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3D 프린터, 제조의 패러다임을 바꾸는 신세계

심재우의 4차 산업혁명 & ICT 트렌드 따라잡기

3D프린터의 시초는 1981년일본 나고야시공업연구소의 히데오 코다마(Hideo Kodama)의 보고서인데, 빛을 이용하여 액상 광경화수지를 고체층으로 형성하여 제품을 만드는 내용이었다. 히데오 코다마는 이 보고서만 내고 기술적인 한계로 실제 상용화시키지는 못했다. 


3D 프린터가 본격적인 모습으로 선보인 것은 가구 회사를 다니던 콜로라도 출신의 척 헐(Chuck Hull)을 통해서다. 이 가구회사에는 자외선을 이용하여 플라스틱 판을 경화시키는 공정이 있었는데 그는 여기서 3D프린터의 힌트를 얻었고, 1983년에 시작한 그의 연구는 1986년 입체인쇄술(Stereolithography)라는 이름으로 특허로 출원했다.

척 헐은 이후 1986년 캐나다로부터 투자를 받아 회사를 설립했고. 이 회사가 바로 세계적인 3D프린터로 유명한 3D시스템즈(3D Systems)다. 그로부터 2년 후 3D프린터가 세계 최초로 판매됐다. 지금으로부터 무려 29년 전이며, 이름은 SLA-1이다. SLA 방식은 광경화성 액상수지를 수조에 담고, 여기에 자외선 레이저를 조사하여 원하는 형상을 굳혀가며 만드는 방식이고, 이것 외에도 FDM(Fused Deposition Modeling)과SLS(Selective Laser Sintering)이 있다. 최초로 광경화(SLA) 방식의 RP 시스템이 발명되었고 현재 모든 3D 프린터에서 읽어 들이는 표준 CAD 모델 파일 포맷인 STL(STreroLithography) 파일의 개발자이기도 하다. 1987년처음 개발을 시작해 1988년을 기점으로 본격적인 상업화가 시작되었다.


                                                    [척헐과 3D 프린터]


3D 프린터에서 사용하는 재료는 플라스틱, 금속, 세라믹을 비롯하여 최근에는 음식 재료를 이용하여 음식을 만드는 수준까지 나왔다.

3D 프린터가 최근 각광을 받기 시작한 이유는 프린터 가격이 수 천 만 원대에서 수 백 만원대로 급격히 떨어졌기 때문인데, 그 동안 특허에 묶여 있던 것이 특허 기간이 만료되어 누구든지 무료로 3D 프린터 기술을 사용할 수 있기 때문이다. 


3D 프린터로 무언가를 프린트(제작)하려면 부품에 대한 3차원 설계 도면이 필요한데, 이것은 컴퓨터에서 3D 도면을 그리는 CAD(Computer Aided Design) 프로그램을 설치하여 사용해야 한다. 필자도 현대자동차 기술연구소와 GE에서 근무할 때, CAD 프로그램으로 설계도면을 만드는 모델링(Modelling) 작업을 했었다. CAD 프로그램으로 자신이 원하는 설계도면을 작성하려면 상당 기간 동안 프로그램 사용법을 익히고 배워야 하는데, 여기에 익숙하지 않은 초보자나 일반인을 위해 공개된 설계도면 파일이 있다. 이것을 오픈소스라 부르는데, 설계 등의 제작 공정 내용이 모두 공개되어 누구나 기반 설계를 이용해 자신만의 더 나은 설계를 만들 수 있는 것으로 라이센스 및 사용권이 모두 무료다. 이러한 오픈소스의 파급력으로 현재 전세계적으로 약 400여 종, 수 천대 이상의 렙랩(2005년 영국 바스 대학에서 기계공학을 연구하는 아드리안 보이어 교수에 의해 시작됐다. 누구라도 3D 프린터를 만들어 사용하게 하는 것을 목표로 삼았다. 이를 위해 연구내용과 설계를 모두 인터넷에 공개하고 있다) 기반 3D 프린터가 제작되어 사용되고 있다. 현재 가장 많은 대중의 사랑을 받고 있는 대표적인 데스크탑 3D 프린터 제조사인 미국 메이커봇(MakerBot)사 및 네덜란드 얼티메이킹(Ultimaking)사 등도 렙랩 기반으로 창립되었다. 

최근에는SLA 방식의 데스크탑 모델도 등장했다. 2012년 킥스타터(Kickstarter)라는 크라우드 펀딩 사이트에서 가장 성공적인 펀딩을 기록한 미국 폼랩(FormLabs)사가 ‘폼1(Form1)’모델을 출시했고, 향후 더 다양한 기술 방식의 3D 프린터가 데스크탑으로 소형화 되고 간편화되어 대중들에게 다가갈 것이다. 국내에도 데스크탑 3D 프린터 제조사들이 렙랩 오픈소스 기반으로 다양한 모델을 출시하고 있다. 


                                                                    [3D 프린터]


3D 프린터가 산업과 사회에 미치는 영향은 상상을 초월하는데, 기존에는 부품이나 제품을 만들려면 두 가지 방법 중에서 하나를 선택해야 했다. 하나는 금속 재질로 된 1~2개의 부품만 소량 생산하는 경우, 금속을 절삭하고 구멍을 뚫기 위해서 밀링머신(Milling Machune)이나 드릴링머신(Drilling Machine)을 사용하여 전문 기술을 가진 작업자가 수작업을 해야 했다. 그래서 비용도 많이 들고 제작 기간도 길었다. 다른 하나는 제작할 부품의 개수가 수 천 개나 수 십 만 개처럼 대량생산을 하는 경우인데, 이 때는 대량생산을 위해 자동화가 필요하므로 부품을 찍어 내거나 성형하는 금형(Mold)을 제작해야 했다. 금형 제작은 전문 제작사에게 의뢰하는데, 비용은 작게는 수 천 만 원에서 수 십 억 원을 넘기도 했다.


필자가 GE에서 근무할 때, 자동차 회사를 상대로 자동차용 범퍼(Bumper)를 공동으로 개발하면서 개발 도중에 설계한 범퍼가 원하는 성능을 발휘하는지 사전에 시험을 해야 하는데, 이를 위해서는 몇 개의 범퍼 샘플을 제작하여 충격시험을 실시한다. 그런데 몇 개의 샘플을 얻기 위해서 대형의 금속 금형(이것을 포로토타입 금형이라 부른다)을 제작해야 하는데, 외국의 금형 전문업체에게 의뢰하면 3~5개월의 기간이 소요되고 십 억 원 이상의 비용을 지불해야 했다. 그런 후에는 대량생산을 위한 금형(양산금형이라 부른다)을 제작하여 생산 라인에 투입하여 본격적인 생산을 하고 자동차를 출시한다. 만약에 지금 범퍼 샘플을 얻기 위해서 3D 프린터를 사용한다면 몇 백 만원이면 충분하고, 제작도 몇 시간 만에 마칠 것이다.


3D 프린터로 만들 수 있는 대상은 인간이 상상한 모든 것이다. 작은 크기의 부품은 보통이고 의료용, 주택, 자동차, 전투기까지도 제작이 가능하다.

이제부터 3D 프린터로 상상을 현실로 구현하는 다양한 적용 사례들을 설명한다. 


1) 조립식주택의 아성을 뛰어 넘는 3D 프린팅 주택

기존의 주택을 건축하는 방법은 가장 먼저 기초공사를 위한 땅을 파고, 기초를 만들고, 뼈대를 올리고, 벽을 새우고, 지붕을 만드는 순서로 진행한다. 이를 위해서는 공사비(인건비, 원자재비)와 수개월의 시간이 소요된다. 하지만 3D 프린터로 지으면 6주만에 멋진 주택을 완성할 수 있다. 


덴마크의 혁신적인 주택디자인 회사 facit homes는 기존의 목조주택과는 다른 접근방식으로 조립식 주택을 만든다. WISA 보드(핀란드의 매우 강한 합판)라는 합판을 3D프린터로 가공해 속이 빈 기둥을 만들어, 빈 통들을 서로 이어 붙이고 연결하면서 구조를 완성해가는 심플한 디자인이다. 박스에 구멍을 뚫어 단열재를 넣어 만든 조립식 주택이다. 이것은 주택에 쓰이는 부품들을 만들어, 이것을 조립하는 방식으로 집을 짓는다.


                                                        [3D 프린터로 만든 주택 - 부품 조립형]


그런데 2016년 중국에서 건물 일부분이나 부품을 제작하여 사람이 조립하는 방식이 아니라 3D 프린터를 이용해 통째로 지은 주택이 완성됐다. 중국의 차이나데일리는 “3D 프린터로 건축한 주택이 약 45일간의 공사 기간을 거쳐 베이징 퉁저우구에 들어섰다”고 보도했다. 이 주택은 2층짜리 별장형 주택으로 규모는 약 400㎡에 달하며, 벽 두께는2.4m로 규모 8의 지진에도 견딜 수 있도록 설계됐다.


                                                          [3D 프린터로 만든 주택 - 일체형]


과거에도 3D 프린터로 주택을 짓는 시도는 있었지만, 일부분씩 만든 뒤 조립하는 방식을 이용했다. 신문은 “이번 주택은 조립 방식이 아니라 3D 프린터를 이용해 통째로 만든 세계 최초의 건물”이라며 “주택 혁명에 가깝다”고 소개했다. 시공을 맡은 건축회사의 대표는“기술자들은 관리·감독과 도색, 마감작업만을 진행했다”고 전했다. 거대한 3D 프린터가 특수 철근과 콘크리트 등 건축 자재를 스스로 배합해서 시공을 마무리했다는 것이다.

유튜브에 이 집을 짓는 과정이 동영상으로 공개됐으니 직접 확인하기 바란다.


앞으로는 주택설계사와 시공사가 만든 틀에 박힌 설계도와 디자인 외에는 다른 선택지가 없던 지금과 달리 자신이 원하는 상상 속의 설계대로 나만의 맞춤형 주택을 짓고 사는 시대가 될 것이다.



2) 내가 원하는 디자인의 자동차는 내가 직접 만든다

 2011년 Kor Ecologic사에서는 3D 프린터로 출력한 차체를 가진 자동차 Urbee를 공개했다. 고효율 저비용으로 설계된 Urbee는 1리터의 휘발유로 고속도로에서 84 킬로미터를 주행할 수 있다.


                                                  [세계 최초의 3D 프린팅 자동차 Urbee]


전기자동차에 대한 대중들의 관심이 높아지고 있으며 뉴스에서도 새로운 소식을 전한다. 이 중심에는 테슬라의 엘론 머스크가 있다. 전기자동차 하면 테슬라를 떠올릴 정도로 전기자동차의 아이콘이기도 하다. 대표 주자인 테슬라를 잡겠다는 공개 선언과 함께 2016년 1월 CES 박람회에서 FFZERO1이라는 대단한 컨셉카를 선보이며 등장한 패러데이 퓨처가 가장 위협적인 라이벌로 등장했다. 그런데 자금 부족으로 공장 건설이 중단되면서 제동이 걸렸다. 

이런 가운데 테슬라를 위협할 강력한 또 다른 경쟁자 ‘로컬모터스’가 등장했다. 이들은 40개 부품을 44시간만에 완성했고 디자인서 완성차 제작까지 7일이 걸렸다. 2015년 시판된 차량 가격은 1,800만~3,000만원이고 속도는 시속 64㎞로 달리는 2인승 전기자동차 스트라티다. 이 차가 주목을 받는 이유는 전기자동차 외에도 기계 장치를 제외한 모든 부품을 3D 프린팅으로 제작한 것이다. 일반적으로 자동차에 들어가는 부품 수는 약 2만개로 알려져 있는데, 스트라티는 불과 40여 개의 부품만으로 이뤄져 있다. 기계장치를 제외하고, 바디(Body)와 섀시(Chassis)는 물론 대시보드(계기판), 콘솔(수납공간), 후드(본넷트) 등 차체의 주요 부분을 모두 한꺼번에 인쇄했기 때문이다. 전기 배선과 휠, 배터리, 서스펜션, 전기모터와 타이어, 시트, 창은 기존 방식으로 제조된 것을 사용했고, 프린트된 차체의 무게는 450파운드(약 200㎏)로 매우 가볍다. 부품 수는 점점 더 줄어들 것이다. 부품 수가 적다는 건 문제가 발생할 확률도 낮아지는 걸 뜻한다. 로컬 모터스의 CEO 존 로저스(JohnRogers) 마음만 먹으면 CAD 디자인에서 시제품 완성까지 1주일 안에 마칠 수도 있다고 말했다.
 

                                                [ 2인승 전기자동차 스트라티]


자동차도 소비자가 원하는 디자인을 선택하여 세상에서 유일하게 하나뿐인 멋진 자동차를 가질 수 있는 날이 더 가까이 다가오고 있다.



3) 비행기도 프린팅 하여 만든다

4차 산업혁명의 혁신 기술로 꼽히는 3D 프린터가 이제는 비행기도 프린팅 하기 시작했다. 2016년 유럽의 항공기 제조업체인 에어버스는 독일 베를린에서 열린 국제항공우주박람회인 'ILA 베를린 에어쇼'에서 3D 프린터로 만든 미니 비행기를 공개했다. 길이는 약 4m, 무게는 20kg의 이 창문 없는 비행기는 드론(무인항공기)으로 ‘토르’(THOR)라는 이름의 비행기다. 두 개의 전기모터와 송수신 장치(radio control system)를 제외하고는 모두 3D 프린터로 제작됐다. 에어버스 측은 3D 프린터가 보여준 '첨단 항공산업의 미래'라며 자랑할 정도로 신기술의 승리라 강조한다. 이처럼 실제 3D 프린터 분야는 제조업 분야의 혁명이라고 불릴 정도로 빠르게 발전하고 있다. 항공산업은 물론 우주와 군사 분야 심지어 음식도 3D 프린터로 찍어내는 시대에 접어들었다. 미국은 전투기도 3D 프린팅으로 제작하겠다는 계획을 발표했다. 


                                                                [드론 - 토르]


드론 역시 엔진과 카메라 등 일부 주요 부품을 제외하고 나머지 부품은 3D 프린터로 찍어내는 연구가 진행되고 있는데, 군사·산업 분야에서 3D 프린터가 상용화되면 제작 속도가 2배 이상 빨라지고 경제성도 높아진다. 항공분야의 3D 프린터 활용은 에어버스와 보잉이 각축을 벌이고 있다. 이미 두 회사는 3D 프린터로 여객기 A350과 B787 드림라이너 일부 부품을 제작해 사용하고 있다. 향후 3D 프린터는 비행기의 부품 수준이 아니고 전체를 제작될 수 있을 것으로 예상하고 있다. 3D 프린터는 메탈 소재의 부품도 기존 것보다 30~50% 가볍게 만들 수 있는 것은 물론 쓰레기도 거의 제로에 가깝다고 한다.



4) 인간 수명을 100세로 늘리는 의료용 3D 프린터

3D 프린팅 기술은 지금까지 불가능했던 의학적인 발전을 가능하게 하고 있다. 프린스턴 대학 연구원들은 3D 프린터로 만든 생체 공학  개념을 선보였다. 이 과학자들은 하이드로겔(배양 연골) 사람의  모양으로 인간 세포와 함께 심었다그리고 달팽이관 모양의 전극으로부터 신호를 처리할  있게 해주는 은 나노입자 합금으로 만들어진 유도 코일을 내장시켰다 3D 프린트 된 귀는 음파를 증폭해 수신하고, 왼쪽과 오른쪽 귀가  쌍으로 동작해 스테레오 음악도 들을  있다생체 조직과 기능적인 전기 부품을 3D 프린팅을 통해 결합하여 인간 장기보다도  잘 작동하는 장기를 만들어낸 것이었다.
 

                                                      [인공 귀]


네덜란드 위트레흐트 대학 의료 센터의 외과의사들은 3D 프린트 된 두개골을 활용해 평균보다 세 배 정도 두개골이 두꺼운 여성 환자를 살렸다. 두꺼워지는 두개골은 환자의 두뇌에 압력을 가해왔고, 이미 그녀의 시력을 잃게 만들고 심한 두통과 운동 능력 상실까지 유발시켰다. 3D 프린팅이 나오기 전까지는 “그런 환자를 치료하는 효과적인 처치법은 없었다”라고 뇌 외과의사 본 베르웨이지는 전했다. 


                                                            [인공 두개골]


불의의 사고로 한쪽 다리를 잃고 사는 사람들도 많은데, 3D 프린터가 이들에게 인공 다리를 제공하여 정상인처럼 움직이고 운동을 가능하게 만들어 새로운 삶을 주고 있다. 워낙 정교하게 만들어진 덕분에 움직임에서 전혀 불편이 없다고 한다. 


                                                                [인공 다리]


3D 프린터는 점차 신체 내부의 장기 쪽으로 도전하고 있다. 관절이나 뼈도 만들어 환자들에게 새로운 삶을 주고 있다. 



5) 패션 디자인의 패러데이퓨처 

패션에서 사용하는 재료는 당연히 천이고, 디자이너는 원하는 옷을 만들기 위해 천을 자르고 재단하고 실로 박음질하여 멋진 의상으로 만드는 것이라는 인식은 유사이래 지금까지 이어져 오고 있다. 그런데 옷감은 재질의 특성상 쉽게 접히고 후들후들하여 입체감을 표현하는데 한계가 있었고, 이를 극복하기 위한 방법으로 여러 겹의 옷감을 겹쳐 층을 이루거나 몇 개의 옷을 겹쳐 입는 방식(레이어)이나 철사나 플라스틱 봉을 옷감 속에 넣어 디자이너가 원하는 입체적 구조를 표현한다.

 

패션 디자인 업계는 오랜 역사적 전통과 기술, 막대한 자금력과 디자인 전문 인력 등을 가진 거대기업들이 세계 패션계를 주무르고 있어, 젊은 패션 디자이너들이 이들의 아성에 도전하는 것은 거의 불가능했다. 

1984년 네델란드의 바멜에서 태어나 대학에서 패션 디자인을 전공하여 2005년에 졸업했고, 알렉산더 맥퀸의 디자인실 인턴을 거친 후 2011년 1월 파리 오띄쿠띄르 컬랙션에 참가하여 돌풍을 일으킨 신예가 나타났는데, 그녀의 이름이 아이리스 반 헤르펜(아래사진)이다.


그녀가 디자인한 의상은 전통의 디자인 방식이 아니고 의상의 재료도 옷감만이 아니다. 그녀는 3D 프린터로 의상을 만든다. 그래서 그녀를 세계 최초의 3D 프린터 패션 디자이너라 부른다. 현실에서는 구현이 불가능 했던 상상 속에서나 가능했던 입체적인 의상을 3D 프린터로 표현하여 패션계의 역사를 새로 쓰고 있는 젊은 디자이너다.

패션 역사에서 어느 누구도 시도하지 못했던 창의적인 패션을 지속적으로 발표하여 새로운 장르를 개척했다. 

아래 사진에 나오는 모델들이 입고 있는 것들이 바로 그녀가 디자인한 것인데, 특히 눈에 띄는 것은 3차원의 입체감이 있는 의상이다. 기존의 방식으로는 도저히 구현하기 어려운 디자인이지만 3D 프린터만 있으면 쉽게 만들 수 있다. 이처럼 3D 프린터가 패션 디자인 세계에도 혁명을 일으키고 있다.


                                                        [3D 프린팅 의상]


그녀가 사용하는 재료들은 기존의 옷감에 3D 프린터의 체인, 플라스틱, 아크릴 등 다양한 재료를 사용하여 기존의 의상과 차별화된 작품을 선보이고 있다.

패션 디자이너 세계에서는 치열한 경쟁을 해야 하는데, 그녀는 6년 만에 자신만의 창의적인 스타일과 방법을 개발하여 독보적인 영역을 확보했고 지금도 쾌속 질주를 하고 있다.

아마도 그녀가 처음 이런 아이디어를 발표했을 때는 모두가 미친 생각이라고 무시하고 외면했을 것이다. 하지만 그녀는 이런 비난과 무시에 좌절하지 않고 자신만의 목표와 믿음을 가지고 지속하여 마침내 세계 정상의 자리에 오른 것이다. 


                                                           [3D 프린팅 의상]


이처럼 3D 프린터는 과거에는 불가능하다고 생각했던 분야 영역에서 새로운 가능성과 신세계의 문으로 들어 가는 혁명을 일으키고 있다. 

여러분도 어떤 아이디어가 있는데, 현실의 방법으로 그것을 표현하거나 구현하는데 한계가 있다면 3D 프린터가 가장 좋은 해결책이 될 수 있을 것이다.


지금까지 설명한 사례 외에도 3D 프린터로 음식을 만들기도 한다. 지금은 비교적 간단한 음식만 인쇄할 수 있지만 점차 다양한 음식을 만드는 3D프린터가 개발되어 풀코스 정식을 3D 프린터가 요리하여 서비스하는 날도 멀지 않았다.


   [3D 프린팅 음식]


3D 프린터의 세계는 무궁무진하다. 인간이 손이나 장비를 이용하여 만드는 모든 것들이 3D 프린터로 대체될 수 있다. 여러분도 기발한 아이디어만 있으면 무엇이든 만들 수 있는 세상이 오고 있다. 3D 프린트를 더욱 잘 활용하려면 CAD 설계를 직접 할 수 있는 기술을 가지는 게 좋다. 그래야 자신이 원하는 모양이나 디자인대로 구현하여 세상에 오직 하나뿐인 창작물을 만들 수 있기 때문이다.

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