3D프린팅은 제조업의 혁명이다 (하)

IT 용어 개념이라도 이해하자 #5



  • 캐나다 한국일보 (public@koreatimes.net) --
  • 07 Jun 2019

3D 시장을 넘어 4D 프린팅이 보급될 가능성 물리적, 생물학적 물질들의 모양과 특성도 바꿔


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▲ 시제품 제작에 3D를 사용한 이태리의 고급스포츠카 람보르기니

3D프린팅 기술의 응용 분야

1) 자동차 /우주항공 분야
자동차의 대시보드, 바디패널 및 부품의 시제품에 3D를 사용한다.  이태리의 고급스포츠카 람보르기니는 아벤타도르(Aventador) 시제품 제작에 3D를 사용해 4개월 동안 4만 달러가 소요되는 기존 작업을 20일 동안 3천 달러 수준으로 시간과 제조비를 줄였다. 비슷한 사례로 GM은 2014년 중형 세단 말리브 제작 때  3D를 사용, 제작기간을 2년 정도 단축했다.

 

기존의 점토 조각으로 만들던 방식에서 혼합 공정을 통해 비용과 시간을 줄이는 효과를 얻었다. 최근 3D를 이용해서 자동차 콘셉트 카를 만드는 업체들이 생겨나고 있다. 자동차 문틀의 소재를 알루미늄에서 3D로 만든 탄소봉으로 바꾸어서 무게를 90%까지 낮춘 사례가 나왔다. 소형 자동차 차체를 3일 안에 프린팅하는 기술도 선보였다. 특히 항공기의 엔진과 같은 고부가가치 부품을 제작하고, 나사NASA가 추진하는 달 기지건설을 위한 특수 환경 3D 기술이 개발되고 있다.

2) 교육 분야
3D를 이용한 수업은 학생들의 수업 이해력과 창의력을 향상시켰다. 더 나아가 학생들이 직접 프린터 제작 및 디자인을 설계, 형상 제작에 이르기까지 여러 면에서 참여했다. 따라서 교육에서의 활용 분야는 무궁무진하다. 시각장애 학생들을 위한 교재 3차원 입체 교구를 개발하고 시각장애 학생용 점자책에는 생략되어 있는 그림들을 3D기술을 이용하여 3차원 형상의 촉각 교재로 제작한다. 사회 교과 과정에서 배우는 역사 시대 유물과 유적, 지도나 물리, 생물 과목 등에 사용되는 입체 교구는 초등학교 시각장애 학생들의 인지력을 고려하여 적합한 크기와 형상의 정밀도를 맞춤형 방식으로 제작하여 이를 실제 수업 시간에 사용하고 있다.

3) 에너지 · 나노 분야
미국의 하버드대학교와 어바나샴페인 대학교의 연구진은 3D로 세계에서 가장 작은 리튬이온 배터리를 프린트해 만든 후 의료용 로봇을 가동하는 데 성공했다. 연구진은 16겹의 리튬 금속산화물 층을 쌓음으로써 서로 엇갈린 방식의 다섯 갈래로 된 전극을 만들었고 충방전 기능, 수명, 에너지 밀도 등을 통해 본 이 전지의 전기화학적 성능은 상업용 배터리에 견줄 만하다고 보고했다. 

 

4) 주택건설 분야
3D프린터는 주택건설시장에도 적용된다.  집채 만한 3D프린터 하나면 소형주택을 불과 몇 시간 안에 출력할 수 있다. 중국 건축회사 윈선(Win Sun)은 2015년에 처음으로 3D를 이용해 주택을 건설했다. 특히 이 회사는 그 건물에 사용되는 자재들을 산업폐기물을 이용하여 만들었다는 점에서도 각광 받았다. 2016년께 러시아와 샌프란시스코에 본사를 두고 있는 Apis Cor. 회사의 3D 전문가들은 현지에서 모바일 프린터를 사용, 한 채의 집을 완성했다.

사 측에 따르면 집의 벽이 먼저 프린트되었고, 그 다음 페인트칠을 했다. 이들이 개발한  프로세스의 장점은 현장에서 프린팅이 이루졌다는 점이다. 보통 3D기술은 현장이 아닌 사무실이나 연구실 등에서 만들어서 현장으로 옮긴다. 우크라이나의 주택 건설회사는 최근 3D인쇄 로봇을 이용한 주택 패시브돔(PassivDom)을 완성했다.  이 집은 사람이 직접 집을 짓는 시간과 비용을 훨씬 절감해줄 뿐 아니라 이동이 가능하다는 점에서 효율적이라는 평가를 받고 있다.

5) 의료용 3D프린팅 기술
3차원 스캔 이미지를 기반으로 맞춤형 제작 기술이 가장 필요로 하는 분야는 의학이나 헬스케어 분야이다. 모든 사람의 몸체가 각기 다른 특징 및 형상을 갖기 때문이다. 의료용 3D 기술은 보청기, 임플란트, 인공 뼈, 의학 보조기 등의 분야에서 활발하게 연구가 진행 중이다.

미국 델라웨어 병원은 희귀성 질환을 갖고 출생한 환자를 위해 3D를 이용해 의료용 로봇 팔을 제작했다. 또한 미국 코넬 의대에서는 살아 있는 세포로 만들어진 주입용 겔과 3D기술을 사용해 인공 귀를 제작하였으며, 최근에는 세포를 직접 프린팅할 수 있는 기술 개발에 열을 올리고 있다. 미국의 벤처기업 오가노보 사에서는 간, 콩팥 등의 바이오 소재를 개발해 상용화 단계에까지 도달했다. 

 

3D 프린팅의 미래

현재 세계 3D 시장은 미국의 스트라타시스(Stratasys)와 3D시스템즈가 주도하고 있다.  앞으로는 4D프린팅이 보급될 가능성이 있다. 2013년 4월 미국 MIT의 스카일러 티비츠 교수는 온라인 TED강연을 통해 4D프린팅을 세상에 알렸다. 이 강연회는 1차원의 선들이 3차원 정육면체로 변화하는 과정을 보여주었다. 4D프린팅은 물리적, 생물학적 물질들의 모양과 특성을 바꿀 수 있다는 것이다. 예를 들면 형상기억 합금과 같은 신소재를 프린터로 출력할 수 있다. 출력된 물체는 시간 등 환경이 변하면 다른 모양으로 변화한다.

이 기술에 4D라고 불리우는 것은 기존의 3차원 입체(3D)에 더해서 시간이라는 1차원(1D)이 추가되었기 때문이다. 어떤 조건에서 어떤 모양으로 변화할지 그 재료 안에 프로그램이 입력되어 있다. 실제로 4D프린터로 찍어낸 물체는 인간의 개입 없이 열이나 진동, 중력, 공기 등 다양한 환경이나 에너지원의 자극을 받아 변화할 수 있다. 4D프린터가 이용될 수 있는 분야는 3D보다 더욱  다양하다.  

3D 기술은 고객 맞춤형 제품을 생산하는 의류 분야에도 강한 영향력을 끼칠 것으로 보인다. 투명 치아 보철 뿐만 아니라 각 사용자에게 맞춤화 된 보청기 등의 의료기구나 인공장기 등을 제작하는 것에도 이상적이다. 3D는 개발도상국에서 소규모 제조업의 시대를 열어줄 것이다.  3D를 보유한 소규모 상공업자가 이웃들의 필요에 따라 제품을 제작할 수 있다. 외국에서 수입하는 것보다 더 저렴한 비용의 3D기술로 보다 광범위하게 쓰이는 제품을 생산하기 위해 약간 더 큰 공장을 계획할 수도 있다.

3D생태계에서는 사람들과 제품 디자인 소스를 연계시키거나 제품 디자이너와 제조업자를 연계시키는 네트워크 구축이 가능하다. 또한 3D 대상을 디자인하는데 사용하는 간편한 소프트웨어를 개발하는 것도 기회가 될 수 있을 것이다. 3D산업은 퍼스날 컴퓨터가 어느 순간에 패러다임을 바꿨듯이, 우리가 사는 세상을 급격하게 변화시킬 수 있다.

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▲ 티비츠교수의 테드강연

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