3차원 인쇄(영어: 3D printing)[1]는 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 제조 기술이다.

3차원 프린터는 밀링 또는 절삭이 아닌, 기존 잉크젯 프린터에서 쓰이는 것과 유사한 적층 방식으로 입체물로 제작하는 장치를 말하며, 컴퓨터로 제어되기 때문에 만들 수 있는 형태가 다양하고 다른 제조 기술에 비해 사용하기 쉽다.[2] 단점으로는 현재 기술로는 제작 속도가 매우 느리다는 점과,[3] 적층 구조로 인해 표면이 매끄럽지 못하다는 점 등이 있다.

3차원 인쇄 기술은 제 3의 산업혁명으로 불리며, 산업 전반에 걸쳐 제조 기술의 큰 변화를 가져올 것으로 예상되고 있다.[4]

역사

1981년 일본 나고야 시 공업 연구소의 고다마 히데오(小玉秀男)가 처음 이론화했고 1986년 미국의 척 헐(Chuck Hull)이 특허를 얻어 설립한 3D 시스템스(3D Systems)사에서 처음으로 제품화하였다.[5][6]

아직 해결해야 할 문제

아직 기술적으로 완전히 완성된 것이 아닌 3D프린터는 아직 해결해야 할 문제들을 갖고 있는데 그중에 대표적으로 인쇄되어 나올 때 휘어짐 현상이 있는데 이 휘어짐 현상이 해결되려면 인쇄 원리 자체가 바뀌어야 하기에 바로 해결될 문제가 아니라고 한다.[출처 필요]

3D 프린터의 다양한 활용분야

3D프린터의 실제 개발된 사례를 보자면 여경만을 위한 여성경찰보호복 패턴을 개발하는데 쓰였는데 이는 3D프린터가 아니라면 개발될 수 없었을 것이다. 이 뿐만 아니라 옷의 패턴개발에 많은 발전이 있을 뿐만 아니라 또 하나를 보자면 용접이나 정형외과 분야에서도 3D프린팅 기술을 유용하게 사용을 할 수 있다[출처 필요] 건축 분야에도 활용되고 있다.[7]

작동 원리

종류

일반적으로 가공방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

  • 적층가공(additive manufacturing) – 가루나 액체 형태의 재료를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 방식이다. 비교적 복잡한 모양을 만들 수 있고, 제작과 채색을 동시에 진행할 수 있다는 장점도 있다. 다만 완성품의 표면이 매끄럽지 못하여 품질이 상대적으로 떨어진다.
  • 절삭가공(subtractive manufacturing) – 재료를 공구로 깎아가며 모양을 만드는 방식으로, 비교적 매끄럽게 인쇄할 수 있지만 컵 같은 모양은 날이 들어가지 않아 만들기 어렵다.

3차원 인쇄는 적층가공 방식에 속한다.

제작 프로세스

  1. 모델링(modeling): 일반적으로 CAD 또는 3차원 모델링 소프트웨어를 이용하여 3차원 데이터를 완성하며, 3D 스캐너를 이용해 3차원 데이터를 얻을 수도 있다. CAD와 기기 간의 표준 데이터 인터페이스는 일반적으로 STL 파일 형식이다. 3D 스캐너로 생성된 파일은 보통 PLY 파일 형식을 쓴다.
  2. 프린팅(printing): 기계가 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.
  3. 마무리(finishing): 인쇄된 결과물에 대해서는 필요할 경우 마무리 공정이 추가되기도 한다. 사포로 연마하거나, 색칠하거나, 인쇄된 파트들을 조립하는 공정이 추가될 수 있다.

해상도

3D 프린터는 기존 잉크젯과 동일한 구동 방식을 이용해 적층 방식으로 찍으므로, XY축 해상도와 함께 각 층의 두께로 해상도가 정해진다. 즉 한 층의 두께와 XY축의 해상도를 dpi(dots per inch)로 표현하게 된다. 2013년 현재 기술로는 일반적으로 한 층에 100µm정도 되고 어떤 기기들은 16µm정도까지도 표현하기도 한다. XY해상도는 50~100µm정도이다.

사회적 영향

3D 프린터의 보급이 제 3의 산업혁명으로 불리는 이유는, 기계 절삭 및 성형 등 기존의 생산 방식을 탈피하여 일괄된 방식으로 어떤 형태의 제품도 만들어낼 수 있기 때문이다. 치과 등의 의료 분야는 물론, 각종 가정용품을 비롯해 자동차나 비행기 등에 쓰이는 기계장치도 3D 프린터에 의한 생산이 가능하다. 이미 자동차 업계에서는 엔진 등 핵심 부품을 3D 프린터로 만들어내는 공정을 연구하고 있다.[8]

3D 프린터는 이론상 어떠한 물건도 만들어낼 수 있기 때문에, 각종 살상용 무기도 만들 수 있으며, 따라서 총기 등의 규제가 무력화될 수 있다는 우려를 낳고 있다. 그러하기에 정부차원에서 개인용 3d 프린터에 관한 안전지침을 만들어 알리는 것이 중요하다.[출처 필요]

2013년 5월 4일 미국에서는 디펜스 디스트리뷰티드라는 회사가 세계 최초로 3D 프린터로 제작한 권총의 시험 발사를 성공시켜 주목받았다. 이 회사는 3D 프린터 권총의 설계도면을 온라인에 공개했고, 이것이 논란이 되자 미국 국무부는 설계도면의 공개를 금지했다. 그러나 이미 다운로드 횟수는 10만건을 돌파한 후였다.[9]

2014년 일본에서는 3D 프린터로 찍어낸 권총을 5정 제조하여 소지하고 있던 대학 직원이 경찰에 체포되는 사건이 있었다.[10] 일본은 총기 소유가 불법이기 때문에 사회에 미친 충격은 더 컸다.

관련 기업

3D 프린터를 생산하는 관련기업으로는 나스닥 상장기업인 미국의 스트라타시스(Stratasys)가 업계 선두로 알려져 있다.[11] 그 외에 뉴욕거래소 상장기업인 3D 시스템즈(3D Systems) 등의 회사가 미국에서 잘 알려진 3D 프린터 관련 기업이다.

3D 프린터는 기존의 프린터 업계 강자인 HP에서도 많은 관심을 보이며, 2013년경부터 시장 진출을 선언해왔다. HP의 멕 휘트먼 CEO는 기존 3D프린터의 느린 속도 문제를 포함한 여러 단점들을 보완하여 자사의 제품을 내놓을 것이라고 2014년 발표한 바 있다.[12]

관련 공정

Type Technologies Materials
압출 가공(extrusion) 압출 적층 조형(Fused deposition modeling, FDM) 열가소성 수지 (e.g. PLA, ABS), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), eutectic metals(공융 금속), edible materials(식용 물질)
실(Wire) Electron Beam Freeform Fabrication) (EBF3) 대부분의 금속 합금
알갱이(Granular) 직접 금속 레이저 소결(Direct metal laser sintering) (DMLS) 대부분의 금속 합금
전자빔 용해(Electron beam melting) (EBM) 티타늄 합금들
선택적 레이저 용해(Selective laser melting) (SLM) 티타늄 합금, 코발트 크롬 합금(Cobalt Chrome alloys), 스테인레스강, 알루미늄
선택적 열 소결(Selective heat sintering) (SHS) 열가소성 수지 분말(Thermoplastic powder)
선택적 레이저 소결(Selective laser sintering) (SLS) 열가소성 수지, 금속 분말, 세라믹 분말
잉크젯 헤드와 분말 상자기반 3D 프린팅([Powder bed and inkjet head 3d printing),석고기반 3D 프린팅 Plaster-based 3D printing (PP) 석고
적층(Laminated) 적층 제조 방식(Laminated object manufacturing) (LOM) 종이, 금속박, 플라스틱 필름
광 중합(Light polymerised) 광경화수지 조형방식(Stereolithography) (SLA) 광경화성 수지(photopolymer)
마스크 투영 이미지 경화(Digital Light Processing) (DLP) 광경화성 수지(photopolymer)

같이 보기