미래 10대 기술 중 하나 3D프린터! 3D프린터의 원리는 무엇일까?

인류 문명이 시작되면서부터 인간은 스스로 생활에 필요한 도구를 만들며 살아왔습니다. 농사에 쓰기 위한 석기는 물론이고, 식량을 저장할 수 있는 빗살무늬 토기까지 다양한데요. 이 중에는 마치 현대의 피규어처럼 생활에 꼭 필요하지는 않지만 점토로 만들어진 풍요와 다산을 상징하는 여인상이나 동물 장식품 등도 찾아볼 수 있습니다. 이처럼 인간은 단순히 필요한 도구뿐만 아니라 유희로서 무엇인가를 만들고 싶어 하는 본능이 있습니다. 발전된 현대기술은 이런 인간의 본능을 보다 편리하게 도와주고 있는데요. 요즘 뜨고 있는 3D프린터도 바로 그러한 도구 중의 하나죠. 종이 위에 원하는 사진과 글자를 무엇이든 찍어서 인쇄물을 만드는 일반 프린터와 달리, 3D프린터는 일정한 재료로 원하는 3차원 물체를 만들어 주는데요. 자, 그럼 무엇이든 만들어주는 3D프린터에 대해 좀 더 자세히 알아볼까요?

3D프린터의 원리는? - 미세한 층을 겹겹이 쌓아 올리는 적층식

최근에 주목받고 있는 3D프린터는 생각보다 오래전에 개발된 것인데요. 30년 전인 1980년대 초반에 미국 3D시스템즈가 플라스틱 액체를 뿜어내고 굳혀서 물건을 만드는 프린터를 개발했습니다. 현재 방식과 원리상 차이가 거의 없는 방식이죠. 하지만 2차원 프린터에 비해 인쇄속도는 다소 느린 편입니다. 1시간당 높이 2.8cm 정도를 쌓아 올리는데, 한 층에 해당하는 레이어의 두께는 약 0.01~0.08mm로 종이 한 장보다도 얇습니다. 특히, 미세한 층을 쌓아 올렸기에 우리 눈에 매끈한 곡선처럼 표현된 부분도 현미경으로 자세히 보면 계단처럼 들쭉날쭉하게 만들어져 있음을 알 수 있습니다.

3D프린터의 원리는 간단합니다. 일반적으로 많이 쓰이는 것은 '적층가공'으로 액체나 미세한 분말로 된 원재료를 노즐로 뿜어내는 방식인데요. 만들고자 하는 물건을 컴퓨터로 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘라내 분석합니다. 컴퓨터는 그 데이터를 바탕으로 얇은 막 형태로 한 층씩 데이터를 보내주고, 한 층씩 받은 데이터를 노즐을 통해 분사하는 형식입니다. 한 층이 끝나면 노즐이 살짝 위로 상승하고 다시 다음 층에 해당하는 데이터를 받아 분사하죠. 이런 식으로 마치 탑을 쌓듯 물건의 바닥부터 꼭대기까지 쌓아 올려 완성하게 되는데요. 이를 ‘쾌속조형방식’이라고 합니다.

또, 커다란 덩어리로 된 재료를 준비해놓고 이것을 외부부터 둥근 날로 깎아서 물건을 인쇄하는 ‘컴퓨터 수치제어 조각방식’도 있는데요. 쾌속조형방식에 비해서 곡선 부분을 보다 매끄럽게 만들 수 있지만, 재료 낭비가 심하고 컵처럼 안쪽으로 크게 들어간 모양을 만들기 어려우며, 단색 인쇄만 가능해 일부에서만 쓰이는 방식입니다.

3D프린터의 재료는? – 녹였다가 굳히기 쉬운 나일론이나 석회가루

노즐로 뿜어내는 재료는 미세한 가루, 액체, 녹인 실입니다. 녹였다가 굳히기 쉬운 나일론이나 석회가루를 용기에 가득 채우고 노즐을 통해 뿌린 다음, 그 위로 프린터 헤드가 움직이면서 접착제를 뿌리는 것이죠. 접착제로 인해 가루가 엉켜서 굳으면 한 층이 완성되고, 레이어가 가루 속에 묻히면서 표면이 가루로 얇게 덮여 다시 그 위로 접착제를 뿌려 두 번째 층을 만듭니다. 미리 입력된 설계도에 이 동작을 계속 반복하면 레이어 수만 층이 쌓여서 물건이 만들어지게 되는 것이죠. 인쇄가 끝나면 프린터가 가루에 묻혀 있는 완성품을 꺼내 경화제에 담갔다가 5~10분가량 말리면 최종 결과물이 나옵니다.

이미지 출처 : 위키피디아 

특히, 재료를 정교하게 이용하면 컬러프린팅까지 구현해 낼 수 있습니다. 순차적인 무늬처럼 아래에서 위로 쌓아 올리는 동안 여러 가지 색 재료를 뿜어주면 무지개색 물체도 만들 수 있는데요. 실제로는 부위마다 원하는 색상이 달라 보다 정교하게 색깔 재료를 분할해서 뿜어주게 됩니다. 재료에 따라서 액체나 녹인 실 등의 세부적인 구현방식은 다르지만 원리는 비슷합니다.

3D프린터의 매력은? - 원하는 시제품을 부담 없이 제작할 수 있어

2012년 세계경제포럼(WEF)에서 발표한 미래 10대 기술에서 3D프린터가 두 번째 기술로 뽑혔으며, 미래학자로 유명한 제러미 리프킨은 3D프린터가 3차 산업혁명의 주인공이 될 것이라고 언급했습니다.

이처럼 3D프린터가 각광받는 이유는 시제품에 대한 높은 생산성 때문인데요. 값싼 재료를 이용해서 원하는 제품을 필요한 작은 수량만 즉석에서 빠르게 생산할 수 있으며, 복잡한 모양도 한 번에 인쇄할 수 있어 경제성도 매우 높습니다. 대량생산을 위해 구상한 상품을 내놓기 전에 값싼 재료로 똑같은 제품을 만들어 문제점을 수정할 수 있기 때문이죠. 기계부품은 예상한 대로 작동하는지 알 수 있고, 작은 모형 항공기는 제대로 날아다니는지 파악할 수 있습니다. 또, 소량의 완제품을 만들 경우에도 매우 효과적인데요. 전통적인 제품 생산라인에서는 제품을 찍어내기 위한 재료준비와 기계설비 가동을 위해 최소 수량이 요구되는 경우가 많습니다. 1개를 찍어내나 1,000개를 찍어내나 생산비가 거의 비슷하기 때문인데요. 하지만 3D프린터를 이용하면 원하는 숫자만 인쇄할 수 있으며, 재료비도 수량에 비례합니다.

이미지 출처 : 위키피디아 

이와 함께 기술발전으로 사용할 수 있는 재료도 많이 늘어났습니다. 초기에는 가공이 쉬운 플라스틱으로 시작했지만, 현재는 고무, 금속, 세라믹을 포함한 150여 개 소재를 사용할 수 있습니다. 인쇄속도도 빨라져서 한 시간에서 하루 안에 실물을 만들 수 있으며, 프린팅 정밀도 향상으로 신발, 시계, 자동차 부품 등 크고 정교한 물건도 얼마든지 만들어 낼 수 있게 되었습니다.

3D프린터의 한계는? - 건축물, 의료, 완제품까지 다양해

초기 3D프린터는 재료는 물론이고 작은 부품만 생산할 수 있는 등 크기 제한이 많았습니다. 따라서 일부 업계에서만 이용할 수 있었는데, 지금은 기술발전으로 많은 부분이 해소되고 더욱 저렴해진 비용으로 기계부품이나 건축 등 적용 범위를 넓혀가고 있습니다.

이미지 출처 : 위키피디아 

초대형 3D프린터를 이용한 건물 건축

두바이에는 건물 전체를 비롯하여 이를 채울 가구까지 모두 3D프린터로 제작한 사무실이 들어설 예정인데요. 면적 185㎡에 달하는 이 단층 건물은 철근 콘크리트와 유리섬유로 보강한 석고, 플라스틱 등의 재료를 이용하여 전체 높이가 약 6미터에 이르는 초대형 3D프린터의 적층가공방식으로 만들어집니다. 이 밖에도 공중에서 출력하는 3D프린터를 이용해서 실제 다리를 만들겠다는 스타트업도 생겨나고 있습니다. 

실제 비행에 성공한 ‘인쇄 비행기’

영국 사우스햄튼 대학에서는 비행기 하나를 통째로 인쇄하기도 했는데요. 알루미늄 조각을 이어 붙인 기존 비행기와는 달리 3D프린터로 나일론 가루를 쌓아서 인쇄한 뒤 레이저로 살짝 수정하여 완성되었습니다. 이렇게 만들어진 비행기는 배터리와 엔진을 달고 최고 시속 160km의 실제 비행에도 성공했습니다. 

인체 보형물 및 생체장기 제작 등의 의료기술

인체를 3차원으로 찍은 뒤 환자에게 꼭 맞는 보형물을 만들어 이식하는 연구가 진행 중입니다. 인공치아나 인공관절 같은 보형물을 타이타늄 파우더를 이용해 레이저로 녹였다가 상온에서 굳히는 방식으로 만드는 것이죠. 특히, 줄기세포를 3D프린터로 쌓아 올려 생체장기를 만드는 연구도 시작되었는데요. 미국 생물 물리학자 가보 포르가츠 박사는 수백 마이크로미터 크기의 세포를 겹겹이 쌓아 압축하면 심장이나 간을 만들 수 있다고 발표하기도 했습니다. 국내에서도 3차원 구조물에 줄기세포와 세포영양분을 쌓아 장기를 만드는 연구가 진행되고 있습니다. 

플라스틱 권총 제작도 성공

총기제작 기술 개발사 디펜스디스트리뷰티드 그룹은 3D프린터로 생산한 ‘리버레이터’ 설계도면을 인터넷에 공개했는데요. 탄환을 제외한 모든 부분을 플라스틱으로 만든 이 권총은 실제 시연 결과 문제없이 위력적으로 작동하여 전 세계의 우려를 불러일으키기도 했습니다.

국내 자동차 부품 제작에도 활용

3D프린터는 국내 대기업들도 적극적으로 사용하고 있는데요. 최근 기아차는 2016 북미국제오토쇼에 모하비 후속으로 출품할 프리미엄 대형 SUV 콘셉트카 KCD-12의 실내 이미지를 공개하며 대시보드, 도어 패널, 스티어링 등에 최초로 3D프린터로 제작한 부품을 사용할 것이라고 언급했습니다. 

상상을 현실로 만들어내고 있는 3D프린터! 생활용품에서 산업 전반에 걸친 획기적이고 새로운 도구로 변신하고 있는 3D프린터는 미래시장을 주도하며 지속적인 기술발전을 이루어가고 있는데요. 상상하는 모든 것을 만들어낼 수 있는 3D프린터가 앞으로 우리 삶을 어떻게 변화시킬지 자못 궁금해집니다.