3D프린팅은 제조업의 혁명이다 (상)

IT 용어 개념이라도 이해하자 #4



  • 캐나다 한국일보 (public@koreatimes.net) --
  • 01 Jun 2019

인공 장기臟器 대량제조 시대 눈 앞에 3D모델 공유사이트에서 파일만 받으면 누구나 만들어 기술 이용, 생산간편화로 인간복지 증진


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3D 프린팅 기술이란? 
3차원 설계도로 입체적 물건을 인쇄, 제조한다.

3D 기술은 미국의 버락 오바마 대통령이 2013년 초 국정 연설에서 “3D가 기존 제조방식에 혁명을 가져올 것이다”고 언급하면서 관심을 고조시켰다.  

3D프린터는 3차원 설계도를 바탕으로 입체적으로 물건을 인쇄하는 기계 자체를 의미한다. 3D프린팅은 3D프린터로 입체적인 물건을 인쇄하는 모든 과정으로 입체적인 물건을 인쇄할 뿐 아니라 이를 위해 디자인하고, 설계하는 과정을 말한다. 즉, 입력한 설계도에 따라 연속적인 계층의 물질(실,액체, 가루형태 등)을 뿌려 3차원 입체물품을 만들어내는 제조기술이다.

3D 프린터의 개념
사실상 이 기술은 30여년 전1984에 미국의 찰스 헐(Charles W.Hull)이 설립한 회사 3D시스템즈에서 발명됐다. ‘신속하게 만든다’, 즉 신속조형(Rapid Prototyping:RP)을 의미하는 RP가 3D프린팅의 동의어로 종종 사용됐다. 

‘3D가 사용하는 전자적인 파일은 3D모델링으로 만들어진 파일들이 된다.  3D프린터가 나오기 이전에도 사람들은 물건을 만들어왔으나 어려운 일이었다. 보통은 CNC (computerized numerical control)등으로 어떤 물체를 깎아서 만들거나, 따로 거푸집 등을 만들어  ‘압출성형’ 방식이어서 기술도 굉장히 고차원적이고 복잡하며 경비도 많이 들었다. 그래서 ‘제조업자’ 혹은 ‘생산자’가 아니면 어떤 물건을 만들기가 굉장히 힘들었다. 

3D기술은 3D로 모델링 된 파일만 있으면 몇 시간 만에 뚝딱 물건을 만들어 낸다. 3D모델링까지가 약간 어렵다고 해도 한번 만들어 놓기만 하면 무한대로 물건을 만들 수 있다. 심지어 자신이 만들지 못해도 3D모델을 공유하는 사이트에서 파일만 받으면 가능하다. 

3D프린팅 방식
크게는 절삭형과 적층형으로 나눌 수가 있다. 절삭형은 큰 덩어리를 조각하듯 깎아내는 것이고, 적층형은 층층이 쌓아 올라가는 것이다.  최근 프린터는 대부분 적층형 방식이다. 절삭형은 여분을 깎아내므로 재료의 손실이 큰 반면, 적층형은 재료손실이 없다는 것이 큰 장점이다.  적층형 원리를 이용하는 방식에도 약 20가지가 있는데, 이 중에 가장 많이 쓰이는 것은 FDM, SLA, SLS방식이다.

 

FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 고체형으로 대부분의 프린터들이 사용하는 방식이다. 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 녹여서 아래부터 위로 층층이 쌓아가는 방식이다. 접착시킬 때 쓰는 글루건(Glue gun)으로 물체를 만드는 걸 상상하면 된다. 프린터 가격이 저렴하지만 출력물 표면이 다소 거칠다는 단점이 있다.

SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식은 액체형 재료를 사용한다. 광경화 조형방식이라고도 한다. 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성 수지(photopolymer : 평상시에는 액체 상태지만 레이저 등의 특수 빛을 쏘이면 고체처럼 단단하게 굳는 플라스틱)이 들어있는 수조에 레이저 빔을 쏘아서 필요한 부분만을 고체화 시키는 방식이다. 레이저 광선이다 보니 속도가 빠르고 FDM 방식에 비해서 제품 표면이 매끄럽지만 내구성이 떨어진다. 따라서 정밀도가 높고, 뛰어난 형상 구현능력이 있다. 반면에 하드웨어 구매 비용이 높고 , 유지보수의 어려움이 있어 일반인이 접근하기에는 힘들다. 

SLS(selective Laser Sintering) 방식은 파우더형 재료(미세한 플라스틱 분말, 모래, 금속 가루 등)를 사용하는 것으로 SLA방식과 비슷하다. 가루가 담겨있는 수조에 레이저를 쏴서 얇은 막(Layer)를 형성하는 원리이다. 막이 형성된 뒤에 다시 파우더를 뿌리고. 다시 레이저를 쏘는 과정을 반복해서 물체를 조형한다.  레이저가 아니라 접착제를 사용하기도 한다. 프린팅이 끝난 다음에 가루 더미에서 물체를 꺼내는 과정이 재미를 더한다. 마치 모래 더미에서 보물을 발견하는 느낌이다.  속도도 빠르며, 재료도 다양하고, 완제품도 정교하지만 프린터 자체가 고가이며 부피가 크고, 사용하기 위해서는 전문적인 교육이 필요하다는 게 단점이다.

3D프린팅 진행 과정
3D프린팅은 모델링→프린팅→후처리 등과 같은 3과정으로 진행된다. 

1) 모델링
모델링은 직접 사람이 만들거나, 3D스캐너 등을 활용하여 역설계 방식으로 만들 수 있다. 이를 위한 프로그램은 정말 많다. 123D 디자인, Fusion 360 부터 오토 캐드, 라이노, 카티아, 3D MAX, sculptris, SketchUp 등이다. 모든 모델링 프로그램들이 각자 특화되어 모델링 전문가라면 다양한 프로그램을 모두 다룰 줄 아는 것이 좋을 것이다. 

3D모델링 작업이 끝났으면 STL파일로 변환해 주어야 한다. 여기서 STL파일은 3D프린터 출력 전에 거치는 슬라이싱(slicing, 절편화) 작업을 위한 파일이다. 슬라이싱도 나중에 프로그램이 한다. 모델링 프로그램들이 너무 많아 이 모든 파일들을 해석할 수 없는 문제로 STL이라는 파일 형식을 제정하였다.

2) 프린팅
프린팅 과정은 다시 2단계로 나뉜다. 첫번째는 슬라이싱 과정으로 이전의 모델링 과정에서 만든 STL파일을 불러서 3D프린터가 한 층 씩 쌓을 수 있도록 한 층씩 잘라주는 작업이다. 이때 생성되는 것이 G 코드인데, 3D 프린터는 이 G 코드로 프린팅 한다. 두 번째는 실제로 프린팅하는 과정으로 한 층 씩 쌓아서 만들며, 이때는 물리적인 여러 변수들(냉각, 프린팅 속도 등)이 간섭하기 때문에 의외로 프린트 하는데 시간이 걸린다.

3) 후처리
후처리는 프린팅 후 표면 가공, 도색 등을 포함하여 사용에 적합하게 하는 모든 작업을 통칭한다. 분야에 따라서 그 방식들이 다르기 때문에 이 부분에서 많은 전문적인 지식을 요구한다. 즉, 진행 과정상 어려움이 있는 부분은 세 부분으로, 모델링에서 실제 3차원 모델을 만드는 과정(그러나 3D 프린팅은 오픈소스를 지향하기 때문에 상당히 많은 모형이 인터넷에 공유되고 있다), 프린팅에서 여러 환경변수를 제어하는 과정, 적절한 후처리 과정 등이 있다.
 

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