3D 프린팅(3D Printing / 3DP) 은 무엇이며 어떻게 발전하고 있는가?

안녕하세요. '나도부자다'입니다.

저는 3D 프린팅(이하 3DP) 관련 소재를 개발하고 연구하는 업무를 했습니다. 아시는 분들도 있으시겠지만 처음 보시는 분들도 많을 거라 생각해서 3DP와 관련된 포스팅을 하고자 합니다. 그럼 지금부터 3DP에 대해서 알아보겠습니다.

3DP란 무엇일까요? 한마디로 말해서 적층 하여 제조하는 기술입니다. 즉, 개인이 생각하고 있는 3차원 형상을 모델링(CAD) 한 후 3D 프린터가 읽을 수 있도록 변환(슬라이싱)을 한 후 3D 프린터를 통해 적층 제조를 합니다. 이후 후가공을 통해 최종 목적물을 만들어 내는 과정을 3DP기술인 것입니다. 따라서 3DP를 위해서는 모델링 프로그램과 소프트웨어 그리고 3D 프린터가 필요한 것이죠.

3DP는 실제로 Rapid Prototyping(쾌속조형) 혹은 Additive Manufacturing(적층 제조)라는 표현을 사용해 왔었는데 2015년쯤 오바마 전 미국 대통령이 언급을 함으로써 전 세계적으로 좀 더 대중화된 단어로 선택된 것이 3DP입니다. 말 그대로 3차원 형상을 프린터 하듯이 제조해 나가는 것을 의미하는 것이죠.

사실 3DP는 상당히 오랜 역사를 가지고 있습니다. 3DP 기술은 30여 년 전인 1983년 시작됐습니다. 현재 뛰어난 기술력으로 3DP 시장을 선도하고 있는 3D Systems의 공동 창업자 찰스 헐(Charles W. Hull)이 개발한 기술입니다. 그는 3DP 기술을 양산 전 단계에서 시제품을 생산하기 위한 기술로 활용했었던 것입니다. 시제품 생산에 활용한 이유는 비용과 시간을 단축하기 위함이었던 거죠. 그가 처음 고안한 방식은 3DP 기술 중 하나인 SLA(Streolithography Apparatus) 방식의 기술이었습니다.

최근의 3DP 기술은 상당한 발전을 거듭하여 다양한 기술이 개발되어 세상에 공개되고 있습니다. 3DP 기술은 어떤 방식으로 분류를 할까요? 바로 ASTM에서는 7가지 기술로 분류를 하고 있습니다.

1. material extrusion(재료 압출형)
고온 가열한 재료를 노즐을 통해 압력으로 밀어내며 형상을 조형하는 기술
대표 기술 : FDM, FFF 등

2. Photo Polymerization(광중합형)
광경화성 수지에 빛을 조사하여 중합 반응을 일으키며 선택적으로 경화시켜 적층해 가는 기술
대표 기술 : SLA, DLP, CLIP, LCD 등

3. Powder bed fusion(분말 소결)
분말형태의 재료에 고에너지 빔(레이저나 전자빔 등)을 조사하여 단면 형상을 소결 시키는 기술
대표 기술 : SLS, SLM, DMLS, EBM 등

4. Material jetting(재료 분사)
고체형태의 소재를 노즐에서 압출하여 적층 조형하는 기술
대표 기술 : MJM, Polyjet, MJP 등

5. Binder jetting(결합제 분사)
가루 형태의 모재 위에 바인더(결합제)를 선택적으로 압출하여 재료를 결합시키는 기술
대표 기술 : CJP, 3DP, ink-jetting 등

6. Sheet lamination(시트 적층)
얇은 필름 형태의 재료를 열, 접착제 등으로 붙여가며 적층 시키는 기술
대표 기술 : LOM, SDL, VLM, UC 등

7. Direct Energy Depotion(지향성 에너지 퇴적)
고에너지원(레이저, 전자빔, 플라스마 아크 등)으로 원소재를 녹여 부착시키며 조형하는 기술
대표 기술 : DMT, LMD, LENS, SMT 등

이 중에서 가장 먼저 나온 기술은 SLA 기술입니다. 하지만 가장 대중화된 기술은 FDM 기술로 플라스틱의 재료를 녹여서 적층 제조하는 기술입니다. SLA 혹은 SLS 방식의 3D 프린터는 상당히 고가이기 때문인데 장비가  억 단위의 고가이며, 사용하는 재료 또한 고가로 개인이 사용하기에는 상당한 애로사항이 있습니다. 반면에 FDM 은 프린터 가격이 40만 원~수백만 원 사이에 있기 때문에 상당한 보급률을 보이고 있습니다. 또한 사용되는 소재 역시 파우더나 광경화 수지보다는 상당히 저렴한 수준이기 때문에 많은 사람들 및 교육기관에서 사용하고 있습니다.

좀 전에 이야기한 바와 같이 3DP는 시제품을 만들기 위해 개발된 기술입니다. 하지만 최근에는 이러한 시제품 영역을 넘어 대량생산까지 넘보고 있습니다. 그리고 3DP는 금형이나 중간단계의 검증 절차가 필요 없기 때문에 개인 맞춤형 혹은 다품종 소량 생산 체제에 가장 적합한 기술임에 틀림없습니다.

따라서 최근 산업현장에서의 움직임은 상당히 다양합니다. 첫째로 우주항공분야는 고가의 부품이 만들어져야 하고 이러한 부품을 만들기 위해 다양한 지그 등 부속품이 필요한데 3DP를 이용하게 되면 이런 부속품들의 필요 없이 한 번에 부품을 만들어 낼 수 있는 장점이 있습니다.

둘째로 의료산업분야는 개인 맞춤형 의료서비스 및 의료보조기구 등을 만들 수 있기 때문에 상당한 기술 발전이 이루어졌습니다.

한편 몇몇 기업들은 여기에 만족하지 않고 대량생산을 준비하고 있으며, 이미 대량생산 공정에 탑재한 기업도 존재하고 있습니다

이렇듯이 다양한 사람들과 많은 아이디어들이 모여 현재도 3DP 기술이 발전하고 있으며, 새로운 시도가 이루어지고 있습니다. 이러한 시대에 발맞춰 우리도 미래사회의 변화에 대응해야 하지 않을까요?

이번 포스팅은 여기까지 하도록 하겠습니다.
다음 포스팅은 ME(용융 압출) 기술에 대하여 좀 더 자세하게 알아보고 사용하는 소재에 대하여 알아보는 것으로 준비하겠습니다.

긴 글 읽어 주셔서 감사합니다.