로 공식용어는 적층가공(AM; Additive Manufacturing), 쾌속조형(RP; Rapid Prototyping)이라고 한다.

적층가공(쾌속조형 Rapid Prototyping)라고 하며)은 소프트웨어로 3차원 설계를 한 다음 가루나 액체를 굳힌 레이어를 여러 겹 층층이 쌓아 3차원으로 인쇄하는 방식으로 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 쌓아 올려 제조하는 방식이다.

컴퓨터에서 3D(computeraided design)소프트웨어를 이용하여 제품을 설계하고 3D프린터에 지시를 내리면, 프린터에는 잉크대신 플라스틱, 고무, 금속, 분말 등의 재료가 들어 있어서 컴퓨터의 입력된 디자인에 따라 수많은 레이어(LayerbyLayer)를 한층 씩 쌓아 물건을 만들어내는 방식을 말한다.

따라서 3차원 설계도만 있으면 누구나 원하는 제품을 쉽고 편리하게 얻을 수 있는 새로운 기술로서 제조업의 일대 혁신을 불러오고 있다.

3D 프린터 적층 방식은 다음 표와 같다.

적층방식	정의	재료종류
jetting(분사)	액상의 재료를 프린터 헤드를 통해서 분사하는 방식	폴리머
Extrusion(압출)	고체 상태의 재료를 고온으로 가열하고 상온에서 굳는성질을 이용하여 가공하응 방식	폴리머
Light Polymerised (광경화)	광경화성 프라스틱으로 조형하고 UV광선 등을 조사하여 경화 시키면서 가공하는 방식	폴리머
Granular Sintering (분말 소결)	분말형태의 재료를 이용하녀 레이저 등을 통해서 소경시키거나 용해시켜서 분말의 입자끼리 용융이 되도록 하는 가공방식	폴리머, 금속
Directed Energy Deposition	레이저 등의 에너지원을 이용하여 재료를 완전히 녹여서 기존의 구조물에 적층하는 방식	금속
Wire(인발)	끝이 좁은 다이스를 통해 생성된 실형태의 폴리머 재료를 이용해서 조형물 적층하는 방식	폴리머
Sheet Lamination	얇은 필름 모양의 재료를 접착제로 사용하거나 열접착방법으로 접착시키는 방식	종이 (Film)

보편적 제품생산 방식은 표준화와 규격화에 의해서 대량 생산된 상품을 소비자들에게 구매하도록 하는 방식이거나, 소비자들이 원하는 상품이나 서비스에 대한 요청을 통한 주문생산이었다. 대량생산 방식은 효율적이고 기업의 이익의 증가를 주지만 제품다양성과 고객 맞춤제작을 포기할 수밖에 없고, 주문생산은 사용자의 욕구를 반영하여 다양한 제품을 만들어낼 수 있지만 생산량이 소량이고 가격이 높다는 단점이 있다. 그리고 생산자와 소비자는 늘 분리되었다.

그러나 3D 프린팅 생산은 대량생산과 동시에 주문생산도 가능하며, 생산자와 소비자의 경계는 더는 남아있지 않고 자기 스스로(self) 생산하여 사용할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 주부들이 아이들의 장난감이 필요하 경우 3D소프트웨어를 이용하여 제품을 설계하고(미국에선 제품설계를 사고파는 전문사이트가 유행) 3D 프린팅(생산)하여 즉시 사용 하면 된다.

1980년대 초반 미국 3D Systems사는 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 인쇄하는 프린터를 개발하였다. 1986년 찰스 헐(Charles W.Hull)는 광경화성 수지 조형 방식(SLA: Stereo Lithography Apparatus)을 이용하여 최초의 상용 3D 프린터를 발명하였고 1988년 상용화 하였다.

초창기 3D프린터는 시제품을 만들기 위한 방법에서 시작되어 당시 재료나 기기가 비싸서 대중화될 수는 없었지만, 현재는 다양한 기술 개발과 소재의 다양성, 가격의 적정화로 다양한 산업에서 활용 하고 있다. 이제는 3D프린팅이 대중화되어 각 개인도 원하는 물건을 직접 만들어 내고 생산할 수 있는 시대가 도래하였다.

3D 프린터 업체 중에 높은 사양의 장비들을 이용하여 일반 소비재 제품과 같은 조형물을 생산 할 수 있는 기업들이 많이 생겨나고 있다. 이와 더불어 저가형 3D 프린터가 보급되자, 개별 소비자들은 3D 프린터를 구입하여 개인용품 등을 생산하여 사용하는 사례가 늘어나고 있다. 이제 누구나 아이디어만 있으면 자기 스스로(self) 제품 생산과 동시에 소비를 할 수 있는 시기가 도래하였다.

최근 3D 프린터 사례

http://3dprint.com/3967/fda-3d-printing-regulations/

의료부분에서는 임플란트를 3D 프린터로 생산하여 조형물 자체를 제품으로 사용하거나, 인공관절 등은 환자마다 모두 다른 디자인이 적용되어야 수술의 결과가 안정적이고 부작용을 줄일 수 있어 대표적으로 많이 사용하고 있다. 이런 3D 프린터에 사용되는 금속인 티타늄과 코발트 크롬을 재료로 사용하고, FDA의 인체 적합성 검증을 받음으로서 활용 사례가 증가하고 있는 추세이다

http://info.speckdesign.com/blog/bid/334751/Healing-Limbs-through-3-D-Printing

석고붕대가 너무 무겁고, 많이 버려져서 환경적인 문제가 발생하자 석고붕대를 3D프리팅 하여
가볍고, 환경문제도 해결

액세서리 분야에서는 액세서리 공급업체가 고객들의 개인의 취향에 따른 디자인 제안을 받고 여러 가지 케이스를 3D 프린터로 만들고, 만들어진 형상을 원심주조법을 이용하여 제품을 생산하고 있다.

http://cubify.com

패션분야는 신체 사이즈와 디자인 구성에 맞는 정확한 계산과 미리 의상이 착용된 모습을 3D프린팅으로 옷을 제작하여 디자이너의 이미지를 구체화할 수 있다.

아이리스 반 헤르펜(Irisvan herpen)디자이너는 2011년 파리 패션쇼에서 3D프린팅을 이용하여 의상을 제작하였다.
http://www.pleatfarm.com/2013/01/25/voltage-iris-van-herpen/