최초의 3D 프린팅은 찰스 헐이 1984년에 발명한 SLA(Stereolithography) 방식으로, 1986년 3D시스템즈(3DSystems)에서 처음 선보였습니다.
SLA 방식은 3D 프린팅의 한 방식으로, 액체 상태의 폴리머 합성수지를 뿌려 얇은 막을 생성하면서 입체적인 물체를 만듭니다. 얇은 막이 한 층씩 만들어질 때마다 물체를 조금씩 내리면서 쌓아가는 방식입니다. 이 방식은 원형에 가까운 형상을 만들 수 있다는 장점은 있지만, 시간이 지나면서 마모되고 내구성이 낮다는 단점을 갖고 있습니다.
이를 적층형 방식이라고 합니다. 3D 프린팅에는 또하나의 적층형 방식이 있는데, 바로 FDM(Fused deposition modeling) 방식입니다. FDM 방식은 가열된 노즐을 통해 조형 재료, 즉 필라멘트를 녹여 층층히 쌓아올리는 방식입니다. 최근 저렴하게 출시되는 3D 프린터들은 대부분 이 방식을 사용하는데, 내구성이나 강도면에서는 SLA 방식보다 낫지만 결정적으로 표면이 거칠다는 단점을 갖고 있습니다.
적층형 방식과 달리 절삭형(Extrusion deposition) 방식도 있지만, 현재 주목받는 방식은 적층형입니다.
사실 3D 프린팅은 소비자 기술이 아니며, 산업용 기술입니다. 중요한 것은 3D 프린터를 통해 물체를 만들어내는 비용이 소비자 수준으로 떨어지고 있으며, 이는 개인과 기업들이 더욱 광범위하게 사용할 수 있게 되었다는 것을 의미합니다.
가트너는 매년 향후 3년간 기업에 주요한 영향을 미칠 가능성이 있는 기술들, 즉 10대 전략 기술 동향을 발표하는데요, 3D 프린팅 기술은 2년 연속 채택됐습니다.
가트너는 2015년 전세계 3D 프린터의 출하량이 98% 성장하고 2016년에는 두 배가 될 전망이라고 밝혔습니다. 상대적으로 저렴한 가격대의 3D 프린팅 기기 시장이 급속 성장하고 산업용 도입이 확연히 늘면서 3D 프린팅 시장은 향후 3년 내 티핑 포인트(tipping point)에 이를 것이라고 예상했습니다.
이 3D 프린터는 디자인이 개선되고 능률적인 프로토타이핑, 짧은 제조 공정이 가능해지면서 산업, 생물의학, 소비자 제품 분야에서의 활용이 두드러질 것이며, 이를 통해 3D 프린팅의 효용성과 비용 효율성이 증명될 것이라는 게 가트너의 예상입니다.
가트너는 3D 프린팅 기술에 대해 오랫동안 주시해왔습니다. 10여년 전부터 가트너는 미래 기술에 대해 하이퍼 사이클 곡선으로 표현해 왔는데요, 2007년부터 3D 프린팅은 초기 태동기를 벗어나 정점으로 오를 것이라고 판단했습니다. 하지만 3D 프린팅은 2008, 2009, 2010, 그리고 2011년까지도 하이퍼 곡선의 태동기에서 조금도 움직이지 않았습니다.
2012년이 되자 갑작스레 3D 프린팅은 정점에 다다랐으며, 2013년에는 산업용 3D 프린팅과 소비자용 3D 프린팅을 나누었으며, 2014년 산업용 3D 프린팅은 이제 완곡점을 벗어나 고성장의 기술로 다가가고 있습니다.
출처. 가트너 2014
최근 3D 프린팅이 급속도로 확산되는 것은 스트라타시스(Stratasys)가 보유한 FDM 방식의 핵심 특허가 2009년에 만료됐기 때문입니다. 특허 만료 이전만 해도 3D 프린터의 가격은 수천만 원에 이르렀으나 현재 200~300만 원대, 최근에는 100만 원 이하로 떨어져 일반인들에게도 허용되는 가격대를 이루게 된 것입니다.
3D 프린팅 기술은 기업용과 소비자용이 서로 전혀 다른 두 시장에서 출발했기 때문에 3D 프린터 자체와 사용 방법에 있어서도 상당한 차이를 보일 수 있습니다.
소비자 3D 프린팅은 아직까지는 주로 취미가들을 위한 것으로, 피규어와 소형 장난감 제작에 주로 사용되고 있습니다. 아이들과 함께 즐기던 플라스틱 지아이조(GI Joe) 게임을 자신이나 아이의 모습으로 만들 수 있습니다. 사람을 입체 스캔한 후, 이 스캔을 기반을 피규어로 제작해 주는 서비스도 있습니다.
3D 프린팅은 제 3의 산업혁명으로 불릴만큼 엄청난 주목을 받아왔습니다. 기존 대량 생산 방식에서는 거푸집에 재료를 부어 냉각한 후 거친 표면을 연마하지만, 3D 프린팅에서는 적층 작업을 통해 동일한 물체를 생산해낼 수 있기 때문입니다.
그래서 3D 프린팅이 제조업을 혁신적으로 변화시킬 것이라고 예상하고 있습니다. 3D 프린팅은 3D 도면만 있으면 언제 어디서든 누구나 쉽게 별다른 공정이나 장비없이 제품을 만들어낸다는 것이 장점입니다.
하지만 3D 프린팅은 현재 2가지 한계점에 봉착해 있습니다. 하나는 결과물의 인장 강도가 약하다는 것과 온도에 민감하다는 점입니다. 피규어나 다른 형태의 작품은 상관없지만 부하 또는 압력을 견딜 수 없을 뿐 아니라 높은 온도 또는 극저온의 환경에서 형태를 유지하지 못합니다.
또한 나무로 만든 합판이나 종이 타월이 목재가 갖고 있는 본연의 강도를 갖지 못하듯이 3D 프린터에 사용하는 재료 또한 물체가 제공해야 할 강도를 제공하지 못하는 겁니다.
이 문제는 산업용 3D 프린팅에도 영향을 미칩니다. 물론 산업용 3D 프린팅 기술에는 절삭형 방식도 있지만, 본질적으로 3D 프린팅은 재료를 추가해 객체를 만들어 내는 적층형 방식이기 때문입니다.
산업용 3D 프린팅의 뿌리가 되는 2가지 기술 가운데 하나인 포토리소그래피(Photolithography)는 컴퓨터 칩을 제조하는 데 주로 사용되는 공정입니다. 이 공정은 적층된 실리콘 덩어리에 원하는 회로를 새겨 넣습니다.
또 다른 방식은 NC(Numeric Control) 라우팅으로써 자동화된 선반과 기타 가공 기계를 이르는 용어입니다. NC 라우터는 알루미늄 블록을 깎아 맥북 에어의 섀시를 만들거나 주방용 화강암 작업대를 만들거나 나무를 깎아 책상을 만듭니다.
어떤 사람들은 3D 프린팅이 필요에 따라 맞춤형 또는 생산 중단 부품의 인쇄를 가능하게 할 것이며, 석유 굴착 장치, 우주 정거장, 시골 등지에서 크게 환영받을 것으로 보고 있습니다. 하지만 인장 강도가 부족하다는 것은 실제로 생산에 사용할 수 있는 부품이 꽤 제한된다는 의미이기도 합니다.
또한 온도가 어느 정도 일정하게 유지되고 기어에 다른 힘이 가해지지 않는 한 플라스틱 기어를 인쇄할 수도 있을 것입니다. 하지만 엔진 등에 사용되어 강력한 힘 또는 고온을 견뎌야 하는 기어 또는 고정장치는 꿈도 꾸지 못할 것입니다. 임시용도 외에는 트랙터, 자동차, 용광로 등에 사용할 새로운 부품을 제작하기는 어렵습니다.
이런 한계를 극복하고자 하는 노력은 이미 많은 연구가 이뤄지고 있으며 금속, 세라믹 조성물, 생물학 물질 등을 포함해 플라스틱 외에 다양한 재료를 사용하는 초기 제품들도 다수 존재합니다. 심지어 시장에 출시된 어떤 3D 프린터는 다양한 재료를 이용해 물체를 인쇄할 수 있습니다.
다만 이는 산업용 3D 프린팅에 한해서입니다. 소비자 3D 프린팅을 보면 좀더 많은 한계가 있습니다. 우선 고양이, 기어, 특수 레고(Lego) 조각 등 무언가를 복제하려는 것이라면 물체의 3D 도면을 획득할 수 있는 방법이 필요합니다. 이를 스스로 그릴 수 있는 사람은 거의 없습니다.
이때, 3D 스캐너가 유용합니다. 엄청나게 많은 휴대용 3D 스캐너가 판매되고 있으며 아이패드 등에 연결해 사용하는 제품도 있지만 실제적으로 원하는 결과를 얻기에는 아직 부족한 부분이 많습니다.
스캐너는 기본적으로 이미지를 이어 붙여 객체의 표면 지도를 만드는 카메라이기 때문에 아주 작은 피규어들이 문제가 될 수 있습니다. 또한 스캐너는 표면만을 볼 수 있기 때문에 3D 프린터를 통해 얻을 수 있는 결과물은 그리 다양하지 못합니다.
무엇보다 이런 스캔으로 다양한 재료로 구성된 객체를 생성하는 것은 불가능하기 때문에 3D CAD 도면으로부터 더욱 기능적인 객체를 생성해 다양한 재료를 사용하는 3D 프린터로 전송해야 합니다.
이처럼 산업용 3D 프린팅은 이미 많은 기업에서 사용하고 있습니다. 앞으로 의학 분야에서는 엄청난 파급효과가 있을 것으로 보이며, 3D 바이오프린팅이라는 새로운 시장을 만들기도 했습니다.
하지만, 소비자 3D 프린팅 기술이 일반 가정이나 사람들에게 녹아들기에는 아직 제약이 많습니다. 물론 지금까지 나온 소비자 3D 프린터만으로도 많은 물체를 만들어낼 수 있습니다. 하지만 우리가 3D 프린팅을 통해 모든 물체들을 만들어낼 수 있는 날은 아직은 좀처럼 다가오지 않은 먼 미래인가 봅니다. editor@itworld.co.kr
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