프린터의 역사

프린터의 작동방식, 종류, 가격 및 3d프린터의 개발로 바라본 프린터의 발전 방향

Category: 프린터의 발전방향

프린터의 발전방향

3D프린터 종류

3D 프린팅 기술소개
3D프린팅 기술이란, “컴퓨터 내에서 작업된 3차원 모델링 데이터를 직접 손으로 만질 수 있는 물리적인 형상으로 빠르게 제작하는 기술”로 정의 할 수 잇다. 즉 최초의 시작품 (Prototype, working mock-up)을 빠르게 제작하는 기술이다.
조형공정상의 가장 큰 특징으로는 재료를 한층 한층(layer by layer) 순간적으로 적층하여 형상을 조형하는 첨가가공(Additive Manufacturing)의 범주에 있다는 것이다. 이는 소재자체를 공구에 의해 절삭하여 형상을 제작하는 공제가공(Subtractive Process)과는 반대의 의미를 가지고 있다. 조형능력면에서는 공제가공의 경우 공구간섭으로 제작 가능한 형상에 한계가 있지만, 첨가가공에 속하는 3D프린팅기술의 경우 모델링 된 어떤 3D 형상도 제작이 가능하다.
3D프린터의 기술적 분류
광경화 적층 방식
(Photo Curing Process)
레이저 빔이나 강한 자외선(UV에 반응하는 광경화성 액상 수지(Photo Curing resin)를 경화시켜 모형을 만드는 방식이다. 대표적인 시스템으로 중국 Shanghai Unioin Technology사의 SLA, 미국 3D Systems사의 SLA, 일본 CMET사와 MEIKO사의 SLA, 이탈리아 DWS사의 SLA, 독일 Envisiontec 사의 DLP 등이 있다
레이저 소결 적층 방식
(Laser Sintering Process)
레이저 빔으로 분말 상태의 소결제를 포함한 플라스틱, 우리, 모래, 금속(알루미늄, 코발트 크롬, 티타늄, 스테인레스) 등을 녹여 형상을 조형하는 방식이다. 대표적인 시스템으로 미국 3D Systems사의 SLS, EOS사 SLS 등이 있다
수지 압출 적층 방식
(Extrusion Process)
열에 녹는 와이어(Wire) 형태의 가소성 수지 또는 왁스(WAX) 상태의 재료를 사출 헤드(Extrusion head)로 연속적으로 압출(밀어내어)하여 형상을 제작해 가는 방식이다. 미국 Stratasys사의 FDM, Makerbot방식, 3DSystems사의 Cube이 대표적이다.
잉크젯 적층 방식
(Inkjet Printing Process)
가정에서 사용하는 컬러 잉크젯 프린터와 원리는 비슷하다. 잉크젯 프린터처럼 프린터 헤드의 노즐에서 액체상태의 컬러 잉크와 바인더라는 경화물질을 분말 상태의 재료에 분사하여 형상을 제작해가는 방식이며 3DSystems사의 CJP 방식이 대표적인다. 이외에도 조형판에 재료를 직접 분사하여 자외선으로 경화시켜 제작하는 방식도 잉크젯 방식의 범주에 포함된다. 3DSystems사의 MJM, Objet사의 PolyJet 방식이 대표적이다.
폴리젯 적층 방식
(Polyjet Process)
Photopolymer jetting 방식이라고도 한다. 프린터 헤드에 있는 수백 개의 미세 노즐에서 재료를 분사함과 동시에 자외선으로 경화시켜 형상을 제작하는 방식이다. 광경화 방식과 잉크젯 방식의 혼합형이다. Objet사의 Polyjet 또는 3DSystems사의 Multijet 방식이 대표적이다.
박막 적층 방식
(Lamination Process)
마분지와 같은 얇은 두께의 종이판이나, 롤 상태의 PVC 라미네이트 (Laminate-얇은 판 모양), 시트(Sheet)와 같은 재료를 CO2레이저나 나이프 에지와 같은 정밀커터로 자른 후 열로 가열 접착하여 형상을 제작하는 방식으로 미국 큐비탈사의 LOM, 일본 KIRA사의 PLT, 이스라엘 Solido사의 PSL시스템이 있다.
SL (Stereolithography) 조형 공정
액형 기반 RP 시스템 공정인 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식은 Photomasking 방법과 함께 가장 대표적인 광조형과정(Photolithography) 중의 하나로 빛에 반응하는 아크릴이나 에폭시 계열의 광경화성 수지(Photocurable resin)가 들어있는 수조(Vat)에 레이저(Laser) 빔을 주사하여 원하는 모델을 조형한다. 이때 조형 파트들은 위 아래로 움직이는 작업대 위에 만들어지게 되며, 한 층 한 층 두께가 만들어 질 때마다 한 층 두께(약 0.025~0.125)만큼 밑으로 내려가면서 다시 레이저(Laser)를 주사하게 된다. 이때 수지의 표면 평탄화와 재료 코팅은 리코터(Recoater)의 수평 날에 의해 이루어진다. 이러한 일련의 반복 작업이 파트가 완성 될 때까지 계속된다.
DLP(Digital Light Processing) Process
Envisiontec사의 Perfactory 장비들은 1997년 미국 텍사스 인스트루먼트 (TI : Texas Instruments)사의 Dr. Larry Hornbeck에 의해 개발된 첨단 디지털 광처리 기술인 DLP(Digital Light Processing) Process 공정으로 모델을 조형한다. DLP는 우리가 흔히 영화 상영이나 사무실의 프리젠테이션 시 사용하는 DLP프로젝터(투영기)에 사용되는 기술과 거의 동일하다. 우선 3D CAD로 제작된 슬라이싱 데이터를 레이어별 각각의 그림데이터(Bitmap)로 전환하여 소프트웨어 상에서 디지털마스크(Digital Mask)를 생성 후 DLP Projection 장치에서 고해상도의 프로젝션광으로 광경화수지(Protopolymer Resin)에 마스크 투영(Digital Mask Projection)하여 모델을 조형하는 원리이다. DLP 기술의 핵심은 130~150만개의 초미세거울 (0.01mm×0.01mm)로 구성된 광학 반도체인 DMD (Digital Mirror Device)칩에 있다. 이 미세거울들은 전기적 신호에 따라 초당 5000회까지 독립적으로 이동과 일정각도로 틀어짐으로써 원하는 마스크 영역의 광경화성 수지(Protopolymer Resin) 재료에 고해상도의 레이저가 아닌 가시광선 (백색광)을 투사, 광중합반응(Photopolymerization)을 유도하여 모델이 만들어지는 것이다. 특히 마스크 투과된 광이 전체 수지(Resin) 층(Layer)을 한 번에 경화시키므로 어떠한 형상과 수량에 상관이 모델조형이 가능하다.
SLS (Selective Laser Sintering) 방식
미국 3D Systems사의 SLS(Selective Laser Sinterring) 방식은 미국의 DTM사에서 개발되었지만 2001년 3D Systems사에 합병되어 현재에 이르고 있다. SLS는 앞장에서 설명된 독일 EOS사의 SLS와 거의 같다. 시스템 내부의 모델 조형공정은 간단하다. 우선 자동으로 제어되는 재료공급장치에서 재료가 조형판에 공급되면 재료 리코팅 롤러가 평탄화를 시켜준다. 다음 상단부에서 레이저가 주사되면서 한 층 한 층 파트가 제작된다. 파트는 가장 밑바닥부분부터 레이어 적층이 이루어지며, 이러한 작업은 파트가 완성될 때까지 계속된다. 완성된 파트는 쿨링타임과 후처리 과정이 필요 할 수 있다.
FDM(Fused Deposition Modeling) 방식
FDM(Fused Deposition Modeling) 공정은 해당 재료를 열에 의해 녹여 일정 압력으로 노즐을 통하여 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 공급되는 재료의 형태는 필라멘트(Filament)나 와이어(Wire) 모양으로 되어 있으며, 보호 카트리지나 실타래와 같은 롤(Roll)에 감겨져 지속적으로 공급된다. 이러한 고체의 재료들은 온도 조절이 가능한 용융압출헤드(Temperature Controlled Head)를 통과하면서 액상에 가까운 재질로 연화, 압출되어 한층 한층 융합 적층 과정을 거쳐 3차원 모델이 만들어지게 된다.
Multi Jet Modeling(MJM)방식
MJM(Multi Jet Modeling) 모델 제작 공정은 프린터 헤드에서 모델 재료가 되는 Acrylic Potopolymer 지지대가 되는 WAX 재료를 동시에 분사 자외선으로 동시 경화시켜 가며 모델을 만들게 된다. 이때 작업대는 장비의 정면에서 보았을 때 앞뒤로 왔다 갔다 하면서 정해진 위치에 모델(Build)재료와 지지대(Support)재료가 적층될 수 있도록 X축 방향을 잡아 주게 되며, 모델이 한층 한층 완성되면서 그 높이만큼 MJM 헤드가 Z축 방향으로, 즉 위로 올라가게 된다. 이같은 작업은 모든 조형 과정이 끝날 때까지 반복된다.

3D 프린터의 현황 및 전망

1980년대 초반 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 제작하는 프린터가 미국의 3D 시스템즈에 의해 세계 최초로 개발됐다. 3D 프린터의 장점은 하나의 물건을 생산해도 비교적 비용이 저렴하고 어떤 모양이든 자유롭게 만들 수 있단 것이다. 하지만 이 같은 장점에도 불구하고 얼마 전까지만 해도 3D 프린팅은 대중에게 익숙하지 않던 기술이었다. OEM 업체가 높은 가격으로 시제품 개발 단계에서 프로토타입을 제작하는 데에 주로 사용했기 때문이다.
지난해 3월 미국의 버락 오바마 대통령은 3D 프린팅 기술이 산업과 기술 부문의 혁신을 견인해 미국의 제조업에 활기를 불어넣을 것이라고 언급했다. 또한 많은 업계 관계자가 3D 프린팅 기술이 제조업과 의료, IT 등 다양한 분야에 기술 패러다임을 바꿔 산업 혁신을 이끌 것으로 기대하고 있다.

3D 프린팅은 플라스틱 액체와 같은 원료를 사출해 3차원 모양의 고체 물질을 자유롭게 찍어내는 기술이다. 물체의 형상대로 얇은 층을 무수히 반복해 쌓아 만들어 첨삭가공(additive manufacturing) 기술이라고도 불린다. 기존 플라스틱 모형 제조는 틀을 만들어 제작했기 때문에 하나의 물건을 만드는데 큰 비용이 들었지만, 3D 프린터는 틀이 필요 없어 한 겹씩 쌓아 물건을 만들어 다품종 소량생산에 매우 적합하다. 특히 복잡한 모양이라도 끊어 붙일 필요 없이 간편하게 만들 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있다.

제조업 분야에 혁신
가트너에 따르면 세계 3D 프린터 시장은 2012년 16.8억 달러에서 2016년 31억 달러로 성장할 것으로 예측했다. 또한 2013년 세계경제포럼이 선정한 10대 유망기술에 포함되는 등 미래 신산업혁명을 주도할 유망기술로 판단된다. 따라서 3D 프린팅은 제조업 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대하고 있다. 제조기업이 신제품 개발과정에서 3D 프린터를 통해 시간과 비용을 크게 절감할 수 있기 때문이다. 특히 기존 제품 제발 시, 반복됐던 시제품 제작을 단축함과 동시에 복잡한 제품도
한 번에 찍을 수 있어 제조 산업에 혁신을 불러 모을 수 있다. 제조비용 측면에서는 기존의 대량 생산 방식보다 생산 단가가 높지만, 원료 낭비가 거의 없어 원료비를 크게 절감할 수 있다. 특히 소규모 제조기업도 3D 프린터를 활용해 제조비용을 절감하고 다품종 소량 생산을 통해 사업 활성화를 노릴 수 있다. 예를 들면 기업이 제품 1,000개를 초기 물량으로 생산할 경우, 제품이 팔리지 않으면 재고와 제품 제조 원가를 떠안아야 한다. 하지만 3D 프린터를 활용하면 100개 정도의 제품을 생산해 시장 반응을 살필 수 있다. 또한 다양한 디자인과 색상으로 소량 생산도 가능하다.

활용 사례
람보르기니는  3D 프린터를 사용해 스포츠카 아벤타도르(Aventador) 시제품 제작에 기존 4달 동안 40,000달러의 비용이 소요되던 과정을 20일 동안 3,000달러 수준으로 줄였고, 유럽항공방위산업체는 3D 프린터로 나일론 파우더를 원료로 페달과 안장, 바퀴, 몸체 등을 따로 제작해 만든 것이 아닌 자전거(에어바이크) 한 대를 통째로 찍어냈다. 또한 의료분야에서는 3D 프린터로 보형물이나 치과용 재료 등 개인 맞춤형 의료보조장치를 만드는 데 적용하고 있다. 의약 분야도 신약 개발에 필요하던 임상시험 등의 과정을 바이오프린팅 기술을 활용해 개발 속도 및 비용 절감에 유용할 것으로 예측된다. 개인은 액세서리나 장난감 등의 맞춤형 제품을 제작할 수 있어 3D 프린터의 파급력이 클 것으로 보인다.
하지만 3D 프린팅 기술은 다양한 물건을 설계겵╂徘?수 있어 총기류와 같은 불법 무기 제조 확산에 우려가 제기되고 있으며, 기술의 대중화와 함께 디자인 저작권 침해 문제도 발생한다. 특히 3D 프린터의 가격이 낮아지고 3D 대행업체의 서비스가 등장하면서 저작권 침해 문제가 확대할 것으로 예상된다.

국내, 아직은 미약
국내 3D 프린터의 활용 수요는 점차 증가하고 있지만, 제품 개발은 아직 미약하다. 국내 기업 중 3D 프린터를 제품화해 판매하는 곳은 캐리마가 거의 유일하다. 캐리마는 Acryl과 ABS, Epoxy 수지 등을 통해 시제품 제작 및 치아 교정 장치 및 보철물 제작에 활용할 수 있는 상업용 3D 프린터인 Master plus를 상용화해 시장에 공급 중이다. 하지만 미국과 유럽, 중국 등 주요 국가는 3D 프린팅 기술을 국가 미래 신성장동력 산업으로 판단하고 국가 차원에서 지원하고 있어 분발이 요구된다. 2012년 기준 세계 3D 프린터 시장 점유율은 미국 38.3%, 일본 10.2%, 독일 9.3%, 중국 8.6%를 차지하며 한국은 2.2%이다.

맞춤 제품까지 제작 가능
전 세계 3D 프린터 시장은 스트라타시스(Stratasys)와 3D 시스템즈(3D Systems)가 약 70% 이상을 장악하고 있다. 스트라타시스는 대부분 전문가용 3D 프린터에 특화되었지만, 지난해 메이커봇(Makerbot)을 인수해 개인용 3D 프린터 시장도 노리고 있다. 3D 시스템즈도 M&A를 통해 3D 프린팅 서비스를 포함한 다방면에서 고른 매출 성장을 보이고 있다.
메이커봇은 2009년 설립 이후 데스크톱 3D 프린팅 시장을 주도해 왔으며 일반 개인용 시장에서 가장 많은 판매를 기록했다. 메이커봇은 저가(2,200달러)의 레플리케이터(Replicator) 모델과 함께 가정용 스캐너를 발표해 일반인이 쉽게 3D 프린터 기술을 접할 기회를 제공했기 때문이다. 아직 가정용 3D 프린터 시장은 초기 단계로 3D 프린터 시장의 약 25%(2012년 기준)를 메이커봇이 차지하고 있다.
메이커봇은 지난 CES 2014에서 ‘MakerBot MiNi’를 발표한 직후, 국내에 ‘MakerBot Replicator MiNi’를 공식 출시했다. ‘MakerBot Replicator MiNi’는 최신 기술이 접목된 저가형의 교육용 및 가정용 3D 프린터로서 처음 3D 프린터를 구매하는 소비자를 위해 간단한 원터치 사용법을 채택했으며 컴팩트한 사이즈로 사용자가 쉽고 편리하게 이용할 수 있다. 또한 최신의 5세대 3D프린팅 기술이 적용되어 ‘MakerBot Replicator MiNi’의 스마트 압출기는 가정에서도 쉽고 편하게 교체할 수 있으며 필라멘트의 사용량을 감지해 필요하면 자동으로 3D 인쇄를 일시 중지할 수 있다.

전망
앞으로 3D 프린팅 기술은 각종 산업에 적용되어 다방면에 활용될 것으로 보인다. 먼저 디자인 분야는 첨삭 가공 방식을 통해 복잡한 외형도 한 번에 이어 붙여 손쉽게 만들 수 있어 기존의 제조 기술로는 불가능했던 복잡한 디자인, 매끄러운 곡선형 디자인을 가능하게 함으로써 디자인 혁신을 이끌 것이다. 또한 제조업에서는 3D 프린팅으로 다품종 소량 생산, 시장 반응을 보기 위한 초기 물량 소량 생산이 가능해지고 더 나아가 고객의 주문에 바로 3D 프린터로 제품을 제작하는 시스템이 확립되면 재고가 전혀 없는 유통 관리가 가능할 전망이다.
특히 의료 분야와 생명공학 분야에 3D 프린팅이 접목됨으로써 인공 장기와 인체 조직 개발이 가능해지면 의료 혁신의 원동력으로 작용할 수 있다. 하지만 현재 국내 기술 수준은 선도국보다 매우 미약한 수준으로 정부 차원의 적극적인 투자로 기술 및 산업 기반 육성 마련이 시급하다. 또한 3차원 프린팅 제작기술 발전과 고부가가치 산업인 IT와 의료, 바이오 기반 산업 등과의 시너지가 본격화됨에 따라 관련 교육훈련 환경 조성 등 인력 양성 인프라 구축이 필요하다.

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