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3차원 인쇄

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목차

1. 개요

3차원 인쇄(3D 프린팅)는 1980년대에 이론이 정립되고 제품화되어, 액체나 분말 형태의 재료를 층층이 쌓아 올려 3차원 물체를 만드는 기술이다. 이 기술은 적층 제조 방식을 사용하며, 모델링, 프린팅, 후처리 단계를 거쳐 완성된다. 3D 프린팅 기술은 FDM, SLA, SLS, DMLS 등 다양한 방식으로 발전해 왔으며, 금속, 플라스틱, 세라믹 등 다양한 재료를 활용할 수 있다. 현재 산업, 의료, 교육, 패션, 식품, 건축 등 광범위한 분야에서 활용되고 있으며, 제조업 혁신, 개인 맞춤형 생산, 분산 제조를 가능하게 한다. 하지만 총기 제작, 지식 재산권 침해, 노동 시장 변화와 같은 사회적 문제와 안전성 문제도 제기되고 있다.

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3차원 인쇄
개요
3D 프린팅 과정
3D 프린팅 과정
정의3차원 물체를 만들기 위한 적층 제조 공정
다른 이름적층 제조
AM (Additive Manufacturing)
기술
주요 기술재료 압출
광중합 방식
분말 소결 방식
재료 분사 방식
접착제 분사 방식
역사
최초 개발1980년대 후반
개발자척 헐
최초 기술광조형 방식 (Stereolithography)
응용 분야
산업제조업
의료
건축
항공우주
자동차
소비재
기타교육
연구
예술
장점
특징복잡한 형상 제작 가능
맞춤형 생산 가능
재료 낭비 감소
빠른 시제품 제작
단점
한계생산 속도
재료 선택의 제한
높은 초기 투자 비용
크기 제한
관련 용어
관련 용어CAD (컴퓨터 지원 설계)
CAM (컴퓨터 지원 제조)
STL 파일
G 코드
같이 보기
같이 보기인쇄의 역사

2. 역사

1981년 일본 나고야시 공업 연구소의 고다마 히데오(小玉秀男)가 3차원 인쇄를 처음 이론화했고, 1986년 미국의 찰스 훌(Charles W.Hull)이 입체 조형 기술에 대한 특허를 획득하고 3D 시스템즈를 설립하여 제품화하였다.[213][214]

1990년대에는 금속 3D 프린팅 기술이 개발되었고, 2000년대 후반부터 대한민국 국내 언론에도 3D 프린터가 보도되며 대중에게 알려졌다. 2009년에는 대한민국 기업도 3D 프린터를 개발하였다.[214]

2. 1. 초기 역사 (1940년대 ~ 1980년대)

1981년 일본 나고야시 공업 연구소의 고다마 히데오(小玉秀男)가 광경화성 열경화성 폴리머를 사용하여 3차원 모델을 제작하는 방식을 발명했다.[13] 그는 이 기술에 대한 특허를 출원했지만, 연구 예산 부족과 상사의 무관심으로 인해 프로젝트는 중단되었다.[14][15][16]

3D 프린팅의 개념은 1945년 머레이 린스터의 단편 소설 "Things Pass By"에서 처음 등장했다.[9] 이 소설에서는 광전지를 이용하여 도면을 따라 플라스틱을 굳혀 물체를 만드는 장치가 묘사되었다. 1950년에는 레이먼드 F. 존스의 소설 "Tools of the Trade"에서 "분자 스프레이"라는 이름으로 유사한 개념이 등장했다.

1971년에는 요하네스 F. 고트발트가 액체 금속 기록기에 대한 특허를 받았다.[10] 이는 잉크젯 금속 재료를 사용하여 재사용 가능한 표면에 탈착 가능한 금속 제작물을 형성하는 장치였다.

1974년, 데이비드 E. H. 존스는 뉴 사이언티스트에 기고한 칼럼에서 3D 프린팅의 개념을 제시했다.[11][12]

1984년 7월 2일, 빌 마스터스는 컴퓨터 자동화 제조 프로세스 및 시스템에 대한 특허를 출원했다.[17] 이는 미국 특허청에 기록된 최초의 3D 프린팅 특허로, 오늘날 사용되는 3D 프린팅 시스템의 기반을 마련한 세 가지 특허 중 첫 번째였다.[18][19]

1984년 7월 16일, 프랑스의 알랭 르 메오트, 올리비에 드 비트, 장 클로드 앙드레는 입체 조형 프로세스에 대한 특허를 출원했지만, "사업 전망 부족"을 이유로 포기되었다.[20][21][22]

1986년 미국의 찰스 훌(Charles W.Hull)은 광중합체를 사용하여 3차원 객체를 만드는 입체 조형 기술에 대한 특허를 획득했다. 헐은 3D 시스템즈를 설립하고, 1987년 또는 1988년에 최초의 상업용 3D 프린터인 SLA-1을 출시했다.[25]

1988년 S. 스콧 크럼프는 플라스틱 압출 방식인 융합 증착 모델링(FDM) 기술을 개발했고, 1992년 그의 회사 스트라타시스를 통해 상업화했다.[24]

1980년대 당시 3D 프린터의 가격은 매우 비쌌다. 3D 프린터 1대를 소유하려면 300000USD 이상 (2016년 달러로 650000USD)이 필요했다.[26]

2. 2. 발전과 상용화 (1990년대 ~ 2000년대)

1990년대에 금속 3D 프린팅 기술이 개발되었고, 다양한 재료와 방식을 활용한 3D 프린팅 기술이 등장했다. 2000년대 후반부터 대한민국 국내 언론에도 3D 프린터가 보도되며 대중에게 알려지기 시작했다. 2009년에는 대한민국 기업도 3D 프린터를 개발하였다.[214]

2. 3. 대중화와 혁신 (2010년대 ~ 현재)

융합 증착 모델링(FDM) 기술 특허가 2010년대에 만료되면서, 오픈소스 기반의 저가형 3D 프린터가 등장하여 대중화에 기여했다.[24] S. 스콧 크럼프(S. Scott Crump)가 개발하고 그의 회사 스트라타시스(Stratasys)에 의해 상업화된 FDM 기술은, 1992년에 첫 번째 FDM 기계가 판매된 이후 3D 프린터, 특히 취미 및 소비자 지향 모델에서 널리 사용되는 기술이 되었다.[24]

기술 발전과 가격 하락으로 3D 프린팅은 산업 현장뿐만 아니라 의료, 교육, 패션, 식품 등 다양한 분야로 활용 범위를 넓혀가고 있다. 특히, 코로나19 팬데믹 상황에서 개인 보호 장비 부족 문제를 해결하는 데 3D 프린팅 기술이 활용되면서 그 중요성이 더욱 부각되었다.

3. 작동 원리

3차원 인쇄의 작동 원리는 크게 두 가지 가공 방식으로 나뉜다. 하나는 가루나 액체 형태의 재료를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 '''적층 제조''' 방식이고, 다른 하나는 재료를 공구로 깎아 모양을 만드는 절삭 제조 방식이다. 3차원 인쇄는 이 중 적층 제조 방식에 속한다.

1980년대와 1990년대에는 금속 소결 또는 용융을 위한 AM 공정(예: 선택적 레이저 소결, 직접 금속 레이저 소결, 선택적 레이저 용융)은 일반적으로 고유한 개별 이름으로 불렸다. 1990년대 중반까지, 스탠퍼드 대학교와 카네기 멜론 대학교에서 마이크로캐스팅[27] 및 분사 재료[28]를 포함한 새로운 재료 증착 기술이 개발되었다. 희생 재료 및 지지 재료 또한 더욱 일반화되어 새로운 객체 형상을 가능하게 했다.[29]

"3D 프린팅"이라는 용어는 원래 1993년 MIT에서 Emanuel Sachs가 개발하고 Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation 및 Z Corporation에서 상용화한 표준 및 맞춤형 잉크젯 프린트 헤드를 사용하는 분말 베드 공정을 지칭했다. 같은 해 Solidscape로 이름을 변경한 잉크젯 3D 프린터 회사가 시작되어 가용성 지지 구조를 갖춘 고정밀 폴리머 제트 제작 시스템을 도입했다.[24] 1995년에는 프라운호퍼 협회에서 선택적 레이저 용융 공정을 개발했다.

2005년에는 애드리안 보이어(Adrian Bowyer)가 배스 대학교(University of Bath)에서 RepRap (Replicating Rapid-prototyper, 복제 신속 프로토타이퍼)라는 3D 프린터 설계도를 설계하고 배포하기 시작했는데, 사용자들은 이 설계도로 자체 부품의 약 70%를 인쇄할 수 있었다.[31] 2006년에는 에반 말론(Evan Malone)과 호드 립슨(Hod Lipson)이 Fab@Home 프로젝트를 시작했는데, 이 프로젝트는 사용자가 직접 개발하고 피드백을 게시할 수 있는 저비용 오픈 소스 제작 시스템을 설계하는 것을 목표로 했다.[32]

2000년대 초반 3D 프린터는 기술이 비교적 초기 단계였고 대부분의 소비자가 접근하기에는 비용이 너무 비싸서 주로 제조업 및 연구 산업에서 사용되었다. 2000년대는 이 기술이 산업에서 대규모로 사용되기 시작한 시기였으며, 주로 건축 및 의료 산업에서 사용되었지만, 일반적인 제조 상품이나 대규모 프로토타입 제작보다는 낮은 정확도의 모델링 및 테스트에 사용되는 경우가 많았다.[30]

당시 대중에게 제공되는 3D 프린팅 소프트웨어의 상당수는 오픈 소스 소프트웨어였으며, 많은 개별 사용자에 의해 빠르게 배포되고 개선되었다. 2009년에는 융합 증착 모델링(FDM) 인쇄 공정 특허가 만료되면서, 오픈 소스 이니셔티브의 주요 기여자들에 의해 설립된 새로운 파동의 신생 기업들이 일반 대중이 더 쉽게 접근할 수 있는 상업용 FDM 3D 프린터를 개발하기 시작했다.[33]

3D 프린팅 공정 간의 주요 차이점은 부품을 제작하기 위해 레이어를 쌓는 방식과 사용되는 재료에 있다.

3. 1. 종류

3D 프린팅은 재료를 층층이 쌓아 올려 '''적층 제조'''(Additive Manufacturing) 방식이다. 이는 재료를 깎아서 형태를 만드는 절삭 제조(Subtractive Manufacturing) 방식과 대비된다.

ISO/ASTM52900-15 표준은 적층 제조 공정을 7가지 범주로 정의한다.[106][107]

종류설명
용기 광중합
재료 분사
바인더 분사
분말 베드 융합
재료 압출
지향성 에너지 증착
시트 적층



각 방식은 레이어를 쌓는 방식과 사용되는 재료에서 차이가 있으며, 고유한 장단점을 가진다. 기계를 선택할 때는 속도, 프린터 및 프로토타입 제작 비용, 재료, 색상 기능 등을 고려해야 한다. 금속을 직접 사용하는 프린터는 비싸지만, 저렴한 프린터로 금형을 만들어 금속 부품을 제작할 수도 있다.

3. 2. 제작 프로세스

CAD 모델은 3차원 인쇄에 사용된다.


3차원 사진 부스에서 찍은 2차원 사진으로 3차원 모델을 생성할 수 있다.


일반적으로 3차원 인쇄는 다음과 같은 제작 프로세스를 거친다.

  • '''모델링(modeling):''' CAD 또는 3차원 모델링 소프트웨어를 이용하여 3차원 데이터를 만든다. 3차원 스캐너를 사용해 3차원 데이터를 얻을 수도 있다. CAD와 기기 간의 표준 데이터 인터페이스는 STL 파일 형식이다. 3D 스캐너로 생성된 파일은 보통 PLY 파일 형식을 쓴다.[68] 3차원 인쇄 가능한 모델은 CAD 패키지, 3차원 스캐너 또는 일반 디지털 카메라와 사진 측량 소프트웨어를 사용하여 만들 수 있다. CAD로 제작된 3차원 인쇄 모델은 다른 방법보다 오류가 비교적 적다. 3차원 인쇄 가능한 모델의 오류는 인쇄 전에 식별하고 수정할 수 있다. 3차원 컴퓨터 그래픽을 위한 기하학적 데이터를 준비하는 수동 모델링 과정은 조각과 같은 조형 예술과 유사하다. 3차원 스캐닝은 실제 물체의 모양과 외관에 대한 디지털 데이터를 수집하고 이를 기반으로 디지털 모델을 만드는 과정이다.


CAD 모델은 스테레오리소그래피 파일 형식(STL)으로 저장할 수 있는데, 이는 CAD 모델의 표면 삼각 측량을 기반으로 데이터를 저장하는 적층 제조의 사실상 표준 CAD 파일 형식이다. STL은 관련된 많은 표면으로 인해 위상 최적화 부품과 격자 구조의 파일 크기가 커서 적층 제조에 적합하지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 2011년에 새로운 CAD 파일 형식인 적층 제조 파일 형식(AMF)가 도입되었다. AMF는 곡선 삼각 측량을 사용하여 정보를 저장한다.[69]

3차원 모델을 STL 파일로 인쇄하기 전에 먼저 오류를 검사해야 한다. 대부분의 CAD 응용 프로그램은 다음과 같은 유형의 오류를 출력 STL 파일로 생성한다.[70][71]

오류 종류
구멍
면 법선
자체 교차
노이즈 쉘
매니폴드 오류[72]
오버행 문제[73]



"수리"라고 알려진 STL 생성 단계는 원래 모델의 이러한 문제들을 해결한다.[74][75] 일반적으로, 3D 스캔을 통해 얻은 모델에서 생성된 STL은 이러한 오류가 더 많으며,[76] 3D 스캔은 종종 점대점 획득/매핑으로 수행되기 때문이다. 3D 재구성에는 종종 오류가 포함된다.[77]


  • '''프린팅(printing):''' 3D 프린터가 모델링 과정에서 만들어진 도면을 이용해 물체를 만들어내는 과정이다. STL파일을 읽어들여 CAD모델에서의 가상적인 단면을 만들어내 액체나 분말등의 재료의 연속적인 층을 생성한다. 인쇄 과정은 사용 방법과 모델의 크기와 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠 정도의 시간이 소요될 수 있다. 완료되면, STL 파일은 모델을 일련의 얇은 레이어로 변환하고 특정 유형의 3D 프린터(FDM 프린터)에 맞춰진 지침이 포함된 G-코드 파일을 생성하는 "슬라이서"라는 소프트웨어로 처리해야 한다. 그런 다음 이 G-코드 파일을 3D 프린팅 클라이언트 소프트웨어로 인쇄할 수 있다(G-코드를 로드하여 3D 프린팅 프로세스 중에 3D 프린터에 지시하는 데 사용).


프린터 해상도는 인치당 도트 수 (dpi) 또는 마이크로미터 (μm) 단위의 레이어 두께와 X–Y 해상도를 나타낸다. 일반적인 레이어 두께는 100pitch 정도이지만 일부 기계는 16pitch 만큼 얇은 레이어를 인쇄할 수 있다. X–Y 해상도는 레이저 프린터의 해상도와 비슷하다. 입자(3D 도트)의 직경은 약 에서 이다.[78] 해당 프린터 해상도의 경우, 의 메시 해상도와 의 코드 길이를 지정하면 주어진 모델 입력 파일에 최적의 STL 출력 파일이 생성된다.[79] 더 높은 해상도를 지정하면 인쇄 품질이 향상되지 않으면서 파일 크기가 커진다.

용융 중합체 증착을 사용하여 PLA로 물체를 만드는 80분짜리 비디오의 타임랩스


최신 방법으로 모델을 제작하는 데는 사용된 방법과 모델의 크기 및 복잡성에 따라 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있다. 적층 시스템은 일반적으로 이 시간을 몇 시간으로 줄일 수 있지만, 사용된 기계 유형과 동시에 생산되는 모델의 크기 및 수에 따라 크게 달라진다.

  • '''후처리(post-processing):''' 인쇄된 결과물에 대해서는 필요할 경우 마무리 공정이 추가되기도 한다. 사포로 연마하거나, 색칠하거나, 인쇄된 파트들을 조립하는 공정이 추가될 수 있다. 3D 프린터로 생산된 해상도와 표면 마감은 일부 응용 분야에 충분하지만, 후처리 및 마감 방법은 더 높은 치수 정확도, 더 매끄러운 표면, 그리고 착색과 같은 다른 수정 사항과 같은 이점을 제공한다.


3D 프린팅된 부품의 표면 마감은 샌딩 및 비드 블라스팅과 같은 제거 방식을 사용하여 개선할 수 있다. 치수 정확도가 필요한 부품을 매끄럽게 할 때는 제거되는 재료의 부피를 고려하는 것이 중요하다.

아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 같은 일부 인쇄 가능한 폴리머는 아세톤 또는 유사한 용매를 기반으로 하는 화학 증기 공정을 사용하여 표면 마감을 매끄럽게 하고 개선할 수 있다.[80]

일부 적층 제조 기술은 후처리 단계로 어닐링의 이점을 누릴 수 있다. 3D 프린팅된 부품을 어닐링하면 부품의 재결정화로 인해 내부 레이어 결합이 더 향상된다. 이를 통해 파괴 인성[81], 굽힘 강도[82], 충격 저항[83], 내열성[83]과 같은 기계적 특성이 향상될 수 있다. 구성 요소 어닐링은 가열 및 냉각으로 인해 휨 또는 수축이 발생할 수 있으므로 치수 정확도가 필요한 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있다.[84]

적층 또는 제거 하이브리드 제조(ASHM)는 3D 프린팅된 부품을 생산하고 가공 (제거 제조)을 사용하여 재료를 제거하는 방법이다.[85] 가공 작업은 응용 분야 요구 사항에 따라 각 레이어 후에 또는 전체 3D 프린트가 완료된 후에 완료할 수 있다. 이러한 하이브리드 방법을 통해 3D 프린팅된 부품은 더 나은 표면 마감과 치수 정확도를 얻을 수 있다.[86]

기존의 적층 제조 공정의 레이어 구조는 빌딩 플랫폼에 대해 곡선형 또는 기울어진 부품 표면에 계단 효과를 유발한다. 이 효과는 사용된 레이어 높이뿐만 아니라 빌딩 공정 내의 부품 표면의 방향에 따라 크게 달라진다.[87] 이 효과는 "가변 레이어 높이" 또는 "적응형 레이어 높이"를 사용하여 최소화할 수 있다. 이러한 방법은 더 높은 품질이 필요한 부분에서 레이어 높이를 줄인다.[88]

3D 프린팅된 부품을 페인팅하면 대부분의 3D 프린팅 기술로는 달성할 수 없는 다양한 마감 및 외관을 제공한다. 이 과정은 일반적으로 표면 준비, 프라이밍 및 페인팅과 같은 여러 단계를 포함한다.[89] 이러한 단계는 부품 표면을 준비하고 페인트가 제대로 부착되도록 돕는다.

일부 적층 제조 기술은 여러 재료를 동시에 사용할 수 있다. 이러한 기술은 여러 색상과 색상 조합으로 동시에 인쇄할 수 있으며, 반드시 페인팅이 필요하지 않은 부품을 생산할 수 있다.

일부 인쇄 기술은 제작 중에 돌출된 특징을 지원하기 위해 내부 지지대를 구축해야 한다. 이러한 지지대는 인쇄가 완료된 후 PVA와 같은 수용성 지지 재료를 사용하는 경우 기계적으로 제거하거나 용해해야 한다.

일부 상업용 금속 3D 프린터는 증착 후 금속 구성 요소를 금속 기판에서 잘라내는 작업을 포함한다. GMAW 3D 프린팅의 새로운 프로세스를 통해 알루미늄[90] 또는 강철을 제거하기 위해 기판 표면을 수정할 수 있다.[91]

3. 3. 해상도

3D 프린터의 해상도는 XY축 해상도와 각 층의 두께로 결정된다. 3D 프린터는 기존 잉크젯과 동일한 구동 방식을 이용해 적층 방식으로 출력하기 때문이다. 일반적으로 한 층의 두께와 XY축의 해상도는 dpi(dots per inch)로 표현된다.[78] 2013년 기준으로, 일반적인 3D 프린터는 한 층에 100μm 정도를 표현하며, 일부 고성능 기기들은 16μm까지 표현 가능하다. XY축 해상도는 대략 50μm에서 100μm 정도이다.

프린터 해상도는 레이어 두께와 X-Y 해상도를 dpi 또는 μm 단위로 나타낸다. 일반적인 레이어 두께는 100μm 정도이지만, 일부 기계는 16μm만큼 얇은 레이어를 인쇄할 수 있다. X-Y 해상도는 레이저 프린터의 해상도와 비슷하며, 입자(3D 도트)의 직경은 약 50μm에서 100μm이다.[78]

4. 3D 프린팅 기술

상위어인 ''적층 제조(AM)''는 2000년대에 인기를 얻었으며, 재료를 함께 추가하는 방식(다양한 방식으로)에서 영감을 받았다. 반대로, ''감산 제조''라는 용어는 재료 ''제거''를 공통 공정으로 하는 광범위한 가공 공정군에 대한 역형성어로 나타났다. ''3D 프린팅''이라는 용어는 여전히 대부분의 사람들에게 폴리머 기술만을 의미했으며, ''AM''이라는 용어는 폴리머, 잉크젯 또는 스테레오리소그래피 애호가들보다는 금속 가공 및 최종 사용 부품 생산 환경에서 사용될 가능성이 더 높았다.

2010년대 초반까지 ''3D 프린팅''과 ''적층 제조''라는 용어는 적층 기술에 대한 대체 상위어라는 의미로 발전하여, 하나는 소비자-메이커 커뮤니티와 미디어에서 대중적인 언어로 사용되었고, 다른 하나는 산업 최종 사용 부품 생산자, 기계 제조업체 및 글로벌 기술 표준 기관에서 더 공식적으로 사용되었다. 최근까지 ''3D 프린팅''이라는 용어는 가격이나 기능이 낮은 기계와 연관되어 왔다.[7] ''3D 프린팅''과 ''적층 제조''는 자동 제어 하에서 3D 작업 공간 전체에서 재료 추가 또는 결합이라는 주제를 공유한다는 점을 반영한다.

1990년대 중반, 스탠퍼드 대학교와 카네기 멜론 대학교에서 마이크로캐스팅[27] 및 분사 재료[28]를 포함한 새로운 재료 증착 기술이 개발되었다. 희생 재료 및 지지 재료 또한 더욱 일반화되어 새로운 객체 형상을 가능하게 했다.[29]

"3D 프린팅"이라는 용어는 원래 1993년 MIT에서 Emanuel Sachs가 개발하고 Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation 및 Z Corporation에서 상용화한 표준 및 맞춤형 잉크젯 프린트 헤드를 사용하는 분말 베드 공정을 지칭했다.

1993년에는 Sanders Prototype, Inc.로 시작하여 나중에 Solidscape로 이름이 변경된 잉크젯 3D 프린터 회사가 시작되어 가용성 지지 구조를 갖춘 고정밀 폴리머 제트 제작 시스템을 도입했다( "dot-on-dot" 기술로 분류).[24]

1995년에는 프라운호퍼 협회에서 선택적 레이저 용융 공정을 개발했다.

3차원 적층 공정 기술이 발전하면서, 곧 금속 제거 방식이 3차원 작업 공간을 이동하는 도구나 헤드를 통해 수행되는 유일한 금속 가공 공정이 아니게 될 것이라는 점이 분명해졌으며, 이는 원자재 덩어리를 원하는 형태로 층층이 변환하는 방식이다. 2010년대는 엔진 브래킷 및 대형 너트와 같은 금속 최종 사용 부품을 주문 생산 방식으로 (기계 가공 전 또는 기계 가공 대신) 봉재나 판재에서 사전 정의된 형상으로 가공하는 대신 성장시킬 수 있는 첫 번째 10년이었다.

적층 제조가 상당한 진전을 보이고 있는 한 분야는 항공 산업이다. 프랫 앤 휘트니(PW) 및 제너럴 일렉트릭(GE)과 같은 대형 OEM(주문자 상표 부착 생산)의 경우, 적층 제조를 통해 비용 절감, 불량 부품 수 감소, 엔진 무게 감소를 통한 연료 효율 증가, 구식 제조 방법으로는 불가능한 새로운 고도로 복잡한 형태를 찾는 것을 의미한다.

기술이 성숙해짐에 따라, 여러 저자들은 3D 프린팅이 개발도상국의 지속 가능한 개발에 도움이 될 수 있다고 추측하기 시작했다.[38]

프린터 가격이 하락하면서 이 기술에 관심 있는 사람들이 원하는 것을 만들 수 있는 접근성과 자유가 더 커졌다.

"3D 프린팅"이라는 용어는 원래 잉크젯 프린터 헤드를 사용하여 분말층 위에 바인더 재료를 층층이 증착하는 공정을 지칭했다. 최근에는 대중적인 용어로 전자빔 적층 제조 및 선택적 레이저 용융과 같은 더 광범위한 적층 제조 기술을 포함하는 의미로 사용되기 시작했다. 미국 및 글로벌 기술 표준에서는 이보다 넓은 의미로 공식 용어인 ''적층 제조''를 사용한다.

가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 공정(2018년 기준 46%)은 융합 증착 모델링, 또는 FDM이라고 하는 재료 압출 기술이다.[42]

ISO/ASTM52900-15는 적층 제조(AM) 공정을 그 의미 내에서 7가지 범주로 정의한다.[106][107]

종류설명
용기 광중합액체 상태의 광경화성 수지에 자외선(UV) 레이저나 빛을 쬐어 굳히는 방식이다.
재료 분사액체 상태의 재료를 잉크젯 프린터처럼 분사하여 쌓는 방식이다.
바인더 분사분말 형태의 재료 층에 결합 접착제를 도포하는 방식이다.
분말 베드 융합분말 형태의 재료를 레이저나 전자빔으로 녹여 결합시키는 방식이다.
재료 압출재료를 녹이거나 부드럽게 하여 압출 및 적층하는 방식이다.
지향성 에너지 증착금속 분말이나 와이어를 레이저나 전자빔으로 녹여 쌓는 방식이다.
시트 적층얇은 판 형태의 재료를 접착제로 붙이거나 레이저로 잘라 쌓는 방식이다.



공정 간의 주요 차이점은 부품을 제작하기 위해 레이어를 쌓는 방식과 사용되는 재료에 있다.

4. 1. 광중합 (Vat Photopolymerization)

광중합(Vat Photopolymerization)은 액체 상태의 광경화성 수지에 자외선(UV) 레이저나 빛을 쬐어 굳히는 3차원 인쇄 기술이다. 정밀도가 높고 표면이 매끄러운 결과물을 얻을 수 있지만, 재료 선택의 폭이 좁고 가격이 비싸다.

광중합 방식은 액체 재료를 경화시키는 여러 기술을 포함한다. 오브제 폴리젯(Objet PolyJet) 시스템과 같은 잉크젯 프린터 시스템은 광중합체 재료를 초박막 층(16~30 μm)으로 빌드 트레이에 분사하고,[114] 각 층은 분사 후 UV 광선으로 경화되어 별도의 후경화 없이 즉시 사용 가능한 모델을 만든다.

다중 광자 광중합을 이용한 3D 마이크로 제작 기술은 매우 작은 특징을 만들 수 있다. 광 여기의 비선형 특성 때문에 젤은 레이저가 초점을 맞춘 곳에서만 고체로 경화되고 나머지는 씻겨 나간다. 100 nm 미만의 특징 크기나 움직이는 부품과 맞물린 복잡한 구조도 쉽게 만들 수 있다. LED를 사용하여 합성 수지를 고화하는 방식도 있다.

컴퓨티드 축 방향 리소그래피는 컴퓨터 단층 촬영 스캔을 기반으로 광경화성 수지 내에 인쇄물을 만드는 3D 프린팅 방법이다. 캘리포니아 대학교 버클리와 로렌스 리버모어 국립 연구소가 협력하여 개발했다.[118][119][120] 융합 증착 모델링이나 광경화처럼 재료 층을 쌓는 대신, 수지 원통에 2D 이미지를 투사하여 물체를 생성한다.[118][120] 이 기술은 다른 수지 사용 방식보다 빠르게 물체를 제작하고, 인쇄물 내에 물체를 내장할 수 있다.[119]

4. 1. 1. 광경화성 수지 조형 방식 (Stereolithography, SLA)

Stereolithography영어, SLA)는 최초로 상용화된 3D 프린팅 기술이다. 이 방식은 자외선 레이저를 사용하여 액체 상태의 광경화성 수지를 경화시켜 3차원 물체를 만든다. 1984년 8월 8일, 3D 시스템즈(3D Systems)의 척 헐(Chuck Hull)이 광중합체를 경화하는 입체 조형 제작 시스템에 대한 특허(US4575330)를 출원했다. 헐은 이 프로세스를 "형성될 객체의 단면 패턴을 생성하여 3차원 객체를 생성하는 시스템"으로 정의했다. 1986년, 척 헐은 이 시스템에 대한 특허를 받았고, 그의 회사인 3D 시스템즈 코퍼레이션이 설립되었으며, 1987년 또는 1988년에 최초의 상업용 3D 프린터인 SLA-1을 출시했다.[25]

광중합은 주로 스테레오리소그래피에서 액체로부터 고체 부품을 생산하는 데 사용된다. ''오브제 폴리젯(Objet PolyJet)'' 시스템과 같은 잉크젯 프린터 시스템은 부품이 완성될 때까지 초박막 층(16~30 μm 사이)으로 광중합체 재료를 빌드 트레이에 분사한다.[114] 각 광중합체 층은 분사 후 UV 광선으로 경화되어 후경화 없이 즉시 처리하고 사용할 수 있는 완전히 경화된 모델을 생성한다. 다중 광자 광중합에 사용되는 3D 마이크로 제작 기술을 사용하여 매우 작은 특징을 만들 수 있다. 100 nm 미만의 특징 크기는 물론 움직이는 부품과 맞물린 복잡한 구조를 쉽게 생성할 수 있다. 또 다른 접근 방식은 LED를 사용하여 고화되는 합성 수지를 사용한다.

마스크 이미지 투사 기반 스테레오리소그래피에서 3D 디지털 모델은 일련의 수평 평면으로 슬라이스된다. 각 슬라이스는 2차원 마스크 이미지로 변환된다. 그런 다음 마스크 이미지는 광경화성 액체 수지 표면에 투사되고 빛은 수지에 투사되어 레이어 모양으로 경화된다. 연속 액체 인터페이스 생산은 액체 광중합체 수지 풀로 시작한다. 풀 바닥의 일부는 자외선에 투명하여("창") 수지가 고화된다. 물체는 수지가 아래로 흐르고 물체 바닥과 접촉을 유지할 수 있을 만큼 느리게 상승한다.[115]

컴퓨티드 축 방향 리소그래피는 광경화성 수지 내에 인쇄물을 만들기 위해 컴퓨터 단층 촬영 스캔을 기반으로 하는 3D 프린팅 방법이다. 이 기술은 캘리포니아 대학교 버클리와 로렌스 리버모어 국립 연구소의 협력을 통해 개발되었다.[118][119][120] 융합 증착 모델링이나 광경화성 수지처럼 재료 층을 쌓아 모형을 만들지 않고, 수지 원통에 일련의 2D 이미지를 투사하여 물체를 생성한다.[118][120]

4. 1. 2. 디지털 광학 처리 (Digital Light Processing, DLP)

광중합은 주로 스테레오리소그래피에서 액체로부터 고체 부품을 생산하는 데 사용된다. 마스크 이미지 투사 기반 스테레오리소그래피에서 3D 디지털 모델은 일련의 수평면으로 나뉜다. 각 조각은 2차원 마스크 이미지로 변환된다. 그런 다음 마스크 이미지는 광경화성 액체 수지 표면에 투사되고 빛은 수지에 투사되어 층 모양으로 경화된다. 연속 액체 인터페이스 생산은 액체 광중합체 수지 풀에서 시작한다. 풀 바닥의 일부는 자외선에 투명한 "창"이 있어 수지가 굳는다. 물체는 수지가 아래로 흘러 물체 바닥과 접촉을 유지할 수 있을 만큼 느리게 올라간다.[115]

4. 2. 재료 압출 (Material Extrusion)

재료 압출 방식은 층을 생성하기 위해 재료를 녹이거나 부드럽게 한다. 융합 필라멘트 제작(FFF) 또는 융합 증착 모델링(FDM)은 열가소성 수지, 금속 와이어 등의 필라멘트를 가열된 압출 노즐 헤드(3D 프린터 압출기)에 공급하여 재료를 압출하고 즉시 굳혀 층을 형성하는 방식이다. FDM은 제작 가능한 모양에 약간의 제한이 있다. 다른 기술로는 층의 일부를 융합한 다음 작업 영역에서 위로 이동하여 또 다른 층의 과립을 추가하고 조각이 쌓일 때까지 이 과정을 반복하는 방식이 있다. 이 프로세스는 융합되지 않은 매체를 사용하여 생산되는 부품의 돌출부 및 얇은 벽을 지지하여 임시 보조 지지대의 필요성을 줄인다.[108]

4. 2. 1. 융합 증착 모델링 (Fused Deposition Modeling, FDM) / 융합 필라멘트 제작 (Fused Filament Fabrication, FFF)

융합 증착 모델링(FDM)이라고도 하는 융합 필라멘트 제작(FFF)은 열가소성 수지 필라멘트를 녹여 노즐을 통해 압출하여 층층이 쌓아 모델이나 부품을 만드는 방식이다. 재료는 즉시 굳어져 층을 형성하며, 작은 비드 또는 재료 흐름 형태로 압출된다. 가열된 압출 노즐 헤드(3D 프린터 압출기)는 재료의 흐름을 켜고 끌 수 있으며, 열가소성 수지, 금속 와이어 등의 필라멘트를 공급한다. FDM은 제작 가능한 모양에 약간의 제한이 있다.[108]

최근 FFF/FDM은 필라멘트 변환 과정을 거치지 않고 펠릿 형태에서 직접 3D 인쇄를 하는 방식으로 확장되었다. 이를 융합 입자 제작(FPF) 또는 융합 과립 제작(FGF)이라고 하며, 더 많은 재활용 재료를 사용할 수 있다는 장점이 있다.[109]

융합 필라멘트 제작(FFF) 3D 프린팅 기술 개략도: (a) 플라스틱 재료 필라멘트가 (b) 가열된 이동 헤드를 통해 공급되어 용융 및 압출되고, (c) 원하는 모양으로 층층이 쌓인다. (e) 이동 플랫폼은 각 층이 쌓인 후 내려가며, (d) 돌출된 부분을 지탱하기 위한 추가적인 수직 지지 구조가 필요하다.

4. 3. 분말 베드 융합 (Powder Bed Fusion)

분말 적층 용융(Powder Bed Fusion, PBF)은 분말 형태의 재료를 레이저나 전자빔으로 녹여 결합시키는 방식이다. 이 방식은 금속, 고분자[93], 세라믹[96] 등 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 복잡한 형상의 제품을 만들 수 있다는 장점이 있다. 하지만 장비 가격이 비싸고 후처리 공정이 필요할 수 있다는 단점도 있다.

분말 적층 용융 기술에는 DMLS, SLS, SLM, MJF 및 EBM 등 여러 공정이 있다.[110] 이 기술들은 금속과 고분자 모두에 적용 가능하며, 기하학적으로 복잡한 구조를 만들 수 있어[110] 3D 프린팅에 널리 활용된다.

HP는 레이저를 사용하지 않는 분말 기반 기술인 Multi Jet Fusion (MJF)을 개발했다. 잉크젯 어레이로 융합제와 디테일링제를 도포한 후 가열하여 결합, 견고한 층을 만든다.[111]

4. 3. 1. 선택적 레이저 소결 (Selective Laser Sintering, SLS)

선택적 레이저 소결(SLS)은 레이저를 사용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 분말을 소결, 결합시키는 방식이다. 분말 적층 용융 기술(PBF)에는 SLS 외에도 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 선택적 레이저 용융(SLM), MJF, 전자빔 용융(EBM) 등의 공정이 있다.[110] 이 기술들은 다양한 재료와 함께 사용될 수 있으며, 유연성 덕분에 기하학적으로 복잡한 구조를 만들 수 있다는 장점이 있다.[110]

4. 3. 2. 선택적 레이저 용융 (Selective Laser Melting, SLM)

Selective Laser Melting|셀렉티브 레이저 멜팅영어 (SLM)은 금속 분말을 레이저로 완전히 녹여 결합시키는 방식이다. SLS와 유사하지만, SLM은 분말을 소결하는 대신 고에너지 레이저를 사용하여 완전히 녹인다. 이를 통해 전통적인 방식으로 제조된 금속과 유사한 기계적 특성을 가진 완전 밀도 재료를 층층이 쌓아 만들 수 있다.

4. 3. 3. 직접 금속 레이저 소결 (Direct Metal Laser Sintering, DMLS)

직접 금속 레이저 소결(DMLS)은 금속 분말을 레이저로 소결하여 결합시키는 방식이다. 분말 적층 용융 기술(PBF)의 한 종류로, 선택적 레이저 소결(SLS), SLM, MJF, 전자빔 적층 제조(EBM) 등과 같은 여러 공정을 포함한다.[110]

4. 3. 4. 전자빔 용융 (Electron Beam Melting, EBM)

Electron Beam Melting|전자빔 용융영어(EBM)은 티타늄 합금과 같은 금속 부품을 위한 적층 제조 기술이다. EBM은 고진공에서 전자빔으로 금속 분말을 층별로 녹여 부품을 제조한다.

4. 4. 재료 분사 (Material Jetting)

재료 분사(Material Jetting영어)는 액체 상태의 재료를 잉크젯 프린터처럼 분사하여 쌓는 방식이다. 이 방식은 여러 재료를 동시에 사용할 수 있고, 정밀도가 높다는 장점이 있지만, 재료 선택의 폭이 좁고 가격이 비싸다는 단점이 있다.[24]

1971년, 표지판에 사용할 금속 문자를 만들기 위한 액체 금속 기록기 특허가 나왔다. 1984년에는 솔리드 잉크 젯팅 이미지 또는 패턴으로 투자 주조를 하겠다는 아이디어가 나왔고, 이는 1989년에 입자 증착으로 물품을 형성하는 최초의 특허로 이어졌으며, 1992년에 등록되었다.[24]

초기의 3차원 재료는 왁스 잉크였으며, 이후 저온 합금 금속이 사용되었다. 왁스와 열가소성 핫멜트가 DOD(drop-on-demand) 방식으로 분사되었다. 초기에는 매우 작은 물체를 만드는 데 사용되었으며, 주로 표지판에 사용되는 문자 및 숫자를 만드는 데 활용되었다. 1984년, 컬러 잉크(CMYK)를 사용하여 각 색상의 층을 인쇄함으로써 최초의 디지털 방식으로 형성된 레이어 물체가 만들어졌다.[24]

4. 5. 바인더 분사 (Binder Jetting)

바인더 분사(Binder Jetting) 방식은 분말 형태의 재료 층에 결합 접착제를 도포하는 3D 프린팅 기술이다. "그린" 상태의 부품은 경화 및 소결될 수 있으며, 재료는 세라믹 기반, 금속 또는 플라스틱일 수 있다.[98] 이 방식은 잉크젯 3D 프린팅으로도 알려져 있다. 부품 제작을 위해 프린터는 플랫폼 베이스 위를 이동하는 헤드를 사용하여 분말(석고, 수지)과 바인더 층을 교대로 펼치거나 도포한다. 대부분의 최신 바인더 제트 프린터는 각 바인더 층을 경화시키기도 한다. 이러한 단계는 모든 층이 인쇄될 때까지 반복된다. 이후 그린 부품은 일반적으로 오븐에서 경화되어 주어진 재료에 대한 특정 시간-온도 곡선으로 가마에서 소결되기 전에 대부분의 바인더를 제거한다.[98]

이 기술은 풀 컬러 프로토타입, 오버행 및 탄성 중합체 부품의 인쇄를 가능하게 한다. 결합된 분말 프린트의 강도는 분말 재료에 따라 왁스, 열경화성 폴리머 또는 심지어 청동과 같은 다른 호환 가능한 재료로 분말의 넥킹 또는 소결된 매트릭스 사이의 공간을 함침시켜 향상시킬 수 있다.[112][113]

4. 6. 박판 적층 (Sheet Lamination)

박판 적층(Sheet Lamination)은 얇은 판 형태의 재료(종이, 플라스틱, 금속 등)를 접착제로 붙이거나 레이저로 잘라 쌓는 3차원 인쇄 방식이다. 1990년대 일부 회사들은 특수 접착 코팅지에 이산화탄소 레이저를 사용하여 단면을 잘라내고 이를 적층하는 프린터를 출시했다.[98] 2005년 Mcor Technologies Ltd는 일반 사무용지, 텅스텐 카바이드 칼날을 사용하여 모양을 자르고 접착제를 선택적으로 도포하여 시제품을 결합하는 다른 공정을 개발했다.[127]

4. 7. 지향성 에너지 증착 (Directed Energy Deposition, DED)

지향성 에너지 증착(DED)은 금속 분말이나 와이어를 레이저나 전자빔으로 녹여 쌓는 방식이다. 이 방식은 기존 부품에 재료를 추가하거나 손상된 부품을 수리하는 데 사용될 수 있다는 장점이 있다.[132][133]

분말 공급 방식의 지향성 에너지 증착(레이저 금속 증착)은 고출력 레이저를 사용하여 레이저 빔의 초점에 공급되는 금속 분말을 녹이는 방식으로 작동한다. 레이저 빔은 증착 헤드의 중심을 통과하며 렌즈에 의해 작은 지점에 초점이 맞춰진다. 제작은 디지털 모델에서 생성된 도구 경로에 따라 X-Y 테이블에서 이루어지며, 각 층이 완성되면 증착 헤드가 수직으로 위로 이동하여 층별로 물체를 제작한다. 일부 시스템은 5축[128][129] 또는 6축 시스템[130] (예: 관절 암)을 사용하여 공간적 접근 제한이 거의 없이 기판(프린팅 베드 또는 기존 부품)에 재료를 공급할 수 있다.

금속 분말은 헤드 원주 주위에 공급 및 분산되거나, 내부 매니폴드에 의해 분할되어 증착 헤드 주위에 다양한 구성으로 배열된 노즐을 통해 공급될 수 있다. 산화를 제한하고 재료 특성을 더 잘 제어하기 위해, 불활성 가스로 채워진 밀폐된 챔버 또는 국소 불활성 보호 가스(때로는 둘 다 결합)가 용융 풀을 대기 중의 산소로부터 보호하는 데 사용된다.

분말 공급 방식의 지향성 에너지 공정은 선택적 레이저 소결과 유사하지만, 금속 분말은 해당 시점에 부품에 재료가 추가되는 곳에만 투사된다는 차이점이 있다. 레이저 빔은 기판에서 "용융 풀"을 가열하고 생성하며, 이 용융 풀에 새로운 분말이 거의 동시에 주입된다. 이 공정은 티타늄, 스테인리스강, 알루미늄, 텅스텐 및 기타 특수 재료뿐만 아니라 복합 재료 및 기능성 구배 재료를 포함한 광범위한 재료를 지원한다.

이 공정은 새로운 금속 부품을 완전히 제작할 수 있을 뿐만 아니라 코팅, 수리 및 하이브리드 제조 응용 분야와 같이 기존 부품에 재료를 추가할 수도 있다. 레이저 엔지니어드 넷 셰이핑(LENS)은 샌디아 국립 연구소에서 개발한 분말 공급 방식의 지향성 에너지 증착 공정의 한 예이다.[132][133]

레이저 기반 와이어 공급 시스템(예: 레이저 금속 증착-와이어(LMD-w))은 노즐을 통해 와이어를 공급하며, 노즐은 개방된 환경(레이저를 둘러싼 가스) 또는 밀폐된 챔버 내에서 불활성 가스 차폐를 사용하여 레이저에 의해 녹는다. 전자빔 자유형 제조는 진공 챔버 내부에서 전자빔 열원을 사용한다.

또한, 3D 스테이지에 부착된 기존의 가스 금속 아크 용접을 사용하여 강철, 청동 및 알루미늄과 같은 금속을 3D 프린팅하는 것도 가능하다.[134][135] 저비용 오픈 소스 RepRap 스타일 3D 프린터는 아두이노 기반 센서를 장착했으며 기존의 용접 와이어를 원료로 사용하여 합리적인 야금 특성을 입증했다.[136]

5. 활용 분야

3D 프린터는 여성 경찰 보호복 패턴 개발,[222] 용접, 정형외과 분야 등에서 유용하게 사용되고 있다. 또한, 경량 구조,[54] 보철,[56] 생체 인쇄,[57] 식품 산업,[58] 로켓 제작,[59] 디자인 및 예술,[60] 재생 에너지 시스템[61] 분야에도 활용되고 있다.

3차원 인쇄는 제조, 의료, 산업 및 사회 문화 부문에서 사용되어 왔으며,[143] 최근에는 인도주의 및 개발 분야에서 의료 용품, 보철물, 예비 부품 및 수리 생산에도 사용되고 있다.[144]

2005년부터 학술 저널에서 3차원 인쇄 기술의 예술적 응용 가능성을 보고하기 시작했다. 2017년 현재, 가정용 3차원 인쇄는 취미 애호가와 매니아를 넘어 소비자에게 다가가고 있으며, 여러 회사에서 가정용 3차원 프린터를 개발하고 있다. 가격 하락과 품질 향상으로, 전 세계적으로 약 200만 명이 취미용으로 3차원 프린터를 구매한 것으로 추정된다.[184]

5. 1. 산업

3차원 인쇄는 시제품 제작, 금형 제작, 맞춤형 부품 생산 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 특히, 자동차, 항공우주, 조선 산업에서 복잡한 형상의 부품을 빠르고 효율적으로 제작하는 데 사용된다.[156]

분야내용
자동차 산업
항공우주 산업
기타



아우디 RSQ는 신속한 프로토타입 산업용 KUKA 로봇을 사용하여 제작되었다.


3D 프린팅된 제트 엔진 모형

5. 2. 의료

3D 프린팅 기술은 환자 맞춤형 보철물, 임플란트, 수술 가이드 및 기타 의료기기 제작에 널리 활용되고 있다.[158][159] 특히, 금속 정형외과 임플란트의 경우 3D 프린팅을 통해 골유착을 돕는 다공성 표면 구조를 만들 수 있어 대량 생산에 활용이 증가하고 있다. 또한, 보청기 및 치과 산업에서도 맞춤형 제작이 가능한 3D 프린팅 기술이 활발하게 도입되고 있으며, 앞으로 더 큰 발전이 기대된다.

1990년대 중반, 뼈 재건 수술 계획을 위한 해부학적 모델링에 3D 프린팅 기술이 처음 사용되기 시작했다.[158] 이후 환자 개개인에게 최적화된 맞춤형 임플란트 제작으로 이어졌으며,[158] 전치환술, 두개악안면 재건 등 다양한 수술 분야에서 3D 프린팅 기반의 수술 가이드 및 가상 계획이 성공적으로 적용되었다.[159] 예를 들어, 미시간 대학교에서는 기관 연화증을 앓는 신생아를 위한 생체 흡수성 기관 스플린트를 3D 프린터로 제작하여 치료에 성공한 사례가 있다.[160]

3D 바이오프린팅영어 기술은 인공 장기 및 조직 제작 연구에 활용되는 또 다른 중요한 분야이다. 여러 생명 공학 기업과 학계에서는 잉크젯 프린팅 기술을 응용하여 살아있는 세포를 젤 형태의 배지나 설탕 매트릭스에 층층이 쌓아 혈관을 포함한 3차원 구조를 만드는 연구를 진행해 왔다. 이러한 기술은 유전자 치료에 사용되는 줄기 세포를 이식하여 인체에 필요한 새로운 조직과 장기를 생성하는 방법으로도 주목받고 있다.[161] 2018년에는 3D 프린팅 기술을 활용하여 발효 과정에서 세포 고정을 위한 매트릭스를 최초로 제작하는 데 성공했다. 3D 프린팅된 나일론 비드에 ''Propionibacterium acidipropionici''를 고정하여 프로피온산 생산을 촉진하는 연구 결과는 다른 발효 생물 공정에도 적용 가능성을 보여주었다.[162]

3D 프린팅은 제약 분야에서도 활발히 연구되고 있다. 적층 제조 기술은 기존의 제약 기술로는 불가능했던 새로운 제형 개발을 가능하게 한다.[163] 특히, 융합 증착 모델링 (FDM) 방식은 환자 개개인의 특성에 맞춘 개인 맞춤형 의약품 제조를 가능하게 하여, 가까운 미래에는 병원 및 약국에서 3D 프린터를 통해 환자 맞춤형 제형을 생산할 수 있을 것으로 예상된다.[164][165]

코로나19 범유행 기간 동안에는 개인 소유의 3D 프린터를 활용하여 부족한 개인 보호 장비 (예: 안면 보호대 프레임)를 생산하는 등 의료 장비 제작에도 3D 프린팅 기술이 활용되었다.

5. 3. 교육

3D 프린팅은 교실에 도입되는 최신 기술 중 하나이다.[166][167][168] 고등 교육 기관은 데스크톱 및 전문 3D 프린터를 주로 구매하고 있으며, 업계 전문가들은 이를 긍정적인 지표로 평가한다.[169] 일부 연구자들은 3D 프린터가 STEM 교육에 전례 없는 "혁명"을 가져올 것이라고 주장한다.[170][171] 이러한 주장의 근거는 학생들이 교실에서 신속한 프로토타입 제작을 저렴하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 오픈 하드웨어 설계를 통해 저렴하고 고품질의 과학 장비를 제작하여 오픈 소스 연구소를 구축할 수 있다는 점이다. 전 세계 도서관에서도 교육 및 지역 사회 접근을 위해 소형 3D 프린터를 설치하고 있다.[172] 미래에는 3D 프린팅을 활용하여 오픈 소스 과학 장비를 제작할 수도 있을 것이다.

5. 4. 패션 및 디자인

3차원 인쇄는 의류 분야에도 진출하여, 패션 디자이너들이 3D 프린팅 비키니, 신발, 드레스 등을 실험하고 있다. 상업 생산에서 나이키는 2012년 미국 풋볼 선수들을 위한 Vapor Laser Talon 축구화를 시제품 제작하고 생산하기 위해 3D 프린팅을 사용했으며, 뉴발란스는 운동선수들을 위한 맞춤형 신발을 3D로 제작했다.

3D 프린팅 목걸이


3D 프린팅은 기업들이 주문형 맞춤형 피팅과 스타일의 소비자 등급 안경을 인쇄할 수 있는 단계까지 이르렀다(렌즈는 인쇄할 수 없지만). 안경의 주문형 맞춤화는 신속한 프로토타입 제작으로 가능하다.

5. 5. 식품

식품의 적층 제조는 음식을 층층이 쌓아 3차원 물체로 만드는 방식으로 개발되고 있다. 초콜릿, 사탕, 크래커, 파스타, 피자[145][146]와 같은 다양한 식품을 3D 프린터로 만들 수 있다. NASA는 음식물 쓰레기를 줄이고 우주 비행사의 식단 요구에 맞는 식품을 만들기 위해 3D 프린팅 식품 기술을 연구하고 있다.[147] 2018년, 이탈리아 생물 공학자 주세페 시온티는 맞춤형 3D 바이오프린터를 사용하여 육류의 질감과 영양 가치를 모방한 섬유질 식물성 육류 유사체를 생산하는 기술을 개발했다.[148][149]

5. 6. 건축

3차원 인쇄는 건축 분야에서 다양하게 활용되고 있다.[222] 건축 모형 제작, 건축 부재 생산, 건설 자동화 등 여러 분야에서 쓰이고 있다. 특히 복잡한 형태의 건축물을 만들거나 건설 폐기물을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.

적층 제조 또는 3차원 인쇄 기술은 디자인 자유도, 개별화,[50] 분산화[51] 등의 장점을 가지며, 기존의 다른 방식으로는 불가능했던 과정을 실행할 수 있게 한다.[52] 이러한 장점은 더 빠른 프로토타입 제작, 제조 비용 절감, 제품 사용자 정의 증가, 제품 품질 향상 등을 가능하게 한다.[53]

3차원 인쇄는 고정밀도와 정확도로 복잡한 형상을 생산할 수 있다는 장점이 있다.[62] 또한, 적층 제조 공정은 불필요한 재료를 잘라내는 기존의 방법과 달리, 필요한 부분에만 재료를 추가하여 폐기물을 최소화한다.[64] 이는 재료 비용과 환경 영향을 모두 줄여준다.[65]



2018년에는 이란 국립 은행의 구조를 3D 프린팅으로 재현하는 프로젝트가 진행되었다. 전통적인 측량 방식으로 구조를 측량하고, 컴퓨터 그래픽 소프트웨어(특히 Cinema4D)로 모델링한 후, 3D 프린팅에 최적화하는 과정을 거쳤다.

세계 최초의 3D 프린팅 강철 다리가 2021년 7월 암스테르담에서 공개되었다. Oudezijds Achterburgwal 운하 위 12미터를 가로지르는 이 다리는 4,500kg 이상의 스테인리스강을 사용하여 로봇 팔로 프린팅되었으며, 완성하는 데 6개월이 걸렸다.[180]

5. 7. 문화/예술

3차원 인쇄는 문화/예술 분야에서 다음과 같이 활용되고 있다.

  • 문화재 복원: 3D 스캔 기술과 결합하여 손상된 문화재를 복원한다. 예를 들어, 유럽 및 북미 박물관들은 3차원 프린터를 사용하여 볼리비아의 티와나쿠 유물과 같은 고고학적 기념물의 분실된 조각들을 재현하고 있다.[174][175]
  • 예술 작품 제작: 3차원 인쇄를 통해 새로운 형태의 예술 작품을 창작할 수 있다. 모레흐신 알라야리는 2014년 ISIL(ISIS) 무장단체에 의해 파괴된 이란 문화 유물을 3차원 모델링 소프트웨어를 사용하여 재구성하기도 했다.[178]
  • 박물관 전시품 제작: 메트로폴리탄 미술관과 대영 박물관은 3차원 프린터를 사용하여 박물관 상점에서 판매하는 기념품을 제작한다.[176] 국립 군사 역사 박물관과 바르나 역사 박물관과 같은 다른 박물관들은 Artec 3D 스캐너를 사용하여 생성된 유물의 디지털 모델을 3차원 인쇄에 적합한 파일 형식으로 Threeding 온라인 플랫폼을 통해 판매하여 누구나 집에서 3차원 인쇄를 할 수 있도록 하고 있다.[177]


6. 사회적 영향

3D 프린터의 보급은 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산 방식을 벗어나 어떤 형태의 제품도 만들 수 있게 함으로써 제4차 산업혁명으로 불린다. 의료, 가정용품, 자동차, 비행기 등 다양한 분야에서 3D 프린터 활용이 연구되고 있다.[223]

3D 프린팅은 제조, 의료, 산업 및 사회 문화 부문에서 성공적인 상업 기술을 만드는 데 사용되어 왔다.[143] 또한 인도주의 및 개발 분야에서 의료 용품, 보철물, 예비 부품 및 수리 생산에도 활용되고 있다.[144] 초기에는 신속한 프로토타입 제작과 같이 리드 타임과 비용을 줄이는 공구실 작업에 주로 사용되었으나, 2010년대에는 생산 라인에 본격적으로 도입되기 시작했다.

적층 제조 옹호자들은 기술 발전이 세계화에 반하는 영향을 줄 것이라고 예측한다. 최종 사용자들이 직접 제조를 수행하면서 무역 의존도가 낮아질 것이기 때문이다. 그러나 새로운 적층 기술은 기존의 감산 방식을 완전히 대체하기보다는 보완하는 방식으로 통합될 가능성이 크다.

미래학자 제러미 리프킨[193]은 3D 프린팅이 19세기 후반부터 제조를 지배해 온 생산 라인 조립을 잇는 제3차 산업 혁명의 시작을 알린다고 주장했다.[194]

빈트후크 나미비아의 3D 프린팅 광고 거리 표지판, 2018년 7월


1950년대부터 많은 작가와 사회 평론가들은 적층 제조 기술의 사회적, 문화적 변화에 대해 추측해 왔다. 3D 프린팅은 특허, 의장권, 저작권, 상표 등 지식 재산권과 관련된 문제를 야기할 수 있다. 3D 프린터로 만든 제품을 배포하거나 판매하는 것은 지식 재산권 침해에 해당할 수 있지만, 이에 대한 명확한 판례는 아직 부족하다. 지식 재산권 소유자에게 라이선스를 요청해야 할 수도 있지만, "사적" 또는 "비상업적" 사용은 예외로 인정될 수 있다.

특허는 일반적으로 출원일로부터 20년, 저작권은 저작자 사후 70년까지 유효하다. 기능적, 예술적 특징을 모두 가진 제품의 경우, 미국 법원은 기능과 예술적 측면을 분리할 수 없으면 저작권 보호를 인정하지 않는 경향이 있다.

공유 기반 피어 생산과 3D 프린팅의 결합은 범위의 경제를 발전시켜 지속 가능하고 맞춤화된 생산성을 이끌 수 있다는 주장도 있다. 그러나 고급 나노 물질 재활용, 무기 제조, 위조, 지식 재산권 침해 등 여러 문제점도 제기된다.

6. 1. 긍정적 측면

3차원 인쇄는 디자인 자유도, 개별화, 분산화를 가능하게 하여 기존에는 불가능했던 제조 방식을 실현한다.[50][51][52] 이를 통해 더 빠른 시제품(프로토타입) 제작, 제조 비용 절감, 제품 맞춤화 증가, 제품 품질 향상 등이 가능하다.[53]

3차원 인쇄 기술은 경량 구조물,[54] 보철,[56] 생체 인쇄,[57] 식품 산업,[58] 로켓 제작,[59] 디자인 및 예술,[60] 재생 에너지 시스템[61] 등 다양한 분야에 활용되어 기존 제조 방식의 한계를 극복하고 있다. 특히, 3차원 인쇄는 고정밀도와 정확도로 복잡한 형상을 만들 수 있어, 마이크로파 공학 분야에서 기존 방식으로는 만들기 어려운 특성을 가진 부품 제작에 유용하다.[62][63]

또한, 3차원 인쇄는 필요한 부분에만 재료를 추가하여 불필요한 재료 낭비를 최소화한다.[64] 이는 재료 비용과 환경 영향을 줄이고, 재료 생산 및 폐기에 필요한 에너지 소비를 줄여 탄소 발자국 감소에도 기여한다.[65][66][67]

미래학자 제러미 리프킨[193]은 3차원 인쇄가 생산 라인 조립 방식을 잇는 제3차 산업 혁명의 시작이라고 주장했다.[194] 3차원 인쇄는 인도주의 및 개발 분야에도 영향을 미치고 있다. 분산 제조를 통해 운송, 창고 보관, 낭비의 필요성을 줄여 공급망 및 물류에 이점을 제공하고, 지역 생산 경제를 만들어 사회 경제적 발전을 이끌고 있다.[144]

일부 전문가들은 3D 프린터의 확산이 가정과 직장 간의 관계를 약화시키고, 고속 화물 서비스의 필요성을 줄일 수 있다고 예측한다. 또한, 공유 기반 피어 생산과 3D 프린팅의 결합은 범위의 경제를 발전시켜 사회 전체를 더욱 지속 가능하고 맞춤화된 생산성의 단계로 이끌 수 있다고 주장한다.

래리 서머스는 3D 프린팅이 루틴 작업을 수행하는 사람들에게 "파괴적인 결과"를 가져올 수 있다고 언급하며, 부의 집중을 완화하기 위한 정책적 노력을 권장했다. 마이클 스펜스는 3D 프린팅을 포함한 디지털 기술이 노동력을 대체하고 탈중개화를 가속화할 것이라고 예측하며, 이에 적응하기 위한 사고방식, 정책, 투자 등의 변화가 필요하다고 주장했다.

나오미 우는 3D 프린팅을 데스크톱 퍼블리싱 혁명과 비견하며, 중국 교실에서 디자인 원리와 창의성을 가르치는 데 활용되는 사례를 언급했다.[195] 2024년에는 후안 페르난데스 여성 그룹에 프린터가 기증되어 외딴 지역 여성들이 장비 수리에 필요한 부품을 직접 제작할 수 있게 되었다.[196]

6. 2. 부정적 측면

3D 프린터는 이론상 어떠한 물건도 만들 수 있어, 총기류와 같은 위험한 물건을 제작하여 규제를 무력화할 수 있다는 우려가 있다.[223] 2013년 미국에서는 3D 프린터로 제작한 권총 시험 발사가 성공했고, 설계 도면이 온라인에 공개되어 논란이 되었다. 미국 국무부는 설계도 공개를 금지했지만, 이미 10만 건 이상 다운로드된 후였다.[224] 2014년 일본에서는 3D 프린터로 권총을 제조 및 소지한 대학 직원이 체포되기도 했다.[225]

미국 국토안보부와 합동 지역 정보 센터는 3D 프린팅 파일 공유의 규제 어려움으로 인해, 총기 구매 자격이 없는 사람들이 3D 프린팅 총기를 획득하여 공공 안전에 위협을 줄 수 있다고 경고했다.

3D 프린팅은 특허, 의장권, 저작권, 상표 등 지식 재산권과 관련된 새로운 법적 문제를 야기할 수 있다. 3D 프린터로 만든 제품의 배포나 판매는 지식 재산권 침해에 해당할 수 있으며, 이에 대한 명확한 판례는 아직 부족하다.

미래학자 제러미 리프킨[193]은 3D 프린팅이 제3차 산업 혁명의 시작을 알린다고 주장했지만,[194] 일자리 감소와 소득 불평등 심화 등 경제적 불균형을 초래할 수 있다는 우려도 제기되고 있다. 래리 서머스는 3D 프린팅과 같은 기술이 단순 반복 업무를 하는 사람들에게 "파괴적인 결과"를 가져올 수 있다고 언급하며, 소득 불평등 심화에 대한 대책 마련을 촉구했다.

7. 3D 프린터의 안전성 문제

3D 프린터의 발달로 인해 3D 프린팅의 건강 및 안전 문제에 대한 연구가 새롭게 대두되고 있다. 유럽 ​​노동 안전 보건청은 2017년에 3D 인쇄와 관련된 프로세스 및 재료, 산업 안전 기술의 함의를 논의하고 위험 요소를 제어 할 수 있는 방법을 다룬 논문을 출간했다. 대부분 가스 및 특정 물질의 노출 정도, 특히 나노 물질, 정전기, 움직이는 부품 및 압력에 초점을 맞추고 있다.[215]

미국 국립 산업안전보건연구원(NIOSH) 연구에 따르면 융합 필라멘트의 입자 방출은 인쇄 시작 후 몇 분 뒤 최고점에 이르렀으며 인쇄가 끝난 뒤 100분 후 기준선 수준으로 되돌아갔다. 융합 필라멘트 프린터의 배출물에는 수많은 극미세 입자 및 휘발성 유기 화합물(VOC)이 포함될 수 있다고 밝혀졌다.[216]

배출물의 독성은 입자 크기, 화학적 성질, 방출 입자의 양 및 원료에 따라 다르다. VOC에 과도하게 노출되면 눈, 코, 목구멍의 통증을 유발하며, 두통, 조정 능력 상실, 메스꺼움 및 천식과도 관련이 있다.[216][217] 동물 연구에 따르면 융합 필라멘트 프린팅에 사용되는 탄소 나노 튜브 및 탄소 나노 섬유는 나노 입자 크기에서 염증, 육아종 및 폐 섬유증을 유발할 수 있다고 밝혀졌다.

탄소 나노 입자 배출 및 분말 금속을 사용하는 공정은 가연성이 높아 분진 폭발 위험을 높인다.[218] 실제로, 융합 필라멘트 인쇄에 사용된 금속 분말로 인한 폭발로 심각한 부상을 입은 사례도 있었다.[219] 기타 안전 문제로는 UV 램프 및 인쇄 헤드의 발열 문제, UV 램프의 고전압, 자외선 및 움직이는 부품으로 인한 기계적 부상의 가능성이 있다.[220]

건강과 안전에 대한 위험 요인은 인쇄 작업이 끝난 후 처리 작업에서부터 존재한다. 이러한 후처리 활동에는 인쇄된 형상을 수정하기 위한 드릴링, 밀링 또는 선삭과 같은 일반적인 감산(subtractive) 제조 기술뿐만 아니라 화학 약욕, 샌딩(sanding), 연마 또는 표면 마감을 정련하기 위한 증기 노출도 포함된다.[221] 마스크 또는 보호경과 같이 적절한 개인 보호 장비를 사용하지 않으면 인쇄된 작업물에서 분진을 제거하는 과정에서 호흡기에 흡입되거나 눈에 상해를 입힐 수 있는 입자에 노출될 위험이 있다.

8. 관련 기업

미국의 스트라타시스(Stratasys)는 3D 프린터 업계 선두로 알려져 있다.[226] 미국의 3D 시스템즈(3D Systems) 또한 3D 프린터 관련 기업으로 잘 알려져 있다.

HP는 기존 프린터 업계의 강자로, 3D 프린터에도 많은 관심을 보이며 2013년경부터 시장 진출을 선언했다. 2014년, HP의 멕 휘트먼 CEO는 기존 3D 프린터의 느린 속도 등 여러 단점을 보완한 자사 제품을 출시할 것이라고 발표했다.[227]

2014년 미국에서 설립된 카본3D는 기존의 적층 구조 방식을 벗어난 새로운 형식의 3차원 인쇄 방식을 선보였다. 이 기술은 폴리머가 빛을 만나면 굳고, 산소를 만나면 굳는 현상이 방해받는 성질을 이용한다. 기술 개발자인 조셉 드시몬 교수는 이 기술을 'CLIP'이라고 명명했다.[228]

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