3D 프린팅 기술이란?
3D 프린팅 기술은 1980년대 초반에 개발된 기술로, 30여 년 동안 전통적인 생산가공 기술의 보조 기술로써 시제품 개발에 주로 사용되었습니다.
하지만 3D 프린팅 기술은 최근 국내외적으로 자동차, 항공우주, 의식주, 바이오, IT 등 많은 분야에서 혁신적인 결과를 가져올 수 있을 것으로 기대되고 있어서 혁신적 미래 첨단기술로 여겨지고 있습니다.
하지만 언론이나 홍보 문구를 통해서 알려진 것과는 달리 3D 프린팅 기술이 현재의 우리 생활에 큰 변화를 가져올 수 있는 기술인지에 대한 의문이 먼저 드는 것이 사실입니다.
3D 프린팅 기술의 핵심인 소재, 소프트웨어, 프린터, 공정기술, 확실한 응용 분야 등에서 괄목할 만한 연구 개발이 많이 이루어져야 하기 때문입니다.
현재 수준의 '3D 프린팅' 기술은 단순히 제품의 최종생산 전 단계에 시제품 제작을 통한 형상 보완 기능을 가진 기술 수준을 넘어서지 못하고 있습니다.
그러나 최근 국내외의 정책과 개인의 다양성을 중시하는 시대 흐름과 함께 3D 프린팅 기술에 대한 급격한 변화가 시작되고 있습니다.
전 세계적으로 많은 나라에서 3D 프린팅 기술을 미래 산업으로 규정하고 기술 발전에 투자하고 있습니다.
미국에서는 특허나 노하우 같은 압도적인 지식재산권을 보유하고 있어서, 정부 차원의 적극적인 연구지원이 가장 먼저 시작되고 있습니다.
또한 유럽, 일본, 중국 등 이른바 기술 선진국들도 적극적으로 3D 프린팅 기술 개발에 뛰어드는 시점에 이르렀습니다.
우리나라도 2014년 초부터 3D 프린팅 기술을 빅데이터, 사물인터넷과 함께 창조경제를 실현할 미래 성장 동력으로 분류하고 있으며, 이에 따라서 집중적인 관심과 지원이 늘고 있는 것이 사실입니다.
특히, 3D 프린팅 기술을 이루고 있는 소재, 장비, 공정 및 활용 분야에서 진행 중인 개발 방향에 대해서 많은 관심이 집중되고 있습니다.
여기에서는 3D 프린팅 기술에 대한 전반적인 소개와 3D 프린팅 소재의 현황과 한계점, 이러한 한계를 극복하기 위한 기술 개발 동향 및 향후 3D 프린팅을 이끌 바이오 프린팅, 소셜 매뉴팩처링, 4D 프린팅 등에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.
앞서 언급했듯이 3D 프린팅 기술은 이제 막 개발된 새로운 기술이 아닙니다.
1984년에 개발된 이후 2000년대 초반까지 제품 모형이나 시제품을 제작하는 범위에서 계속 사용되어 왔습니다.
최근 들어 미국을 비롯한 국가들에서 제조업의 글로벌 메카트렌드를 이끌 생산기술로 3D 프린팅 기술을 제안하면서 맞춤형 기반의 다품종 소량(혹은 대량) 생산이라는 3D 프린팅의 특징이 크게 주목받게 되었습니다.
단순한 제조 공정을 뛰어넘어 스포츠, 문화, 생명, 나노과학 등과의 융합이 이루어져 보석류, 완구류, 패션 및 엔터테인먼트 산업과 기술적 난도가 높은 자동차, 항공/우주, 방위산업, 의료기 등 다양한 산업 분야에서 제품 개발에 활용되고 있습니다.
또한, 세계적으로 3D 프린터 시장을 양분하고 있는 업체인 스트라타시스(Stratasys) 사의 압출적층방식 혹은 용착조형방식(FDM) 원천기술 특허가 2009년 만료되었고 3D시스템스 사의 금속 소결 방식의 원천 특허도 2014년 2월에 만료되면서 오픈소스화되었습니다.
여기에 영국의 렙랩(RepRap)과 같은 오픈소스 프로젝트가 시작되어 3D 프린터 제작을 위한 중요한 기술 자료들이 인터넷에 공유되면서 이 분야가 폭발적으로 활성화되고 있습니다.
특히 쉐이프웨이즈(Shapeways)나 싱기버스(Thingiverse)의 3D 데이터 거래 등 인터넷에 기반을 둔 마켓플레이스의 대두로 3D 프린팅 관련 시장의 급속한 확대가 이루어지고 있습니다.
최근에는 다국적 기업인 마이크로소프트, 애플이나 포드 자동차 등에서도 3D 프린팅 기술을 가진 회사와 합작을 통한 기술 개발에 나서고 있습니다.
특히 2015년 들어서 기존 기술 대비 100배 빠른 프린팅 방식이 발표되고, 소재 및 공정기술에서도 획기적인 방법들이 제시되고 있습니다.
소재 분야에서는 전통적인 3D 프린팅 소재의 한계를 극복하기 위한 기술 개발과 여기에 추가적으로 기능성을 부여하기 위한 기술 개발이 진행 중입니다.
그래핀이나 탄소나노튜브, 기능성 나노입자 등의 나노물질이나 생분해성 소재 등의 친환경 소재나 세포와 같은 바이오 소재 등을 혼합하여 원하는 기능성을 갖는 신소재가 개발되고 있습니다.
3D 프린팅 기술은 한 층 한 층 재료를 쌓아 올려 3차원 입체를 구현해 내는 적층가공 기술로서 스캐닝이나 모델링을 통한 3차원 이미지 데이터 정보를 기반으로 매우 복잡한 형상을 빠르고 용이하게 구현할 수 있습니다.
3D 프린팅 과정은 크게 모델링(Modeling)-프린팅(Printing)-마무리(Finishing) 단계로 구분됩니다.
모델링 과정에서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래픽 설계 소프트웨어를 통해 3차원으로 형상을 디자인하고 3D 프린터에서 사용되는 STL 파일 포맷으로 변환되어 저장됩니다.
다음의 프린팅 과정에서는 STL 파일을 각각의 3D 프린터에 포함된 전용 프로그램에서 불러들이고 프린터 해상도에 따라 가로 방향으로 층(layer)을 분할합니다.
3D 프린터는 이 정보를 입력받아 단일층을 차례로 적층 하여 입체적인 형상을 완성시킵니다.
마지막으로 마무리 과정에서는 사용된 재료와 프린터 형태에 따라 경화 및 부산물 제거 등의 후처리 작업을 거치게 되어 최종적으로 원하는 3D 출력물이 제작됩니다.
3D 프린팅을 통한 제조 방식은 기존 공정에 비해 조립 비용을 크게 낮출 수 있으며, 제작에 소요되는 에너지가 약 50% 이상, 소재는 약 90% 이상 절감할 수 있다고 알려져 있습니다.
3D 프린팅은 적층 방식이나 재료에 따라 다양한 종류가 있는데 크게 고체 재료를 녹이거나 부드럽게 하여 적층 하는 방식인 선택적 용융, 선택적 레이저 소결, 용착조형 공정법 등이 있습니다.
또한 액체 재료를 선택적으로 굳혀 적층 하는 입체 석판인쇄, 적층제조방식 등의 방식이 있습니다.
각각의 방식도 세세한 공정의 차이로 다양하게 구분이 됩니다.
앞의 표에서 볼 수 있듯이 3D 프린팅 방식으로 다양한 재료와 다양한 방식의 기법들이 사용되고 있으며 재료 또한 종이, 금속분말, 플라스틱, 모래 등이 사용됩니다.
보통 한 번에 적층 되는 층의 두께와 선폭은 약 16~100 마이크로미터 정도입니다.
또한, 한 가지 소재가 액체나 고체 혹은 형상 등을 달리하여 여러 프린팅 방법에 사용될 수 있습니다.
프린팅을 통한 형상의 제작 시간은 제품의 크기와 복잡한 정도에 따라 수 시간에서 수일까지 소요됩니다.
프린팅 속도 면에서 최근 획기적으로 발전된 기술이 발표되었는데, SLA 방식과 유사한 UV 경화용 레진을 이용하는 DLP 방식을 개선하여 기존 대비 최대 100배 이상의 빠른 조형 속도가 가능합니다.
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