3D 프린터 사용 분야

3D 프린터 사용 분야

끝을 모를 만큼 다양하다. 대중화가 된다면 가히 산업혁명급 대격변을 일으킬 것이라고 단언할 수 있을 것이다. 3D 프린팅이 가져올 제3차 산업혁명

 

(1) 건축분야 : 집, 빌딩, 경기장 등 대형 건축물에 대해 설계를 한 후 미리 3D 프린터를 이용 완공된 건축물을 볼 수 있다.

NASA에선 화성 우주여행 등 장거리를 뛸 때 고장난 부품 수리를 위해 3D 프린터와 분말가루 재료를 잔뜩 넣어두는 걸 연구하고 있다. 어느 물건이 고장날 줄 모르니 예비 부품을 잔뜩 싣는 것보다 이쪽이 경제적이라는 것이다.

 

(2) 제품 R&D 분야 : 과거부터 현재까지 가장 널리 쓰이고 있는 분야로 힘들게 목업을 만들 인력이나 노력, 시간을 간단하게 기계 하나로 대체할 수 있는 것이다.

(3) 의료분야 : 의료분야에서도 이용이 되는데, 간단히는 수술에 앞서 뼈를 프린팅 하는 경우에서부터 장기를 프린팅하기도 한다. 세포를 배양해서 3D프린터로 인쇄하고 이식하는 것이다. 이 분야의 선두자로 웨이크포레스트대학의 아탈라박사가 유명하고 국내에서는 포스텍 조동우 교수팀이 이 분야를 연구하고 있다.

 

(4) 군사분야 : 군사 분야에서도 응용이 기대되고 있다. 개인이 프린트할 수 있는 AR-15 하부 프레임도 이미 등장해서 공개된 상태다. 아직 플라스틱 부품만 프린트 할 수 있기에 강한 압력을 받는 총신, 약실 등 주요 부분은 상용 금속제에 의존하지만, 사실 미국에서는 하부 프레임만 프린트할 수 있어도 큰 의미가 있다. 미국 법률상 '총기'로 인정되는 부품은 총번이 찍히는 부품(M16의 경우 하부 프레임) 뿐이기에 총신, 상부 프레임, 하부 프레임 내부에 들어가는 부품 등은 아무런 등록 없이 손쉽게 구매할 수 있다. 그리고 미국 법률상 개인이 합법적으로 구매할 수 있는 총을 제작하는 것 또한 합법이다. (타국은 경우가 다르지만)

플라스틱 3D 프린팅 총기는 사실 개인 데스크탑 CNC 가공 총기의 후예 정도에 해당한다. 기존에 이미 실현된 부분을 3D 프린터로 옮긴 정도이기에, 기술적으로 큰 난이도는 없는 셈.

 

(5) 기타

- 개인이 3D 프린터를 가지게 될 경우 생산뿐만 아니라 소비에도 큰 변화를 가져올 것으로 보이는데, 예를 들어 인터넷 쇼핑몰에서 물건을 구매하면 바로 프린터로 만들어 사용할 수 있게 되므로, 이 경우 배송에 걸리는 엄청난 배송비와 배송 시간이 절감되고, 불량품이 배송될 가능성도 많이 줄일 수 있어 많은 사람들이 거는 기대가 크다.

 

 - 오덕들에게도 상당히 흥미로운 기술 중 하나인데, 인터넷에서 3D 모델링 자료를 받으면 바로바로 미니어쳐 모델(-밀리터리 등)이나 피규어를 만들어낼 수 있다는 매리트가 있기 때문. 별다른 조형 기술이 없어도 3D 제작 기술만 있으면 모형을 만들 수도 있다. 3D모델링이 문제인건 모르나? 즉 피규어에 쓰일 서페이스 디자인은 고급기술이다 특히 오덕 상품들 중 상당수가 해외산임을 생각해보면 해외 배송 특유의 환율 + 배송비 + 배송시간 크리를 많이 잡아줄 수 있게 된다. 실제로 프라모델이나 피규어 제작사에서도 3D 프린팅 기술을 적극적으로 활용하고 있는데, 반다이나 굿스마일 컴퍼니가 대표적이다. 반다이에서는 3D 출력을 통한 고퀄리티의 축소 모형(1/100 파일럿 피규어 등.)을 만들어낸 바가 있으며, 굿스마일 컴퍼니에서는 원형사 없이, 순수한 3D 모델링으로만 만들어진 피규어를 시판한 적이 있다.

3D 프린터 주요 기능

3D 프린터 주요 기능

 

3D 프린터는 컴퓨터 그래픽 프로그램으로 디자인한 물체를 실제 모형으로 만들어주는 장치다. 프린터 안에는 잉크 대신 석회가루나 금속, 고무, 플라스틱 같은 원재료가 들어 있어 이를 활용해 물건을 만들어 낸다. 3D 프린터는 기존 프린터와 달리 원재료를 얇은 막으로 겹겹이 쌓아올리거나 원재료 덩어리를 깎아 입체적인 모양으로 프린트한다. 안쪽에서부터 바깥쪽으로 찍어내기 때문에 복잡한 내부구조를 가진 제품도 손쉽게 만들 수 있고, 특히 제조업체들이 휴대폰 등의 제품 생산에 앞서 모형을 만들어 디자인을 점검할 때 3D 프린터를 활용한다. 얼마 전 미국 라스베이거스에서 열린 소비자가전쇼(CES) 2013에서 큐비파이가 공개한 큐브 X는 농구공을 출력할 수 있을 정도로 최대 1070인치까지 가능하다. 이 정도면 사람 얼굴도 원형 크기에 가깝게 뽑아낼 수 있어 영화 '페이스 오프'에서나 볼 수 있었던 사람 얼굴 복제도 할 수 있다. 종전 제품과 달리 한 번에 3색을 출력할 수 있으며 ABS나 PLA 등의 플라스틱을 제공하는 카트리지가 있다.

또 다른 사례로 영국 과학자들이 특별 제작된 3D 프린터를 이용해 살아 있는 세포조직과 비슷한 물질을 만들어내는 데 성공했으며 이러한 물질은 언젠가 의료 목적으로 사용될 수 있을 것이라고 AFP 통신이 워싱턴발로 보도했다. 이 물질은 수천 개의 서로 연결된 물방울들로 만들어졌으며 인간의 세포와 같은 기능을 수행할 수 있는 지질막 속에 켑슐화한 상태로 들어 있다.

 

또 21세기 제조업 혁명을 불러올 것으로 주목받고 있는 3D 프린터가 우주개발의 새로운 첨병으로 떠오르고 있다. 단 한 대만으로 수많은 공작기계와 장비를 대체하는 일당백(一當百)의 혁신성 때문이다. 특히 3D 프린터는 우주개발의 최대 걸림돌인 천문학적인 물류·발사 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 한때 정체에 빠졌던 미국과 유럽의 우주 기구들은 3D 프린터를 이용한 새로운 우주개발 계획들을 잇따라 발표하고 있다. 그중 가장 야심 찬 계획은 유인(有人) 달기지 프로젝트다. 3D 프린터를 장착한 로봇이 달 표면의 암석들을 흡입·분쇄한 뒤 이를 블록 형태로 찍어내면 3D 프린터 로봇은 돔 위를 오르락내리락하면서 한층한층 외벽을 쌓는다. 스스로 자재를 조달하고 포크레인과 불도저, 크레인의 역할을 혼자 소화하는 것이다. ESA는 길이 6m짜리 3D 프린터로 지상 실험을 시작했다. 마그네슘 산화물과 알루미늄 등으로 달 토양과 유사한 분말을 만들어 1.5t짜리 블록도 만들었다. ESA 연구진에게 달 블록의 영감을 준 것은 미국 워싱턴주립대 연구진이었다. 이들은 달 토양과 성분이 유사한 합성 분말로 원통형 구조물을 만들고, 건물을 지을 만큼 충분히 강하다는 것을 입증해 보였다. ESA는 우주인 4명이 사는 기지는 일주일이면 완공할 수 있을 정도로 프린팅 속도를 높일 계획이라고 한다. 이처럼 3D 프린터는 다양한 기능을 하고 있는 것을 알아 볼 수 있었다.

 

또한 의료분야에서도 3d프린터는 매우 주목받고 있는 기술이다. 콜라겐과 살아있는 연골 세포가 들어있는 “바이오잉크” 재료로 제작된 인공 귀와 같은 경우 생체에 거부감이 적어 불의의 사고나 질병으로 신체일부를 잃은 사람들의 희망이 될 수도 있다. 또는 뱃속 태아의 얼굴과 모습을 3d스캔해서 조형물로 제작해 주는 아이디어도 있다고는 한다. 그리고 앞으로는 자동차를 대기업 뿐만 아니라 소규모 메이커의 작은 작업장에서 만들어 낼 수도 있다고 한다. 예를 들어 현대/기아/삼성 같은 대형 자동차 메이커가 아닌 저렴하게 자동차를 살 수도 있다고 한다.

 

그리고 이건 조금 걱정되는 기능이기도 하지만 3d 프린터로 총기도 제작할 수 있게 되었다고 얼마 전에 뉴스를 보게 되었다. 아직은 완성된 전체 총기를 제조한 것은 아니지만 이 가능성을 보니 모든 기술에 명암이 있는 것 같아 씁쓸한 마음이다.

이처럼 이미 많은 분야에서 3d 프린터가 사용되고 활용방법이 연구되고 있는 것을 알 수 있다.

3D 프린터의 특징, 핵심기술

1) 3D 프린터의 특징

3d프린터란 컴퓨터 디자인프로그램으로 만든 설계도(3d모델링)대로 입체적 물체를 만들어내는 기계를 말한다. 기본적 원리로 프린터 노즐에서 잉크 대신 합성수지를 분사해 얇은 막을 쌓아올리거나 레이저를 이용해 플라스틱, 금속, 콘크리트 등을 설계도대로 깎아내는 방식을 사용한다. 다시 말해 미리 제작한 3d설계도(3d모델링)를 그대로 입체적으로 가장 바닥에서부터 얇은 막을 분사해 층층이 쌓아올려 프린트해주는 기술인 것이다. 3d데이터만 있다면 어떠한 모양도 3d프린터로 찍어낼 수 있다고 한다. 최근에는 자신이 만들고자하는 물건의 재료 배합만 정확히 입력하면 모양 뿐 아니라 색깔까지도 그대로 재연해 낼 수 있다고 한다. 지금까지 우리가 알고 있던, 우리에게 익숙한 프린터란 모니터에 나타난 글자와 그림을 종이에 그리는 기계였다. 3D프린터도 기존의 프린터와 비슷한 역할을 한다. 글이나 사진 파일을 펴놓고 ‘인쇄’ 버튼을 누르면 종이에 똑같이 그려내듯이 3차원 프린터는 특정 소프트웨어로 그린 3차원 설계도를 보고 입체적인 물건을 인쇄한다. 기록에 따르면 1980년대 초반, 미국 3D시스템즈사가 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 만드는 프린터를 세계 최초로 개발했다고 한다.

 

그렇다면 3D프린터는 어떤 원리로 물건을 인쇄할까. 3D 프린터는 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘게 잘라 분석한다. 그리고 아주 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다(쾌속조형 방식). 잉크젯프린터가 빨강, 파랑, 노랑 세 가지 잉크를 조합해 다양한 색상을 만드는 것처럼 3D 프린터는 설계에 따라 레이어를 넓거나 좁게, 위치를 조절해 쌓아 올린다. 지금까지 개발된 3차원 프린터는 1시간당 높이 2.8cm를 쌓아 올린다. 레이어의 두께는 약 0.01~0.08mm로 종이 한 장보다도 얇다. 쾌속조형 방식으로 인쇄한 물건은 맨 눈에는 곡선처럼 보이는 부분도 현미경으로 보면 계단처럼 들쭉날쭉하다. 그래서 레이어가 얇으면 얇을수록 물건이 더 정교해진다.

 

3차원 프린터에 들어가는 재료는 주로 가루(파우더)와 액체, 실의 형태다. 가루와 액체, 그리고 녹인 실은 아주 미세한 한 겹(레이어)으로 굳힌다. 이 겹들을 무수히 쌓아 올려 물건을 만드는 방식이다. 이 외에도 전문가들은 밀가루와 설탕, 초콜릿으로 과자를 쌓거나, 실과 바늘이 없이도 복잡한 패턴을 자랑하는 옷을 짓거나, 여러 약품을 적절하게 섞어 알약 한 알로 압축하거나, 김이 모락모락 나는 초콜릿 음료가 처음부터 머그컵에 담겨 나오는 등 을 실현시키고 있다. 물론 이 모든 일은 인쇄 버튼만 누르면 이뤄진다. 

3D 프린터 개발배경, 기능, 종류, 산업 발전 적용 사례 등

1. 3D 프린터 개발 배경, 목적

o 3차원 프린터를 만든 목적은 상품을 내놓기 전 시제품을 만들기 위해.

o 값싸고 성형하기 쉬운 재료로 똑같이 생긴 시제품을 만들면 실제 상품에 어떤 문제점이 있는지 알 수 있다. 볼펜 공장을 떠올려보자. 상품화 전에 제품의 문 제점을 발견하면 이것을 수정하고, 문제점이 해결됐는지 다시 평가해야 한다. 그런데 평가할 때마다 실제 볼펜을 만들면 돈과 시간이 많이 든다. 볼펜과 똑 같이 생긴 시제품을 직접 쥐고 버튼을 누르고 종이에 그어보면서 잡기 편한 지, 심이 제대로 나오는지, 잉크는 제대로 나오는지 알 수 있다. 그래서 예전부 터 대기업과 공장에서는 3차원 프린터를 사용. 특히 건설, 자동차 제조 공장에 서는 처음부터 3차원 설계를 하기 때문에, 시제품을 인쇄하는 것이 어렵지 않았다.

일반 기계는 동일한 물건을 여러 번 ‘찍어내지만’ 3차원 프린터는 매번 색다른 디자인의 물건을 인쇄한다. 버튼 한 번 누를 때마다 세상에 하나밖에 없는 물건이 태어난다. 영국 워릭대에서 3차원 프린터를 연구하고 있는 크리스 라이얼 교수는 “3차원 프린터는 한 마디로 ‘산타클로스 머신’ ”이라며 “지금의 프린터처럼 집집마다 1대씩 갖게 되는 날이 머지 않았다”고 말했다

 

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3D 프린터 이야기 (001)

1. 3D 프린터, 3차원 인쇄 개념

o 컴퓨터 프로그램으로 디자인한 물체를 실제 모형으로 만들어주는 장치.

o 3차원 인쇄(영어: 3D printing)

- 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술의 일종

- 3차원 프린터 / 입체 프린터는 컴퓨터 등의 신호를 입체물로 제작하는 장치

- 3차원 인쇄 용어는 점차 전반적인 부가 제조공정을 설명하는데 쓰이고 있다.

- 일반 다른 부가 제조 기술에 비해 사용하기 쉽고 속도도 더 빠르다

 

2. 핵심 작동원리 - 여러가지 방식이 있지만, 대부분 크게 두 가지로 나뉜다.

(1) 첨가형

- 가루나 액체를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 방식이다. 비교적 복잡한 모양을 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다는 장점도 있다. 다만 완성품 의 품질이 상대적으로 떨어진다.

(2) 절삭형

- 커다란 합성수지를 둥근 날로 깍아가며 모양을 만드는 방식으로, 비교적 매끄 럽게 인쇄할 수 있지만, 컵같은 모양은 날이 들어가지 않아 만들기 어렵다.

 

3. 일반적인 작동원리

(1) 모델링(modeling)

- 일반적으로 CAD 또는 3D 모델링 프로그램을 이용하여 3차원 도면을 완성한 다. 또는 3D 스캐너를 이용해 도면을 얻을수도 있다. CAD와 기기 간의 표준 데이터 인터페이스는 STL파일 형식이다. PLY는 스캐너로 생성 된 입력 파일 형식이며, VRML (또는 WRL) 파일은 종종 풀 컬러로 인쇄 할 수있는 3D 프 린팅 기술에 대한 입력으로 사용된다.

(2) 프린팅(printing)

- 기계가 모델링 과정에서 만들어진 도면을 이용해 물체를 만들어내는 과정이 다. STL파일을 읽어들여 CAD모델에서의 가상적인 단면을 만들어내 액체나 분말등의 재료의 연속적인 층을 생성하고 융합한다. 이 기술의 장점은 이러 한 방법을 통해 거의 모든 모형을 만들 수 있다는 것이다. 일반적으로 해상 도는 한 층의 두깨와 XY축의 해상도를[보통 dpi로 표현함(dots per inch)]으로 이루어진다. 일반적으로 한 층에 100µm정도 되고 어떤 기기들은 16µm정도 까지도 표현하기도 한다. XY해상도는 50~100µm정도이다. 인쇄 과정은 사용 방법과 모델의 크기와 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠 정도의 시간이 소요 될 수 있다. 프린팅 공정마다 소요 시간등이 다르므로 필요에 따라 맞춰서 사용해야 한다.

(3) 마무리(finishing)

- 마무리는 물건이 얼마나 복잡한지, 어떤 공정과 원료로 만들어졌는지, 얼마 나 정교하게 보여야 하는가에 따라 다르다. 사포로 연마하고, 색칠하고, 또는 용접되는 것이 보통의 과정이다.

 

4. 일반프린터와의 차이점

o 지금까지 우리가 알고 있는 프린터란 모니터에 나타난 글자와 그림을 종이에 그리는 기계였다. 글이나 사진 파일을 펴놓고 ‘인쇄’ 버튼을 누르면 종이에 똑 같이 그려내듯이 3차원 프린터는 특정 소프트웨어로 그린 3차원 설계도를 보고 입체적인 물건을 인쇄한다.

o 기존 프린터가 잉크로 문서를 인쇄했다면 3D 프린터엔 석회가루나 금속, 고무, 플라스틱 같은 원재료가 들어 있다