Hot Agenda - 3D 프린팅이 보여주는 상상 그 이상의 세계
“상상하는 아니, 도저히 상상할 수 없는 그 무엇이든 만들 수 있다”면 창의적인 일을 하는 사람들에게는 매우 솔깃한 이야기일 것이다.
신속 조형기술 즉 RP(Rapid Prototyping)란 재료를 한층 한층 적층하여 3차원 모양의 목업이나 프로토 타입을 빠르고 정확하게 만드는 것을 말하며 현재 이 조형 기술은 금형을 사용하지 않고도 바로 실제 사용 가능한 제품을 제작하는 단계까지 와 있다.
원하는 무엇이든, 그것도 아주 빠르게 제작할 수 있는 기술로 우리는 놀라운 경험을 하게 될 것이다.
국내외 신속 조형기술 환용 사례로는 조각 및 설치 예술, 주얼리 디자인, 분양 등 다양하게 활용되고 있다.
3D 프린팅의 정의 및 방식
흔히 3D 프린팅 기술이라 말하는 신속 조형기술이란, ‘컴퓨터 내에서 작업된 3차원 모델링 데이터를 직접 손으로 만질 수 있는 물리적인 형상으로 빠르게 제작하는 기술’로 정의할 수 있다.
즉 최초의 시작품을 빠르게 제작하는 기술이다.
조형 공정상의 가장 큰 특징으로는 재료를 한층 한층 순차적으로 적층하여 형상을 조형하는 첨가가공의 범주에 있다는 것으로, 이는 소재 자체를 공구에 의해 절삭하여 형상을 제작하는 공제가공과는 반대의 의미를 가지고 있다.
조형 능력면에서는 공제가공의 경우 공구간섭으로 제작 가능한 형상에 한계가 있지만, 첨가가공에 속하는 신속 조형기술의 경우 모델링된 어떤 3D 형상도 제작이 가능하다.
3D프린팅의 방식(조형방식)에는 광경화 적층방식, 레이저 소결적층방식, 박막적층 방식, 수지 압출 적층방식, 잉크젯 적층방식, 폴리젯 적층방식이 있다.
광경화 적층방식은 레이저 빔이나 강한 자외선에 반응하는 광경화성 액상 수지를 경화시켜 모형을 만드는 방식이다.
레이저 소결 적층 방식은 레이저 빔으로 분말 상태의 소결제를 포함 플라스틱 유리 모래 금속 등을 녹여 형상을 조형하는 방식이고 박막 적층 방식은 마분지와 같은 얇은 두께의 종이판이나, 롤 상태의 PVC라미네이트 시트와 같은 재료를 CO2 레이저나 나이프 에지와 같은 정밀 커터로 자른 후 열로 가열 접착하여 형상을 제작하는 방식이다.
그리고 잉크젯 적층방식은 가정에서 사용하는 컬러 잉크젯 프린터와 원리는 비슷하다.
잉크젯 프린터처럼 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러잉크와 바인더라는 경화 물질을 분말 상태의 재료에 분사하여 형상을 제작해 가는 방식이다.
마지막 폴리젝 적층방식은 프린터 헤드에 있는 수백 개의 미세 노즐에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 동시에 경화시켜 형상을 제작하는 방식이다.
3D 프린팅에 사용되는 기술
3D 프린팅에 사용되는 기술은 재료에 따라 크게 네 가지로 분류할 수 있다.
액형 기반의 재료를 이용한 방식, 분말재료를 이용한 방식, 고체 상태의 재료를 이용한 방식, 얇은 판/시트 재료를 이용한 방식 등이다.
먼저 액형기반의 재료를 이용한 방식은 다시 SLA, PolyJet, DLP로 분류된다.
SLA(Stereo Lithography Apparatus)는 액체 상태의 재료를 레이저나 강한 자외선을 이용 한층 한층 경하시켜 결과물을 제작하고, 재료는 레이저나 빛에 반응하면 곧바로 경화되기에 주로 광경화성 수지를 사용한다.
미국 3D systems사에서 처음 개발, 사용화된 관계로 대표적인 이름이 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 또는 SL방식으로 줄여 칭하기도 한다.
PolyJet(Photopolymer Jetting) 기술은 잉크젯기술과 광경화성수지 기술이 결합된 고해상도의 3차원 플랫폼으로, 800개의 노즐을 통해 분사되는 액상의 광경화성수지(Pho- Topolymer)를 자외선으로 동시 경화시켜 가며 모델을 만드는 방식이다.
DLP(Digital Light Processing)는 우리가 흔히 영화 상영이나 사무실의 프리젠테이션 시 사용하는 DLP프로젝터에 사용되는 기술과 거의 동일하다.
우선 3D CAD로 제작된 슬라이싱 데이터를 레이어 별 각각의 그림데이터(Bitmap)로 전환하여 소프트웨어 상에서 디지털 마스크를 생성 후, DLP Projection 장치에서 고해상도의 프로젝션광으로 광경화수지에 마스크 투영하여 모델을 조형하는 원리이다.
다음으로 분말재료를 이용한 방식에는 레이저소결, SLS, 3DP가 있다.
레이저 소결(Laser Sintering) 방식은 분말재료에 레이저를 선택적으로 주사하여 서로 용융점이 다른 분말을 바인더 없이 용융착시키는 소결 방식이다.
SLS(Stereorithograpy Apparatus)방식은 앞에서 설명한 SLA 방식과 비슷하지만 SLA는 액상의 수지에 레이저를 조사하여 형상을 조형하는 반면, SLS는 가루성분의 재료에 레이저를 조사하여 형상을 만들어 내는 방식이다.
3DP(3DP=3D Printing=InkJet)는 얇은 파우더 층에 액상 바인더를 프린팅 헤드를 통해 번갈아 분사하여 한층 한층(Layer by Layer) 적층해가며 모델을 조형하는 Inkjet printing 기술을 사용한다.
세 번째로, 고체 상태의 재료를 이용한 방식(FDM, Fused Deposition Modeling)이 있다.
이 기술을 한마디로 표현하면 용융 압출 적층 모델링으로 볼 수 있으며, 필라멘트나 와이어(Wire)상태의 고체 수지 재료를 용융압출헤드에서 녹여, 2개의 노즐을 통해 분사, 모델을 적층 조형하는 기술이다.
마지막으로 소개할 방식은 얇은판/시트 재료를 이용한 방식이다. 재료의 공급 형태가 종이(Paper) 또는 PVC 시트와 같은 경우로 이러한 시트들은 두루마리나 잘린 시트 형태로 RP시스템에 공급된다.
대표적인 방식은 종이를 레이저로 절단한 후 열이 나는 롤러로 압착하는 방식, PVC 시트를 칼날로 자르면서 접착하는 방식, 종이를 칼날로 자르면서 열로 압착하는 조형 방식 등이 있다.
3D 프린팅의 기술 동향
3D 프린터 핵심기술(FDM, SLS)의 확산으로 3D 프린터 제작 및 보급 급증 예상 되며, 2014년, SLS제조방식 원천 특허권 만료예정으로 3D 프린터 시장성장 예상된다.
또한 FDM 제조방식의 원천 특허권 만료 후, 개인용 3D프린터 2만 대 이상 보급 소재기술의 개발 및 진화로 인한 다양한 산업분야에 적용 가능할 것으로 보인다.
또 플라스틱에 이어 주물성분의 강도를 뛰어넘는 다양한 금속재료(알루미늄 합금, 티타늄 합금, 니켈 성분 초합금 등)의 등장으로 새로운 프린팅 방식 개발에 의해 제품 퀄리티가 향상되고 제작시간이 단축될 것이다.
그래서 현재의SLS 방식보다 빠른 레이저용형기술 및 사후 프로세스 생략가능 기술 개발이 이루어지게 될 것이다.
3D 프린팅의 응용 사례
이미 이름이 널리 알려진 큰 기업들은 자사 제품의 개발주기를 단축하고 보안성을 높이기 위해 3D 프린터를 도입하고 있다.
애플, 구글, 삼성전자, LG전자, 현대자동차 등 세계 유수 기업들이 자사의 핵심 제품을 개발, 출시하는 데 3D프린터를 적극 활용하고 있는 것이다.
실제로 아이폰5, 갤럭시S3, 갤럭시노트2, 넥서스7 등 주요 IT 신제품이 바로 3D프린터를 거쳐 개발된 것으로 이미 잘 알려져 있다.
그 밖에도 3D 프린터를 활용할 수 있는 분야는 귀금속, 치과의료, 기자재, 심지어 보청기의 실물모형 제작까지 그 응용범위가 무궁무진하다고 하겠다.
• 의료 분야 RP 활용사례
정교하게 만들 뿐만 아니라 인체에 무해한 재료를 활용하여 덴탈이나 보청기 등 의료 분야에서 각광 받고 있고 개개인 맞춤형 의료 기기 의료 기구를 손쉽게 제작할 수 있기 때문에 가장 활용도가 높은 분야이다.
• 주얼리 디자인 RP 활용사례
수작업이 거의 불가능한 복잡한 형상도 RP라면 어렵지 않게 가능하기에 정교함을 요구하는 주얼리 분야는 매우 실질적인 활용 분야이다.
특히 재료 자체가 완전 연소되기에 직접 주조가 가능하고, 이것은 바로 제품 생산이 가능하다는 것으로 생산시스템의 역할을 하게 된다.
• 자동차, 제품디자인 RP활용
자동차처럼 유선형의 대칭형상을 주로 제작할 때 신속 조형기술은 매우 정확하고 정밀하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
특히 기존 클레이 모형 제작보다 작업시간이 매우 빨라 생산적인 작업이 가능하다.
• 애니메이션 캐릭터 분야 RP활용 사례
하나의 피규어를 수작업으로 제작하기 위해서는 숙련자의 조각 솜씨와 감각이 절대적이지만, 3차원 모델링 된 캐릭터는 RP 장비를 이용하여 출력하면 매우 빠르고 정확하게 출력이 가능하다.
• 건축분야 RP 활용 사례
주로 스케일 모델을 제작하는 건축 모형은 섬세한 부분이 많고, 반복적인 패널의 형상이나 구조들이 수작업으로 하기에는 비효율적이지만 RP는 이러한 우려를 해결해준다.
현재 BIM과 연계하여 다양한 시뮬레이션과 비선형건축 형상 제작에 최적의 효과를 누릴 수 있다.
3D 프린팅 산업의 파급효과
3D 프린터는 어떤 모형이든지 그 외형을 복사해 만들어낼 수 있기 때문에 기존의 캐릭터 산업에 영향을 미칠 것으로 전망된다.
Games Workshop은 인기 게임 Warhammer 40,000의 캐릭터들을 피겨로 제작해 판매하고 있는데, 일부 유저들이 이러한 피겨 제품들을 3D 스캔해 모델링 데이터를 공유하고 수정해 사용하는 사례가 등장하고 있다.(한국콘텐츠진흥원, CT 인사이트 2013 4월호)
제조업 분야, 특히 자동차 업계에서도 3D 프린터를 활용하는 사례가 증가하고 있다.
고급 스포츠카 제조업체인 Lamborghini는 스포츠카 Aventador 시제품 제작에 3D 프린터를 사용해 기존에 4달 동안 40,000 달러의 비용이 소요되던 과정을 20일 동안 3,0000 달러 수준으로 줄일 수 있었다.(베타뉴스, 2013. 4. 14)
3D 프린팅 기술로 인해 기업 교육현장에서 아이디어 공유 및 보다 많은 창조적 아이디어 계발이 이루어지게 되었다.
기업의 경쟁력 개선과 아이디어 기반의 창업 확대, 프로젝트 비용 시간 절약은 물론, 다양한 산업분야에 새로운 일자리를 창출하게 될 것으로 기대를 모으고 있다.