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3D 프린터, 생각하는 모든 것을 인쇄한다! 목록

조회 : 6683 | 2014-03-25

영화나 TV에서는 이미 3D가 보편화 되었습니다. 그런데 이제 프린팅에도 3D시대가 왔다는 기사가 줄줄이 쏟아지고 있습니다.

초컬릿과 색색의 사탕을 인쇄하는 3D 프린터 소식, 3D 프린터 덕에 한 아이의 심장수술을 무사히 마쳤다는 소식도 들려왔습니다. 인공치아, 인공뼈, 인공관절은 물론 어려운 장기이식수술의 성공률을 높이는 데에도 3D 프린터가 큰 기여를 하고 있는 셈입니다. 3D 프린터는 수술전후의 모습을 예측할 수 있어 어느 부분을 치료해야 하고, 어떻게 치료할 지 미리 예측하는데 큰 도움이 되고 있거든요. 3D 프린터로 찍어낸 구두가 패션쇼에 오르는가 하면 항공 엔진과 우주선 제작 등에 3D 프린터의 이용 범위는 무궁무진하답니다.

 

3D프린터 카약

3D 프린터로 만들어 낸 세계 최초의 카약. / 이미지 출처 : grassrootsengineering.com

 

지난 18일 3D 프린터를 연구하는 짐 스미스는 집에서 3D 프린터로 인쇄한 카약을 물에 띄우는데 성공 한 후 자신의 블로그에 관련 사진과 동영상 등을 공개했습니다. 3D 프린터로 만든 세계 최초의 카약이었어요. 비용은 약 53만원(500달러) 정도가 들었지만 1천 시간(약 42일)을 들여 3D 프린터로 프린팅을 해야 하는 시간과 설계 능력이 필요했다고 하네요. 이 카약은 자신의 키와 몸무게를 감안한 설계까지 필요했다고 해요. 이 카약은 28장의 ABS 경화수지로 만든 3D 프린팅 결과물을 금속볼트로 조이고 틈새를 실리콘으로 메웠답니다. 그리고 이 배를 실제로 물에 띄워 카약을 타는 모습까지 시연한 동영상을 공개해 화제가 됐습니다.

 

[짐 스미스의 카약 3D 프린팅 및 시승 동영상]

 

3D 프린터에 대한 여러 가지 기사들이 쏟아지고 있는 걸 보니, 산업이나 의료 현장에서 뿐만 아니라 가정에서 필요한 물건들을 찍어낼 날도 그리 멀지만은 않아 보입니다. 실제로 이번 달부터 개인용 3D 프린터가 우리나라 내에서도 실제로 판매를 시작했거든요.

그래서 이번 주 따끈따끈 과학에서는 도대체 3D 프린터가 무엇이고, 어떤 원리를 이용하는 것인지 살펴볼까 합니다.

 

 

* 알아보기

- 3D 프린터란?

- 3D 프린터의 작동 과정

- 3D 프린터의 프린팅 원리는?

- 3D 프린터가 가져온 ‘생산 혁명’, 실제 효과는?

- 3D 프린터가 해결해야 할 과제는?

 

* 생각 키우기

- 3D 프린터가 보급되었을 때 저작권 문제에 대해 생각해 봅시다.

 

 

- 3D 프린터란?

우리가 집에서 컴퓨터에 연결해 사용하는 2D 프린터가 활자나 그림을 인쇄하듯이 입력한 도면을 바탕으로 얇은 막을 층층이 쌓아 올리거나 큰 덩어리의 재료를 둥근 날 칼을 이용해 깎아내는 형식으로 3차원의 입체 물품을 만들어내는 기계를 3D 프린터라고 합니다. 주로 플라스틱 소재를 원료로 사용하는데 잉크젯 프린터와 동일한 메커니즘으로 원료를 분사해 결과물을 만들어 낸답니다.

제3의 산업혁명이라고도 불리는 3D 프린터가 최근 제품이 아닌 이미 30년 전인 1984년부터 이용되던 것이라는 걸 알고 있는 사람들은 많지 않을 거예요. 3D 프린터는 원래 시제품을 제작하기 위한 목적으로 사용되어 왔습니다. 그런데 왜 최근에서야 3D 프린터가 더 각광을 받느냐면, 30년 전에 이미 개발되었던 3D 프린터와 관련된 특허가 최근에 만료되었기 때문이랍니다. 특허가 만료되면 그 기술을 누구나 자유롭게 이용해 더 나은 제품을 만들 수 있게 되니까요.

오바마 미국 대통령은 “3D 프린터는 지금까지 만들어 온 모든 것을 혁명적으로 변화시킬 잠재성을 갖고 있다”고 말했답니다. 컨설팅업체 맥킨지는 2013 글로벌 보고서에서 ‘2025년에는 글로벌 3D 프린터 산업이 4조 달러의 시장을 형성할 것’이라고 예상했답니다. 그만큼 시장 규모가 점점 커질 것으로 본 것이지요.

산업이나 의료용으로는 물론 가정용으로도 3D 프린터의 행보가 흥미진진해 보입니다.

3D프린터

3D 프린터는 이미 여러 분야에서 시제품이나 일부 부품 생산은 물론 실제 판매 제품을 생산하는 데 이용되고 있답니다. 위에서부터 시계 방향으로, 3D 프린터로 찍어낸 사탕, 생활용품, 타이어와 휠, 신발들. 이 모든 제품들은 3D 프린터 업체 3D SYSTEMS의 프린터로 찍어낸 것들이랍니다. / 이미지 출처 : 3D SYSTEMS

 

 

 

- 3D 프린터의 작동 과정

3D 프린터는 한 개의 모듈로 프린팅 될 수도 있지만, 대부분은 여러 개의 모듈로 나눠 프린팅 된 후 조립하는 과정이 필요하답니다. 가장 먼저는 도면을 얻기 위한 모델링 과정이 필요합니다. 그리고 그 도면을 3D 프린터를 이용해 프린팅하고, 프린팅 된 모듈들을 조립하거나 연마 또는 용접 등의 마무리 과정이 필요하고요.

 

모델링(modeling) : 일반적으로 CAD 또는 3차원 모델링 소프트웨어 또는 3D 스캐너를 이용해 3차원 도면을 마련합니다.

프린팅(printing): 모델링 과정에서 만들어진 도면을 3D 프린터가 찍어내는 과정입니다. 3D 프린터가 모델링에서 마련된 3차원 도면을 읽어 들여 액체나 분말 등의 재료를 연속적으로 층층이 쌓아갑니다. 이 기술의 장점은 이러한 방법을 통해 거의 모든 모형을 만들 수 있다는 것이다. 인쇄 과정은 사용 방법과 모델의 크기, 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠 정도의 시간이 소요될 수도 있습니다.

마무리(finishing) : 이 마무리 과정은 어떤 공정과 원료로 만들었는지, 얼마나 복잡한 결과물인지, 얼마나 정교하게 보여야 하는가에 따라 다르지만 일반적으로는 사포로 연마하고, 용접이나 볼트 등으로 조립을 하는 등의 마무리 과정이 필요하답니다. 도색이 필요한 경우도 있고요.

 

 

 

- 3D 프린터의 프린팅 원리는?

3D 프린터에서 결과물을 얻는 방식을 세분화해 보면 여러 가지가 있지만 크게 보면 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 가루나 액체를 한 층씩 쌓는 첨가형커다란 재료를 둥근 날로 깎아가며 모양을 만드는 절삭형입니다.

 

첨가형 : 가루나 액체를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 방식. 장점은 비교적 복잡한 모양도 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다는 점입니다. 완성품의 품질이 상대적으로 떨어질 수 있다는 단점도 있습니다.

절삭형: 커다란 합성수지를 둥근 날로 깎아가며 모양을 만드는 방식. 비교적 매끄럽게 인쇄할 수 있지만, 날이 들어가지 않아 만들기 어려운 모양도 있다는 단점이 있답니다.

 

 

 

- 3D 프린터가 가져온 ‘생산 혁명’, 실제 효과는?

3D프린터

3D 프린터는 장난감 수준의 프린팅부터 자동차나 비행기, 우주선 등의 산업용 프린팅까지 가능해요. 또 인공장기 등 의료 분야에서도 적용되고 있답니다. 왼쪽은 3D 프린터로 프린팅한 개구리. 오른쪽은 지난해 11월 파리에서 열린 3D 프린트 쇼에 출품된 자동차. / 이미지 출처 : 왼쪽-By Creative Tools-CC-BY-2.0, 오른쪽-By-3dilla-CC-BY-2.0(Flickr)

 

실제 산업 현장에서 3D 프린터가 가져온 효과는 엄청난데요, 먼저 자동차 기업들이 3D 프린터의 활용을 점차 늘리고 있는 실정이랍니다. 한국자동차산업연구소(KARI)에 따르면 포드와 페라리는 자량 자체 패널 부품을 생산하는데 3D 프린터를 도입해 30~40% 가량의 비용 절감 효과를 봤다고 해요.

이탈리아의 유명 자동차 업체 람보르기니는 3D 프린터를 이용하면서 스포츠카 시제품 제작에 걸리는 기간을 4달에서 20일로 줄였고, 소요되는 비용을 4만 달러에서 3000달러 수준까지 낮췄다고 합니다. 우리나라에서도 현대자동차가 2002년부터 부품 제조에 3D 프린터를 이용하고 있습니다. 모형제작 단계에서 이용되는데 액체 플라스틱 원료가 분사되면서 미세한 층을 형성해 시간당 5mm 안팎의 두께로 차곡차곡 쌓이면서 제품의 윤곽이 드러난다고 해요. 설계 에러를 잡기 위해 사전 검증작업을 3D 프린터를 이용하는 셈이지요. 적은 비용을 들여 빠른 시간에 설계 도면을 검증할 수 있으니 이보다 더 효율적일 수는 없다고 해요. 3D 프린터를 도입하고 나서 개발기간을 6개월 이상 단축했고, 소형 부품까지 디자인 변경이 자유로운 것도 업무효율을 높였다고 하고요.

독일의 BMW는 공장근로자들을 위한 개인별 맞춤형 공구를 3D 프린터로 만들어 제공하고 있다고 해요. 개인별로 맞춤형 공구가 제공되니 생산 효율이 향상되는 것은 말할 필요도 없고요.

이처럼 자동차 업체들이 차량 및 부품 개발과 제작에 3D 프린터 이용이 좀 더 확산되면 제조공정 단순화, 개별 주문생산 확대, 소규모 자동차 제조회사 등장 등의 파급효과가 일어날 것이라고 하네요.

자동차 업계에서 널리 적용되고 있지만, 그 외에도 수많은 분야 아니 거의 모든 분야에서 3D 프린터가 이용되고 있습니다.

항공 분야에서는 기체와 부품 생산에 이용되고 있습니다. 또 전자분야에서는 스마트폰 부품과 외장재를 3D 프린팅으로 생산하기 시작했고, 식품 분야에서는 과자와 사탕 등에서 3D 프린팅 생산이 시작되었는데, 허쉬와 오레오 등 유명 과자 브랜드들은 이미 3D 프린팅 생산을 공개하기도 했답니다.

의류 분야에서도 3D 프린터 이용이 활발해지기 시작했는데, 3D 프린터로 만들어진 구두가 패션쇼에 오르는가 하면 나이키와 뉴발란스 운동화에는 3D 프린팅 생산이 적용되기도 했다네요.

실제 산업 현장에서 3D 프린터의 이용은 이제 걸음마 단계인데요, 좀 더 널리 보급된다면 ‘생산 혁명’이란 말이 과언이 아닐 정도로 생산 현장에는 크나큰 변화가 일어날 것 같습니다.

 

 

 

- 3D 프린터가 해결해야 할 과제는?

3D 프린터가 가져온 혁명적인 사건만큼이나 해결해야 할 과제 또한 아직 많이 남아있습니다. 그 중가장 큰 문제점은 생산 속도랍니다. 앞서 짐 스미스란 사람이 카약 한 대를 만드는 데 42일 이라는 프린팅 시간이 필요했던 것처럼 3D 프린터로 필요한 물건을 프린팅하는 데 현재까지 개발된 3D 프린터들은 너무 많은 시간이 필요하답니다. 부피 60㎤짜리 조형물을 만드는 데 1시간이 걸린다니 현재 이용되는 기계로 찍어내는 사출 금형을 이용한 제조 속도 1분과는 비교가 안 될 정도 느린 셈이지요.

또 전 세계 산업용 3D 프린터 시장을 미국의 두 회사가 75% 가량 점유하고 있는데, 이 또한 우리 업체들로서는 부담스러운 문제랍니다. 국내에서도 3D 프린터 제조와 프린팅 서비스 같은 산업이 육성되어야만 국내 산업에 3D 프린터가 적극적으로 이용될 수 있을 것이라고 전문가들은 조언하고 있답니다.

또 앞으로는 집에서 아이폰 같은 스마트폰이 불법 제작될 수도 있을 것이라고 해요. 음악이나 영화 불법 다운로드를 쉽게 할 수 있는 것처럼 제품을 불법 복제할 수 있게 된다는 건데요, 저작권 문제에 대해 치명적인 허점이 있다고 해요. 그래서 작년 10월 미국의 인텔렉추얼 벤처스가 ‘물건의 제작권 통제’에 대한 특허를 냈는데, 합법적으로 3D 프린팅 할 수 있는 물품을 데이터베이스화 한 뒤 이 물건들에 한 해 3D 프린터가 동작하게 한다는 내용이지만 해킹 기술을 완벽하게 막지는 못할 것이라고 해요.

3D 프린터의 저작권 문제는 지금까지 영화나 음악 파일의 불법 다운로드와는 차원이 다른 전쟁 같은 공방을 벌이게 될 것이라고 합니다. 관련된 대책이 꼭 필요해 보이지요?

 

 

* 더 찾아보기

뉴스를 통해 3D 프린터에 대해 좀 더 살펴보세요. 동영상을 보면, 3D 프린터의 인쇄 과정이나 적용 분야 등에 대해 좀 더 자세히 알 수 있을 거예요.

 - 채널 IT : 3D 프린터, ‘각양각색’ 세상을 인쇄하다

 

- 채널 IT : 3D 프린터, ‘알록달록’ 파리를 채우다

 

 

 

* 생각 키우기

- 3D 프린터가 보급되어 각 가정에서 원하는 물건을 찍어 낼 수 있게 되었다고 가정해 봅시다. 한 업체 또는 개인이 많은 시간과 비용을 들여 개발한 제품을 불법인 걸 알면서도 몰래 3D 도면을 입수해 내 마음대로 찍어 내 사용한다면 어떻게 될까요?

(※현재의 음악이나 영화 저작권과도 같은 맥락에서 생각해 보면 좋을 것 같습니다.)

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