3D 프린터의 종류별 작동 원리와 미래 전망

4차 산업의 핵심분야에서 빠지지 않고 들어가는 것이 바로 3D 프린터입니다. 3D 프린터 개념이 나온 지는 꽤 시간이 흘렀지만 아직도 우리 일상생활 속에서는 기존의 제조업 기술이 그대로 쓰이고 있습니다.

아직까지도 걸음마 단계인 3D 프린터에 대해 어떤 원리로 3D 결과물을 만들어 내는지 알아보고 각각의 원리에 따라 나뉘어 지는 종류도 알아보겠습니다.

그리고 미래에는 3D 프린터가 어디까지 발전할지에 대해서도 알아보겠습니다.

 

목차

 

3D 프린터 기술의 역사

3D 프린팅 기술은 1980년대부터 발전을 시작해 왔습니다. 이 기술의 역사는 다음과 같습니다.

• 1981년: 일본의 나가노카 학교의 하이데오 코도마 교수가 최초의 3D 프린팅 기술을 발표했습니다. 그는 UV 레이저를 사용해 포토 폴리머를 경화시키는 방법을 개발했습니다.
• 1984년: 찰스 '척' 헐이 'Stereolithography'라는 용어와 함께 3D 프린팅에 대한 최초의 특허를 제출했습니다. 이 특허는 3D 모델을 층별로 분해하고, 각 층을 UV 레이저로 경화시키는 방법에 관한 것이었습니다.
• 1986년: 찰스 헐은 '3D Systems'라는 회사를 설립하고, 최초의 상업용 3D 프린터인 'SLA-1'을 출시했습니다.
• 1988년: 'Selective Laser Sintering (SLS)' 기술이 개발되었습니다. 이 기술은 레이저를 사용해 파우더를 녹여 층을 형성하는 방법을 사용합니다.
• 1992년: '3D Systems'은 최초의 Stereolithographic 3D 프린터를 출시했고, 'Stratasys'는 'Fused Deposition Modeling (FDM)' 기술을 개발했습니다.
• 2000년대: 3D 프린팅 기술은 점차 발전하며 다양한 재료로 프린팅이 가능해졌고, 의료, 제조, 교육 등 다양한 분야에서 활용되기 시작했습니다.
• 2005년: 'RepRap' 프로젝트가 시작되었습니다. 이 프로젝트는 3D 프린터가 자신의 부품을 프린팅 할 수 있게 만들어, 누구나 저렴한 비용으로 3D 프린터를 소유할 수 있게 하는 것을 목표로 했습니다.
• 2009년: 'MakerBot Industries'가 설립되었고, 개인용 3D 프린터 시장이 활성화되기 시작했습니다.
• 2010년대: 3D 프린팅 기술은 더욱 성숙해지며, 금속, 세라믹, 식품, 생체 재료 등 다양한 재료로 프린팅이 가능해졌습니다.
• 2020년대: 현재 3D 프린팅 기술은 제조업뿐만 아니라, 의료, 건설, 식품, 패션 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

이처럼 기술 발전의 역사는 40년이 지나가고 있습니다. 예전보다 더 많은 분야에서 3D 프린터 기술이 사용되고 있으나 아직까지 기존의 산업체계에서 보조적 역할을 할 뿐 전반적인 변화를 이끌어 내지는 못하고 있습니다.

 

3D 프린터 종류별 작동원리

3D 프린팅은 물질을 층층이 쌓아 올려서 입체적인 물체를 만드는 기술로, 대표적으로 FDM, SLA, SLS 세 가지 기술이 있습니다.

FDM (Fused Deposition Modeling)

FDM 방식은 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 기술입니다. 플라스틱 필라멘트를 녹여서 층층이 쌓아 올리는 방식으로, 이러한 방식을 통해 제품의 모양을 만들어 나갑니다. 특히, 이 방식은 저렴한 가격과 쉬운 사용법 때문에 개인이나 소규모 기업에서 많이 사용합니다.

필라민트 종류

ABS와 PLA는 3D 프린팅에서 가장 흔히 사용되는 두 가지 플라스틱 필라멘트 종류입니다. 두 필라멘트 모두 각각의 장점이 있지만, 그들의 주요한 차이점은 다음과 같습니다.
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
ABS는 강하고 내구성이 있으며, 고온에서도 잘 유지됩니다. 이러한 특성 때문에 자동차 부품, 건축 자재, 장난감 등에 널리 사용됩니다. ABS는 높은 온도(약 210-250도)에서 녹는 특성이 있으므로, ABS로 프린팅 할 때는 히팅베드를 사용해야 합니다. 또한 ABS는 용매에 잘 녹기 때문에 후처리가 용이하지만, 프린팅 시 특유의 냄새가 나고 환기가 필요합니다.

PLA (Polylactic Acid)

PLA는 식물성 재료(예: 옥수수)에서 추출한 생분해성 플라스틱으로, ABS에 비해 낮은 온도(약 180-220도)에서 녹습니다. 이러한 특성 때문에 3D 프린팅 초보자에게 추천되는 재료입니다. PLA는 비교적 쉽게 프린팅 할 수 있으며, 달콤한 냄새와 광택 있는 외관을 가지고 있습니다. 그러나 PLA는 ABS에 비해 내구성이 약하며, 고온에 약합니다.

 

FDM 방식

SLA (Stereolithography)

SLA 방식은 액체 수지를 사용하여 3D 모델을 만드는 방식입니다. UV 레이저를 사용하여 액체 수지를 굳혀서 층층이 쌓아 올리는 방식으로, 높은 해상도와 정밀도를 가지고 있습니다. 하지만, 장비의 가격이 비싸고, 후처리 과정이 필요하여 주로 전문가나 대규모 제조업체에서 사용합니다.

SLA 방식

SLS (Selective Laser Sintering)

SLS 방식은 파우더 베드라는 특수한 가루를 사용합니다. 레이저를 사용하여 가루를 녹여서 층층이 쌓아 올리는 방식으로, 복잡한 형태의 제품을 만들 수 있습니다. 또한, 이 방식은 후처리 과정이 거의 필요 없으나, 장비의 가격이 매우 비싸고, 사용하는 재료도 특수한 것이 필요하기 때문에 주로 대규모 제조 업체나 연구소에서 사용합니다.

 

SLS 방식

 

3D 프린팅을 위한 설계 및 과정

3D 프린팅을 위한 설계도, 즉 3D 모델링은 일반적으로 CAD(Computer Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 만듭니다. 이 과정은 다음과 같습니다.

 

 

• 아이디어 구상: 먼저, 3D로 만들고자 하는 객체의 아이디어를 구상합니다. 이 아이디어는 간단한 스케치부터 복잡한 기술 설계까지 다양합니다.
• CAD 소프트웨어 선택: 3D 모델링을 위해 적합한 CAD 소프트웨어를 선택해야 합니다. 초보자에게는 Tinkercad, SketchUp 같은 사용이 간편한 소프트웨어가 좋습니다. 반면, 전문적인 설계에는 SolidWorks, AutoCAD, Fusion 360 등이 사용됩니다.
• 3D 모델링: 선택한 CAD 소프트웨어를 사용하여 아이디어를 3D 모델로 변환합니다. 이 과정에서는 객체의 모든 면과 각도, 크기 등을 정확하게 설정해야 합니다.
• STL 파일 생성: 3D 모델링이 완료되면, 프린터가 읽을 수 있는 형식인 STL 또는 OBJ 파일로 변환합니다. 이 파일은 3D 모델을 수천 개의 작은 삼각형으로 분해하여 3D 프린터가 이해할 수 있게 만듭니다.
• 슬라이싱: STL 파일을 3D 프린터에 전송하기 전에, 슬라이서라는 특수 소프트웨어를 사용하여 3D 모델을 수백 또는 수천 개의 층으로 분해합니다. 이후 G-code라는, 3D 프린터가 이해할 수 있는 언어로 변환합니다.
• 3D 프린팅: 마지막으로, G-code 파일을 3D 프린터에 전송하고 프린팅을 시작합니다.

3D 프린터를 장만했다고 바로 원하는 모델을 만들어 볼 수 있는 것은 아닙니다. 위의 과정을 거치며 특히 3D로 설계를 할 수 있는 소프트웨어를 사용할 수 있는 능력도 함께 가지고 있어야 제대로 내가 원하는 모양의 제품을 만들어 볼 수 있습니다.

소프트웨어에 대해서는 다음 기회에 좀 더 자세히 알아보기로 하겠습니다.

 

3D 프린터의 미래 기술

3D 프린팅 기술은 이미 다양한 분야에서 두각을 나타내고 있지만, 이 기술의 미래는 더욱 흥미롭습니다. 다음은 3D 프린팅의 미래 기술에 대한 몇 가지 예상입니다. 사실 아래와 같은 기술개발이 되어야 진정한 4차 산업혁명의 한 분야를 당당히 담당할수 있다고 생각합니다.

• 더 빠른 프린팅 속도: 현재 3D 프린팅은 복잡한 객체를 만드는 데에는 시간이 꽤 걸립니다. 하지만 새로운 기술의 도입으로 인해 프린팅 속도가 크게 향상될 것으로 예상됩니다.
• 더 다양한 재료 사용: 현재로서는 플라스틱과 금속이 가장 일반적인 3D 프린팅 재료입니다. 하지만, 앞으로는 세라믹, 유리, 다양한 종류의 합금, 심지어는 생체 호환성 재료 등 더 다양한 종류의 재료가 사용될 것으로 예상됩니다.
• 4D 프린팅: 4D 프린팅은 3D 프린트된 객체가 시간이 지나면서 스스로 변형하는 기술을 말합니다. 이 기술은 특정 환경 변화에 따라 모양이나 기능이 바뀌는 제품을 만드는 데 사용될 수 있습니다.
• 생체 프린팅: 생명공학과 3D 프린팅의 결합으로, 실제 인간의 조직과 장기를 프린팅하는 기술이 이미 연구되고 있습니다. 이러한 기술의 발전은 의료 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.
• 대규모 3D 프린팅: 건물이나 다리 등 대규모 구조물을 3D 프린팅하는 기술 역시 발전하고 있습니다. 이 기술의 발전은 건설 분야에서 많은 영향을 미칠 것으로 보입니다.

이 밖에도 공상과학 영화에서는 모든 물건, 사람도 포함해서 양자역학과 결합한 3D 프린터로 순간이동까지 가능하다고 나옵니다. 먼저 몸을 양자화시켜 정보로 바꾼 뒤 그 정보를 그대로 다른 곳에서 3D 프린터로 만들어 내면 바로 그것이 순간이동 기술이라고 말합니다. 정말 꿈만 같은 이야기겠지만 미래는 정말 어떻게 바뀔지 아무도 모르잖아요?

 

마무리

정말로 엄청난 기술발전을 하면 단순한 부품 정도 만드는 현재의 3D 프린터 기술이 버튼만 누르면 내가 원하는 모습의 컴퓨터, 자동차 까지 모든 것을 만들어 내는 세상이 올까요? 

 

상상만 해도 너무 즐겁지 않은가요? 아무리 기술이 발전해도 수천, 수만가지 부품으로 이루어진 전자제품 또는 자동차를 어떻게 만들 수 있을까 하는 의구심도 당연히 들지요! 

 

그러나 저는 더 나아가 생체 프린팅 기술로 언젠가는 우리 몸의 장기를 나의 세포를 배양해 만들어낸 생체조직으로 프린팅하여 고장 난 장기를 갈아 끼우는 날이 올 거라 믿습니다. 

전기를 발명한 이후 우리 인류가 이렇게 발전하리라 생각한 사람은 아무도 없었습니다.

생각한대로 이루어지는 것이 우리 인류가 경험해 온 그리고 만들어 낸 위대한 업적이라 생각합니다.

보다 나은 내일은 반드시 옵니다. 감사합니다.

 

바세린의 효과와 놀라운 다양한 활용법을 알아보자 (feat. 발명)