3D프린터 기술발전이 혁명적이다. 부품수가 적고 공정도 간단한 맞춤형의 획기적인 기술이다. 사용되는 바이오 잉크는 식품용과 장기제작에 쓰일 정도로 안전하나 공예용과 산업용은 잉크에 따라 화학물질이 나올 수 있어 사용 시 주의가 필요하다.
3D프린터는 화병, 컵, 피겨를 만드는 개인 취미용부터 학교수업용이 있다. 또한 비건연어 등 대체단백질을 만드는 식품용, 건축부품·우주선 부품 등의 산업용과 의족과 생체장기까지 만드는 의료용 3D 프린터가 있다.
작가소개
안녕하세요. 환경운동하는 작가 에코eco입니다. 하나뿐인 소중한 지구를 어떻게 하면 더 푸르고 맑게 지속가능하게 하는지 관련 환경기술과 환경활동을 소개하고 있어요. 일상의 크고 작은 실천으로 여러분도 환경에 기여하고 있습니다.
이 블로그를 읽다보면 다양한 환경활동과 환경기술로 지속가능한 지구가 이렇게 가능하구나를 알 수 있어요. 이번 편에서는 3D프린터 관련해서 환경면을 다루고 참고로 4D프린팅도 언급합니다.
1. 3D 프린터 원리와 3D스캐너
‘디지털 미래경제 1편 – 3D 프린팅, 새로운 제조혁명’이라는 kbs1 다큐드라마가 있다. 2014년 7월 17일 방영되었다. 3D 프린터라는 최신기술이 무엇인지와 전망까지 폭넓게 소개하고 있다.
3D프린터는 종이에 ‘인쇄’하는 것이 아니므로 원래 프린터와는 정의가 다르나 작동 원리가 유사하고 컴퓨터의 데이터를 현실의 매체로 내보낸다는 점에서 기본원리가 비슷해서 프린터의 범주에 끼어 넣는다.
3D프린터는 재료를 한층 한층 쌓아가며 형태를 만든다. 미세한 매질(플라스틱 필라멘트 혹은 바이오잉크)을 층층이 쌓아 올려 구현하는 방식이다. 즉, 컴퓨터로 모델링한 파일을 바탕으로 재료를 쌓아 실제 형상으로 만들어 낸다.
3D프린터는 아주 적은 몇 가지 부품만으로 심지어 부품 하나로 제품을 완성할 수 있어 획기적이다. 덕분에 필연적으로 완제품에 들어가는 제작 공정자체가 대폭 줄어든다. 조립 중에 발생하는 여러 불량 요인도 없어서 완제품의 불량률이 획기적으로 낮아진다.
3D프린터는 제품의 무게와 부피까지 줄일 수 있다. 로켓 등 우주발사체의 경우 3단을 2단으로 줄일 수 있고 같은 단수에 더 무거운 물체를 올릴 수 도 있다.
부품의 제작시간이 오래 걸리는 것은 3D 프린터의 단점이나 부품이 아닌 제품의 경우에는 오래 걸리지 않고 절삭작업이 없어서 절단 사고가 나지 않는다.
3D스캐너는 3D프린터의 짝으로 실과 바늘처럼 함께 한다. 3D스캐너는 3차원(3D, 입체) 형태의 데이터를 만들어내고 이미 존재하는 사물의 굴곡에 대한 깊이 정보를 가져온다.
3D 스캐너에는 접촉식과 비첩촉식이 있다. 접촉식은 탐촉자로 부르는 프로브(Probe)로 물체에 직접 닿게 해서 측정을 하는 방식이다. 비접촉식은 레이저(빛)를 물체 표면에 조사하여 그 빛이 돌아오는 시간을 측정해서 물체와 측정원점 사이의 거리를 계산한다.
3D스캐너의 대표적인 프로그램으로 인텔의 리얼센스와 MS의 키넥트가 있다. Real Sense는 메인 카메라, 적외선 프로젝터와 적외선카메라를 이용하여 사물을 인지한다. Kinect의 깊이정보 추출 원리는 적외선 카메라의 중심점을 원점으로 객체를 3차원으로 표시한다.
2. 금속 3D 등 3D프린터 종류와 가격
산업용 금속 3D프린터. 금속을 3D프린트하는 것으로 기업용 제품이다. 금속 3D 프린터의 시연 능력을 검증하기 위해 권총을 복제해서 시연한 예가 있다. 내구성이 관건이라 성능을 개량하고 있다.
금속 3D는 고온의 레이저를 사용해서 이 과정에 전력소모가 엄청나서 따로 전기공사가 필요하다. 금속 3D프린터를 한국에 들여오려면 수입신고, 설치신고까지 해야 한다. 가격은 몇 억 원대이다.
티타늄 파우더로 프린팅이 가능한 금속 3D프린터도 있다. 이는 우주선 부품을 만드는 데 쓰인다. 고가장비이고 프린팅 재료 자체도 특수해서 유지비용도 많이 든다.
멀티재료 하이브리드 3D프린터도 있다. 이미 3D 금속프린터는 단점을 상쇄하기 위해 하이브리드 가공 방식을 적용하고 있다. 멀티 금속을 깎아서 가공하는 공작기계와 레이저로 원하는 모양을 적층해 제작하는 3D프린터를 합친 기법이다.
하이브리드 가공기는 현대위아와 인스텍이 산업통상자원부 ‘글로벌전문기술개발사업’의 일환으로 2016년부터 개발을 하고 있다.
시제품용 FDM 3D프린터. 저렴하게 사용가능한 공업용 3D 프린터이다. 개인용도 아니고 상업용도 아니다. 금속 프린팅 방식으로 FDM용 필라멘트에 금속분말을 첨가하는 방식이다.
시제품 설계부품을 소량 제조하는 회사에서 3D프린터 제품의 시연 능력을 검증하기 위해 쓴다. 가격은 최소 40만 달러에서 보통 100만 달러가 넘는다.
FDM(= FFF)은 Fused deposition modeling와 Fused filament fabrication의 약자이다. 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐(nozzle) 안에서 녹여 얇은 필름형태로 출력하여 한층 한층 적층해 나가면서 3D프린팅을 한다.
손바닥만 한 크기의 제품을 구현하는데 4시간~6시간이 걸린다. 노즐은 고열로 플라스틱 필라멘트를 녹이고 뽑아져 나온 필라멘트는 상온에서 굳는다. 노즐은 액체나 기체 등 유체의 흐름방향을 결정하려고 사용하는 파이프 모양의 기계부품이다.
중국산이 나와서 가격대가 다양해졌고 싼 것은 몇십만 원이다. 중국산은 구현가능하는 정밀성은 높으나 필라멘트 가공과정에서 유해물질이 첨가되고 PVC이하의 내구성이라 부서지기 쉬우니 구매 시 참조한다.
저가형일수록 매질이 층층이 쌓이면서 생기는 단차와 가공오차가 심해진다. 적층 때문에 생기는 표면 단차는 질 좋은 3D프린터의 경우 CNC 머시닝으로 후가공해서 정밀도를 높이고 제작속도를 높이고 있다.
3D 프린터 구매가 부담되면 공방이나 출력 대행업체를 이용할 수 있다. 3D 모델링 프로그램으로 만든 모델 파일이나 설계 도면을 업체 측에 보내면 업체가 출력작업한 결과물을 택배로 보내줄 수 있다.
3. 비건연어부터 인체장기와 우주선까지 3D프린터의 쓰임
피겨, 머리핀, 빗, 펜던트, 장식품, 머그컵 등을 본인이 원하는 도안으로 3D프린터로 만들 수 있다. 이런 물품뿐 아니라 국내 3D프린팅 업체 ‘엘코러레이션’은 실용사격장비까지 제작한다.
‘Not Impossible’사의 공학자와 과학자들은 인류에 공헌하고자 3D 프린터로 의족과 의수를 만들어 남수단 내전으로 팔다리를 잃은 사람들에게 나누어 준다. 비용이 기존 의수의 1/3 ~1/8 수준이다.
한국의 ‘애드믹바이오’는 3D 프린팅으로 인간 장기칩을 만들고 있다. 이 회사는 3D 바이오 프린팅 설계부터 이를 활용한 조직 장기배양 기술까지 장기칩 제작 전 과정을 아우르는 역량을 보유하고 있다.
바이오 잉크는 세포 카트리지의 일종이다. 인간의 조직과 장기를 재현할 때 사용하는 원료이다. 바이오잉크는 3D 바이오프린팅의 핵심이다. 에드믹바이오는 바이오 잉크 제조기술력이 뛰어나고 인체의 간, 폐, 지앙에서 유래한 바이오 잉크 20여 종을 이미 개발했다.
3D프린터로 6m 높이의 집을 짓는 회사도 있다. 집주인이 원하는 어떤 형태로든 제작 가능하다는 점을 장점으로 내걸고 있다. 보통 제작까지 3년이 걸리는데 기술의 발달로 기간이 단축되고 있다.
달이나 화성의 토양에 어떻게 구조물을 지을지 기초연구가 진행되고 있다. 일론 머스크가 화성의 재료를 이용해 3D 프린팅으로 화성 정착지를 짓는데 쓸 계획이다.
미국 우주항공국 나사(NASA)는 2022년 11월 6일 우주선에 새로운 3D프린터 BFF(Bio Fabrication Facility, 유기체 섬유화 설비)를 실어 보내 우주정거장에서 유도만능 줄기세포를 이용해 인간 생체조직을 만들게 했다.
https://engadget.com/nasa-redwire-3d-printing-human-knee
플라스틱뿐 아니라 재료공학적 기초원소들을 배합한 나노페이스트(nanopaste)를 원료로 금속, 생체조직과 기계장치까지 인쇄하는 장비까지 등장했다. 한국의 스타트업 에드믹바이오가 대표적이다.
오스트리아의 Revo Foods사는 3D 프린터로 대체 단백질 식품인 비건 연어를 만들어 1,200개의 상점에서 팔고 있다. 먹어보니 맛, 식감과 향이 원래의 연어와 같았다.
4. 3D프린터의 환경영향과 4D 프린터
FDA(=FFF) 3D프린터의 경우 필라멘트(원료, 잉크)로 사용하는 ABS와 PLA가 가 대중적으로 사용된다. ABS는 Acrylonitrile-Butadine-Styrene의 약자로 쉽게 말해 플라스틱이고 성형성이 우수하다.
PLA는 Poly Lactic Acid의 약자로 옥수수 전분에서 추출한 원료로 만든 친환경수지여서 폐기 시 생분해된다. 원료는 친환경적이나 필라멘트로 가공되는 과정에서 들어가는 유해 화학첨가물이 문제가 된다. 이 첨가물이 프린팅 할 때 공기 중으로 빠져나온다.
이러한 문제를 해결하기 위해 일부 3D 프린터는 밀폐 챔버가 있고 공기필터가 장착되어 있다. 3D프린팅을 할 때는 독립된 공간에 두고 창문을 열어 환기를 하고 마스크를 착용하길 권장한다.
바이오잉크를 사용하는 식품용과 인체장기제조용 3D 프린터는 인체유해성 문제를 해결했다. 대표적으로 2023년 4월 키스트 송수창 연구팀이 기존 바이오 잉크의 인체 유해성을 극복한 새 제품을 만들어 냈다.
https://www.dongascience.com/news.php?idx=59225
3D 프린팅을 바탕으로 4D 프린터도 개발 중이다. 차이는 소재에 있다. 기존의 3D프린터는 3차원의 공간에서 원하는 형상을 제작하는 반면에 4D프린터는 시간개념이 더해진다.
4D프린팅의 개념은 미국 매사추세츠 공과대학교 스카이러 티비츠 교수가 2013년 온라인 TED 강연에서 최초로 제안했다. 처음 만든 제작물이 시간의 흐름에 따라 온도, 습도, 진동 등에 따라 자극을 받으면 새로운 형태로 바뀐다는 것이다.
4D 프린팅은 자가조립, 자가변형 기술이 핵심이고 3D프린팅의 출력시간과 소재 부분의 한계를 보완하고 있다. 2021년 이미 국내 연구팀이 4D프린팅 기술로 동물의 근육과 뼈를 재생시키는 성과를 냈다.
MIT출신이 창립한 미국 디자인 스튜디오 ‘너버스 시스템 Nervous System’은 4D 프린팅 기술로 소재의 옷을 만들었다. 3,316개의 힌지 hinge로 연결된 2,279개의 독특한 삼각형 패널로 이뤄졌다.
한 조각으로 만든다는 것이 핵심 아이디어이고 덩어리 형태로 프린터에서 나온다. 이 원피스는 입는 사람의 체형에 딱 맞게 변화하는 특징이 있다. (참조 engadget, edmicbio, 삼성디스플레이뉴스룸, 키스트, 동아사이언스, 전자뉴스)
3D 4D프린터 기술이 날로 발전하고 있다. 3D 프린터에 재료로 쓰이는 물질도 플라스틱부터 바이오잉크까지 다양하고 유해한 첨가물을 덜 쓰는 방향으로 기술이 발전하고 있다.
3D 4D프린터는 제품을 만드는데 부품수도 적게 필요하고 제조공정도 줄일 수 있어 획기적인 맞춤형 제작이 가능하다. 머리핀, 머그, 장식품뿐 아니라 집의 구조물과 우주선 부품을 만들 수 있는 데다 식품과 인체장기까지 제조한다.
