서론
3D 프린터 기술은 이미 30여 년이나 된 기술이지만 최근 들어 ICT 발전(PC, CAD프로그램, 마이크로프로세서, 인터넷), 소재산업의 발전, 주요 특허 만료(20년 기간 만료), 패러다임의 변화, 제조업 구조 변화(대량 생산 산업에서 소량/다양 생산) 등으로 기술 검증을 거쳐 급속도로 대중화될 계기가 마련된 됐다.
3D 프린터 기술은 3차 산업혁명의 선두주자로 100여 년전 포드가 자동차 대량 생산을 시작한 것에 맞먹는 파급력을 가져오고 있다. 앞으로 무한대로 발전이 가능한 3D 프린터의 판도라 상자가 열렸다. 이처럼 열린 판도라는 그 누구도 예측할 수 없을 정도의 큰 가능성을 보여줄 분야로 제조업은 물론 일상생활에도 큰 변화를 가져오고 3D 프린터에 전 세계가 주목하고 있다(그림 1).
1차 산업혁명은 농업이고, 2차 산업혁명은 공업이었다. 그러나 제3의 산업혁명은 누구나 생산이 가능한 시대로 3D프린터가 그 수준이 되는 순간에 이 세상이 한꺼번에 바뀐다고 할 수 있다. 이전에는 무엇인가를 만들어 낼 때 요구되는 숙련된 수준이 굉장히 높았다. 하지만 이제는 컴퓨터만 다룰 줄 알고 캐드(CAD)만 사용할 줄 만 알면 내 옆에 붙어있는 3D 프린터가 자동으로 출력을 대신해 주기 때문에, 모두가 생산 기술을 갖게 되는 생산 기술의 민주화 시대가 도래되었다고 할 수 있다. 그 한 예로 미국 오바마 대통령이 “3D 프린터의 출현은 제 3의 산업혁명이다”라고 언급했다. 3D 프린터는 기존의 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 획기적인 기술로 평가 받고 있다(그림 2).
본론
3D 프린터 유래
3D 프린터의 등장은 기전의 제조업 분야에 양날의 검과 같은 존재라고 해도 과언이 아닐 것이다. 자동차 산업을 예로 들면 기존에는 내부 부품과 외관 즉, 타이어 등을 모두 다른 공장에서 생산하고 다시 조립하는 복잡한 과정을 거치고 있지만 앞으로는 3D 프린터를 통해 설계부터 생산 조립까지 모두 한 곳에서 제작이 가능해진다. 이것은 과연 무엇을 의미하는 것일까?
예를 들어 우리나라가 자동차의 조립하는 능력이 최고라고 한다면 앞으로 조립하는 능력을 갖추고 있는 나라는 경쟁력이 없어지게 된다. 대신에 경쟁력 있는 나라는 소프트웨어를 잘 만들고 관련된 데이터베이
스를 갖춘 나라가 앞서 갈 수 있다. 이러한 나라가 다양한 자동차를 빠른 시간 내에 개발해서 시장에 내놓을 수 있기 때문에 상대적으로 기존 방식으로 천천히, 몇 가지 모델만을 내 놓는 업체보다는 훨씬 경쟁력이 높아 질 수 있다. 다시 말해 수많은 대량 생산 제조 업계가 문을 닫게 되고, 수많은 조립 노동자들이 일자리를 잃게 되는 것을 의미한다. 또한 저임금의 노동력을 앞세워 조립생산을 하는 중국이나 인도 같은 국가들은 그 장점을 더 이상 내세울 수 없을 것이다.
세계 최초로 3D 프린터를 발명한 사람은 찰스 W 헐(Charles W. H ull)로 1984년 3 D 시스템즈(3D systems)을 설립하고, 1986년에 액체 플라스틱을 연속적으로 층층이 쌓는 자동화 기술로 특허를 받은 사람이다(그림 3). 1988년 재료에 광 에너지를 가하면 화학적 작용이나 열작용에 의해 소재의 일부분에 변화가 일어나는 데 이 현상을 응용하여 유동성 소재를 선택적으로 경화시키면 원하는 형상의 입체물을 비접촉으로 만들어 낼 수 있는 SLA(Stereo Lithography A pparatus, 광조형법)인 쾌속조형 시스템을 출시했다. 이어 1989년에 FDM 방식, 1994년에 SLS 방식과 DMLS 방식, 1996년에 3DP 방식으로 도입되고 있다.
3D 프린터 원리
3D 프린터는 어떤 원리에 의해 입체감 있는 물체를 만들어 내는 것일까? 쉽게 생각하면 일반 잉크젯 프린터의 원리를 이해하면 된다. 디지털화된 파일이 프린터기에 전송이 되면 잉크젯 프린터에서 잉크를 종이 표면에 분사하여 2D 이미지에 활자나 그림을 출력하는 원리와 동일하다(그림 4).
2D 프린터는 앞뒤를 나타내는 X축으로만 움직이지만 3D 프린터는 여기에 높이 또는 깊이를 나타내는 Z축을 생성하여 종이가 아닌 공간의 사물을 출력하는 방식이다(그림 5).
3. 활용 범위
자동차 산업은 대량 생산 업계 중 가장 먼저 3D프린팅 기술을 도입한 곳이다. 자동차 업계의 변화를 벤치마킹한 항공·우주 기술 업계에서는 지금 가장 도전적으로 3D프린팅 기술을 도입하고 있다. 3D프린팅 기술은 병원의료 부문에까지 쓰인다. 치료 방법을 근본부터 혁신할 기술로 평가 받고 있다. 세계 각지, 다양한 제조업계에서 혁신의 바람을 일으키는 중이다. 그 중심에 3D 프린팅 기술이 있다. 미국 항공 우주국 나사는 우주인을 위해 3D 프린터로 만드는 피자를 개발했다(그림 6).
대부분의 새로운 기술이 그렇듯이 초창기의 산업용 3D 프린터는 최소 1, 2억 원을 호가하는 고가의 장비이었기 때문에 막대한 자본가들만이 이용할 수 있었다. 따라서 3D 프린터를 최초로 받아들인 곳은 막대한 자본력을 지닌 항공 우주 분야와 자동차 경주 분야였다(그림 7, 8).
2014년에 SLS 특허방식이 만료되어 제조업 분야에 또 다른 혁명을 예고하고 있다. 기존에는 플라스틱 실리콘 고무 등으로 출력물 범위에 한계가 있었지만 SLS 기술 방식으로는 금속, 세라믹, 고분자 복합 소재 등의 물건도 제작이 가능하다.
이것은 앞으로 3D 프린터로 만들 수 있는 제품들이 무궁 무궁해진다는 것을 의미하고 있다(그림 9).
치과용 캐드캠이 2006년부터 확산되기 시작하면서 2010년에 이르러 3D 모델링 소프트웨어 발달과 함께 시장 규모가 급성장하는 가운데 최근에는 메탈 등의 다양한 소재를 인쇄할 수 있는 3D 프린터가 치과보철시장에서 저변을 넓히는 중이다(그림 10, 11).
4. 결론
3D 프린팅 기술의 도입은 단순히 생산 방식의 효율성과 단순성에만 머무는 것이 아니라 우리 인간 생활 및 문화 전반을 변화시키는 커다란 전환점으로 문화 사회적 한 획을 긋는 계기로 부상하고 있다. 이러한 변화에 앞서 이제는 발 빠른 대체능력을 준비해야 할 때이다. 3D 프린터 및 관련 하드웨어와 소프트웨어와 관련 소재 기술에 대한 대응 전략을 구축해야 한다. 이러한 변화에 대한 전략은 한 세기에서 얻을 수 없는 행운의 커다란 변화라고 할 수 있다.
하지만 3D 프린터로 제조업의 위기는 또 다른 곳에서는 기회를 제공하고 있다. 기존의 제조업은 생산, 시설, 시장 마케팅에 대해 모든 것을 관리할 수 있는 능력을 갖추어야 하는 제약 때문에 쉽게 창업을 할 수가 없었으나 3D 프린터의 등장은 새로운 형태의 제조업을 만들고 가고 있다.
누구나 제품에 대한 아이디어만 있으면 3D 프린터를 통해 1인 제조업자가 될 수 있는 것이다.
