3D 프린팅이란 무엇인가?
3D 프린팅은 디지털 파일로부터 3차원 입체 물체를 만들어내는 제조 공정입니다. 이 기술은 '적층 제조(additive manufacturing)'라고도 불리는데, 재료를 깎아내는 것이 아니라 한 층씩 쌓아 올리는 방식이기 때문입니다.
3D 프린팅을 하려면 먼저 CAD 소프트웨어라 불리는 모델링 프로그램으로 3D 디지털 디자인을 만든 뒤, 3D 프린터로 재료를 층층이 쌓아 완성된 물체를 제작합니다. 기업, 연구자, 의료 전문가, 취미 활동가 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다.
이 글에서는 3D 프린팅의 탄생 배경, 작동 원리, 활용 분야, 그리고 이 기술의 미래까지 자세히 살펴봅니다.
영화 속 3D 프린팅: <블랙팬서>, <아이언맨>, <어벤져스>, <스타워즈> 같은 영화의 소품들도 3D 프린팅으로 제작되었습니다. 덕분에 세트 디자이너는 저렴한 비용으로 소품을 손쉽게 만들고 재현할 수 있습니다.
3D 프린팅의 역사와 미래
3D 프린팅 기술은 1980년대 초반에 등장했으며, 당시에는 '신속 조형(rapid prototyping, RP)' 기술로 알려져 있었습니다. 1980년 일본의 고다마 박사가 RP 기술에 대한 특허를 출원했지만, 절차가 완료되지는 못했습니다.
1984년에는 찰스 '척' 헐(Charles "Chuck" Hull)이 '입체 조형술(stereolithography)'이라 불리는 공정을 발명했습니다. 이 기술은 자외선을 이용해 재료를 굳히고, 3D 물체를 한 층씩 만들어가는 방식입니다. 1986년 헐은 자신의 입체 조형 장치, 즉 SLA 기계에 대한 특허를 받았습니다.
참고: 척 헐은 이후 세계 최대 3D 기술 기업 중 하나인 3D Systems Corporation을 설립했습니다.
같은 시기에 다른 3D 프린팅 공정과 기술들도 개발되기 시작했고, 1990년대와 2000년대 초반까지 지속적인 발전이 이루어졌습니다. 다만 이 시기의 3D 프린팅 기술은 주로 시제품 제작과 산업용 응용에 초점이 맞춰져 있었습니다.
2000년, 최초의 3D 프린팅 신장이 만들어지면서 3D 프린팅 기술은 대중 매체의 주목을 받기 시작했습니다. 다만 3D 프린팅 신장의 성공적인 이식은 2013년에야 이루어졌습니다. 2004년에는 RepRap 프로젝트가 3D 프린터로 또 다른 3D 프린터를 출력해냈고, 2008년에는 최초의 3D 프린팅 의수가 공개되며 더 큰 화제를 모았습니다.
이후에도 3D 프린팅의 발전은 빠르게 이어졌으며, 2018년에는 한 가족이 실제로 입주한 3D 프린팅 주택까지 등장했습니다.
오늘날 3D 프린팅은 더 이상 시제품 제작과 산업용 제조만을 위한 기술이 아닙니다. 취미 활동가부터 과학자까지 다양한 사람들이 제품 제조, 소비재, 의료 혁신, 교육 자료 등 여러 분야에서 3D 프린팅을 활용하고 있으며, 일반 소비자에게도 점점 더 유용한 기술로 자리 잡고 있습니다.
예를 들어 Remi의 CEO인 오스카 아델만(Oscar Adelman)에 따르면, 3D 프린팅은 치과 업계에서도 인기를 얻고 있습니다. 3D 프린팅의 정밀도는 놀라울 정도로 뛰어나며, 치과 제품을 전통적인 치과 가격보다 최대 80%까지 저렴하게 이용할 수 있도록 도와줍니다.
그는 "프린팅 기술이 더 빠르고, 저렴하고, 보편화될수록 치과와 같은 업계가 일상적인 시술에 이 기술을 더 많이 의존하게 될 것"이라고 말했습니다.
미래 전망: 시간이 지나면서 형태가 변하는 물체를 출력하는 '4D 프린팅'도 다가오고 있습니다.
3D 프린터의 작동 원리
3D 프린팅 기술에는 여러 종류가 있으며, 그중에는 '열융착 적층 방식(Fused Deposition Modeling, FDM)', 즉 '필라멘트 제조(Fused Filament Fabrication, FFF)'라고도 불리는 방식이 있습니다. FDM은 가장 보편적이고 인기 있는 방식으로, 저렴한 가격대의 3D 프린터 대부분이 이 방식을 채택하고 있습니다.
FDM 프린팅 방식은 실과 비슷한 플라스틱 필라멘트를 사용합니다. 필라멘트는 롤에서 공급되어 가열된 헤드로 이동하며, 헤드에서 플라스틱이 녹습니다. 녹은 플라스틱은 프린터 베드 위로 압출되고, 헤드가 베드 위를 2차원으로 이동하며 첫 번째 층을 쌓습니다.
첫 번째 층이 완성되면 헤드가 첫 층의 두께만큼 위로 올라가 그 위에 다음 층을 쌓습니다. 이렇게 물체는 한 층씩 쌓여 완성되는데, 마치 빵을 한 조각씩 쌓아 통째로 만드는 것과 비슷합니다.
대표적인 FDM 3D 프린터로는 MakerBot과 Ultimaker가 있습니다.
3D 프린터 사용 예시
FDM 프린터로 3D 프린팅을 진행하는 간단한 과정을 살펴보겠습니다.
출력하고 싶은 3D 모델을 다운로드하거나 직접 디자인합니다.
팁: 다운로드 가능한 모델은 Thingiverse나 GrabCAD에서 찾을 수 있습니다. 직접 모델을 디자인하려면 SketchUp이나 Blender를, 엔지니어링 부품이라면 SolidWorks 같은 CAD 소프트웨어를 활용해 보세요.
모델이 아직 3D 프린팅 형식이 아니라면 STL 파일 같은 형식으로 변환합니다.
모델을 MakerWare, Cura, Simplify 3D 같은 슬라이싱 소프트웨어로 불러옵니다.
팁: MakerWare는 MakerBot 3D 프린터와 호환됩니다. Cura와 Simplify 3D는 대부분의 3D 프린터에서 작동하는 G-code를 생성합니다.
슬라이싱 소프트웨어에서 빌드를 설정합니다. 3D 프린터에서 모델을 어떤 방향으로 배치할지 결정합니다. FDM의 경우 45도보다 가파른 돌출부는 지지대가 필요하므로 최소화하는 것이 좋습니다.
팁: 방향을 정할 때는 모델이 어떤 방식으로 하중을 받을지 고려해 층이 쉽게 분리되지 않도록 해야 합니다.
팁: 시간과 재료를 절약하기 위해 모델은 일반적으로 속이 빈 형태로 출력됩니다. 인필(infill) 비율(보통 10~35%), 외곽 레이어 수(보통 1~2개), 바닥과 윗면 레이어 수(보통 2~4개)를 지정하세요. 3D 프린팅용 모델을 준비할 때는 이 외에도 고려할 사항이 여럿 있습니다.
프로그램을 내보냅니다. 보통 G-code 파일 형태입니다. 슬라이싱 소프트웨어는 모델과 지정한 빌드 설정을 일련의 명령어로 변환하며, 3D 프린터는 이를 따라 부품을 제작합니다.
SD 카드, USB 또는 Wi-Fi를 통해 프로그램을 3D 프린터로 전송합니다.
3D 프린터로 모델을 출력합니다.
3D 프린터가 모델 제작을 마치면 모델을 꺼내고 필요하다면 후처리를 합니다. 지지대를 떼어내고 남은 돌기는 고운 사포로 문질러 제거합니다.
다른 종류의 3D 프린팅 기술
FDM 프린터 외에도 3D 프린팅 방식에는 입체 조형술(SLA), 광경화 방식(DLP), 선택적 레이저 소결(SLS), 선택적 레이저 용융(SLM), 적층 물체 제조(LOM), 전자빔 용융(EBM) 등이 있습니다.
SLA는 가장 오래된 3D 프린팅 기술로, 오늘날에도 사용되고 있습니다. DLP는 빛과 폴리머를 활용하며, SLS는 레이저를 동력원으로 사용해 강도 높은 3D 프린팅 물체를 만들어냅니다. SLM, LOM, EBM은 대부분 사용 빈도가 줄어든 상태입니다.
3D 프린팅의 미래
3D 프린팅이 우리의 정확한 사양에 맞춘 맞춤형 제품을 즉석에서 만들어주는 시대를 열어줄까요? 아직 확실하지는 않지만, 3D 프린팅 기술은 빠르게 성장하고 있으며 여러 분야에서 활용되고 있습니다.
주택, 신장이나 팔다리 같은 신체 기관의 3D 프린팅 등 다양한 발전은 전 세계 수많은 사람들의 삶을 개선할 잠재력을 지니고 있습니다.