[국내 연구] 3D 프린터, 물체를 어떻게 만들까 ①

비교적 짧은 시간에 시제품 제작이 용이해 개발비용을 절감해주는 등의 장점을 가지고 있는 3D프린터 기술. 3D프린터 산업은 이제 지식기반 산업인 4차산업의 중심에 서 있다. 그런데 3D프린터는 어떻게 제작되는 것일까.

2005년 권동현 경기대학교 교수가 한국만화애니메이션학회(koscas.com) 학회지인 <만화애니메이션연구>에 발표한 논문인 <캐릭터 상품 제작 교육에 적합한 3D프린터 연구> 는 3D프린터의 역사와 제작 방법, 그리고 피규어 제작 교육용으로 적합한 콘텐츠가 무엇인지까지 자세히 설명해 준다.

본 기사에서는 논문의 내용을 중심으로 3D프린터 개념부터 활용 방식, 그리고 향후 전망을 자세히 짚어보고자 한다.

3D프린터란?

이 논문에서 정의하는 3D프린터의 개념을 정리해보자면, ‘3D데이터를 0.025mm~0.2mm정도로 얇게 잘라 이차원으로 만든 3D 데이터를 읽어들여 프린터에서 한 층, 한 층씩 쌓아 올리는 방법으로 3D 모형 등을 제작하는 기계’다.

3D프린터는 제작 방식에 차이가 있긴 하지만, 기본적으로 기기에 데이터를 입력하면 기기가 프린터 부위의 맨 아래쪽부터 플라스틱으로 구성된 심지(Filament)를 이용해 그 면의 내용을 입력하고, 계속해서 한 층씩 쌓아 올려 형상을 완성하는 행동이다.

즉 기존의 프린터가 종이에 평면으로 내용을 출력한다면, 3D 프린터는 한 평면을 출력하고 다시 그 위에 평면을 출력하는 방식으로 입체 형상을 만들어낸다.

3D프린터 기술은 1981년 나고야시공업연구소의 코다마 히데오가 최초의 보고서를 냈으며 1986년 척 헐(C. W. Hull)이 최초 특허를 출원했으나 컴퓨터 기술 등 다양한 기술 여건이 되지 않아 실용기술로 발전하는 데는 실패했다. 그러나 2004년 3D프린터의 최초 기술 특허가 만료되고, 컴퓨터 및 재료 기술이 발전하면서 현재는 가정용 3D프린터가 판매되는 등 점차 보편화 과정을 거치고 있다.



3D 프린팅, 아무렇게나 찍어낼 수 없어

그런데 3D프린팅은 생각보다 간단하게 이루어지는 것이 아니다. 3D프린팅은 밑에서부터 위로 쌓아올리는 방식이기 때문에, 아랫부분이 없는 경우에는 그 부분을 인쇄하더라도 중력의 힘에 의해 떨어져 내리게 된다. 따라서 기존의 프린팅 내용이 받쳐주지 않는 부분을 프린트하기 위해서는, 아무래도 이를 지지해주는 받침대가 필요하게 된다.

물론 최선의 방법은 인쇄물을 여러 조각으로 나누어 조립하기 쉽게 조합하는 방식이다. 하지만 캐릭터 상품, 특히 피규어의 경우 조립과 조합을 진행하는 것이 바람직하지 않아, 한번에 인쇄해야 하는 경우가 있을 수 있다.

본 논문에서는 3D프린터가 이러한 문제를 해결하는 방식을 네 가지로 설명하고 있는데, 본 기사에서는 먼저 두 가지 방식을 소개하고, 나머지 두 가지 방식은 다음 기사에서 설명하고자 한다.

가장 간단하지만 출력물의 질은 떨어지는 받침대 방식

받침대 방식은 대부분의 3D프린터에서 사용하게 되는 방식이다. 3D 출력물 파일에 밀도를 낮춘 임시 받침대를 추가해 그 위로 인쇄되는 부분을 받치고, 인쇄가 완료된 다음에 해당 부분을 제거하는 방법이다.

일반적으로는 프린트가 동일한 재질로 이루어질 수밖에 없으므로 해당 받침대 부분을 제거하는 방법이 일반적이지만, 고가의 프린터는 받침대 부분을 다른 재료로 인쇄해 보다 더 쉽게 이를 제거하거나, 물속에 녹는 재질을 사용해 받침대를 없애버리는 기능이 있어 보다 더 편리하게 이 방식을 이용할 수 있다.

하지만 받침대 방식은 무엇보다 같은 재질인 경우 프린트 부분과 받침대 부분을 분리하기 어렵다는 한계가 있고, 받침대와 인쇄물이 만나는 지점과 그 보다 위에 있는 지점의 밀도가 달라지며, 마지막으로 받침대를 떼어내면서 출력물에 ‘상처’가 생기므로 결과적으로 출력물의 질을 낮추는 한계가 있다. 또한 받침대 부분을 다른 재질로 인쇄하는 프린터의 경우 받침대 물질 비용이 추가로 들어간다는 한계가 있다.

역발상의 접접 방식, 하지만 비싸고 처리과정 힘들어

두 번째로 생각할 수 있는 방법은 중력의 방향에 맞춰 위에서부터 아래쪽으로 인쇄해가는 접접 방식이다. 논문에 따르면 이 방식을 채택하고 있는 3D프린터는 DLP(디지털 라이트 프로세싱) 방식과 3D프린터의 최초 공포자 척 헐이 개발한 SLA(다중석판인쇄, Stereo-lithography) 방식이 있다. 하지만 이 방식 모두 플라스틱 대신 광경화성액을 사용해 덩어리를 만들어나간다는 차이가 있다.

이 방법을 쓸 경우에는 최소한의 서포터를 사용할 수 있어 버리는 재료가 적어지지만, 만든 덩어리를 그대로 사용할 수 없고 복잡한 화학적 후처리가 필요해 문제가 발생한다. (계속)


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윤은호 전문기자/문화경영학 박사