3D Printer and Digital Manufacturing Industry

3D 프린터와 디지털 제조업

3D Printer and Digital Manufacturing Industry

2013년 5월 Defense Distributed에 의해 3D 프린터로 제조된 총기와 그 설계도면이 발표되었고, 얼마 전에는 중국에서 인공 장기를 3D 프린터로 만들었다는 보도가 있었습니다. 3D 프린팅은 산업 전반에 이미 다양하게 사용되고 있으며, 기술 개발은 하루가 멀게 향상되고 있습니다.

3D 프린팅이란, 디지털 모델로 부터 3차원적인 구조로 고형물질을 만드는 과정입니다. 다른 제조 공법과의 가장 큰 차이는 적층(additive) 기법, 즉 층을 더해 제품의 모형을 만드는 것입니다. 기존의 전통적인 제조 공법은 어떤 큰 덩어리를 깍아내는 방법이었습니다. 예를 들어, 손가락 만한 나사를 만들기 위해선 전통적인 제조 공법으로는 손가락만한 크기의 재료를 가지고 CNC 기기를 이용해 재료를 깍아 나사를 만들어냅니다. 3D 프린팅을 이용하면, 재료를 이용해 아주 작은 크기의 입자를 이용해 한층 한층 나사 모양으로 쌓아올려 나사를 만들어냅니다.

*실제, 3D 프린팅 기술은 다양한 방법이 있습니다. 예를 들어, 필라멘트형의 재료를 녹여 쌓아가는 방법, 액체형 레진을 빛을 이용해 고형화 시키는 방법, 분말형 형태를 레이저 등을 이용하여 고형화 시키는 방법 등 다양한 방법을 이용하지만, 레이어를 쌓아가는 개념은 유사합니다.

3D 프린팅의 장단점
3D 프린팅의 가장 큰 장점은 공정 과정의 축소로 인한 비용감소와 최종 결과물까지의 짧은 시간입니다. 예를 들면 스마트폰 케이스의 시험모델을 만든다고 가정해봅니다. 전통적인 방법은, 3D 모델링을 통해 몰드(틀)을 제작하고, 케이스를 찍어냅니다. 케이스에 오차가 있다면, 다시 몰드를 수정 혹은 재작업해야합니다. 반면에 3D 프린팅을 이용한다면, 3D 모델링을 이용하여 곧바로 찍어낼 수 있습니다. 오차가 있다면 3D 모델을 수정하여 재 프린트하면 되겠지요. 전통적인 제조 공법에는 들어가는 과정도 그 과정에 투입되는 전문 인력도 많이 있으며, 이는 곧 비용의 상승으로 이어집습니다. 반면에 3D 프린팅은 적은 공정과 투입되는 전문인력도 적습니다.

3D 프린트의 단점으로는 대량 제조시 개당 제조단가가 비싸며, 제조 시간이 길다는 점입니다. 스마트폰 케이스 시험 모델을 마치고, 시제품을 대량 생산한다면, 다양한 설비를 이용하여 엄청나게 빠른 속도로 제품을 생산할 수 있습니다. 하지만, 3D 프린팅의 경우 하나하나 적층기법을 이용하기 때문에 개당 제조 시간은 늘어날 수 밖에 없습니다. 3D 프린팅 기술이 향상되어 그 시간과 비용의 격차를 줄일 수 있겠지만, 역전하기는 불가능하다고 생각됩니다. 복사기와 인쇄기, 두 기술의 향상은 엄청나게 이루어졌지만, 대량 출력시 복사기는 인쇄기를 시간, 비용면에서 이길 수 없는 것과 같은 이치입니다.

3D 프린팅의 현재
3D 프린팅은 지금 막 걸음마를 뗀 산업입니다. 필요한 나사 하나를 만들기 위해, 3D 작업을 하고, 프린팅을 하는 노력과 시간이면 바로 나가 100원짜리 나사를 사는 것이 편리한 것이 현실입니다. 하지만, 다양한 방법의 3D 프린팅이 개발되고 있으며, 단점을 줄이려 노력하고 있습니다.

미국 3D프린터 제조업체 Stratasys 의 FDM (fused diposition modeling) 특허가 2008년 만료되었고 비교적 간단한 구조로 인해 저렴한 FDM 방식의 3D 프린터가 시장에 많이 등장하고 있습니다. FDM 방식은 필라멘트 형태의 재료를 녹여 노즐을 통해 적층하는 방식입니다. 또한 내년 2월 미국 3Dsystems 가 갖고 있는 선택적 레이저 소결(SLS) 방식 3D 프린터 기술의 특허 기간이 끝나면서 SLS 방식의 3D 프린터도 다양하게 등장할 예정입니다. SLS 방식은 가루 형태의 재료를 레이저를 이용하여 녹여 적층하는 방식입니다.

현재 3D 프린팅을 이용한 산업들을 살펴보면, 대량 생산을 위한 프로토타입 제작, 디자인 제품, 의료제품, 특수 부품 제작 등 소량 커스텀 제품 생산에 집중되어 있습니다.

나이키는 3D 프린팅을 이용하여 제품의 프로토타입 제작에 적극적으로 활용하여, 6개월동안 12개의 스파이크화의 밑창(plate) 프로토타입을 개발하고 테스트를 할 수 있었고, 주문제작이 가능한 시스템을 이용하여 판매하고 있습니다. 만일 3D 프린팅 기술이 없었다면, 시장에 맞는 순발력있는 개발은 쉽지 않았을 것입니다.

3D 프린터의 보급화 문제
3D 프린터가 가정에 보급화되는 데 가장 큰 걸림돌은 무엇일까요? 가장 큰 걸림돌은 비용과 3D 데이터 처리 문제입니다. 아직도 개인이 선뜻 지불하여 구입하는데는 부담되는 가격에 비하여 할 수 있는 일은 그리 많지 않습니다. 어떤 작은 모델을 만들려고 해도 3D 작업을 해야하는데, 그 작업이 일반인들이 하는데 어려움이 있습니다. 나사가 비교적 간단한 모형이지만, 실제 제작을 위한 3D 모델링 작업은 일반인들이 하기에는 쉽지 않기 때문에 무언가 만들려고 해도 만들것이 없습니다. 시중에 3D 모델링 컨텐츠는 제한되어 있고, 직접 3D 작업은 용이하지 않습니다. 3D 프린터를 가진 일반인들은 지금 시중에 나와있는 동물 모형, 로고 형태의 입체 모형, 병따개 등의 간단한 모델을 시험삼아 만든 후 거의 사용을 못하는 것이 현실입니다.

비싸게 큰맘먹고 산 3D 프린터, 단추만 만들 것인가?

3D 프린터의 가능성
얼마전 Makerbot에서는 보급형 3D 스캐너를 발표했습니다. 실제 모형을 3D 데이터로 만들어 주는 것으로, 3D 데이터 문제가 많은 부분 해결될 것으로 보입니다. 예를 들어, 어떤 제품의 소모성 부품은 미리 스캔해두고, 필요할때마다 프린트하여 사용할 수 있습니다. 또는 제품의 재질이 마음에 들지 않는다면, 스캔한 모델을 가지고 다른 재질을 사용하여 제품을 복재할 수 있습니다.
쉽게 3D 모델링 데이터를 얻을 수 있다면, 경제적인 3D 스캐너가 등장한다면, 3D 프린터 보급은 가속화될 것입니다. 이와 더불어 제품, 혹은 부품의 스캔 데이터에 관한 저작권 문제가 많이 나타나겠지만, 다른 디지털 컨텐츠와 같은 흐름과 같이 할 것이란 예측을 할 수 있을 것 입니다.

Makerbot 사에서 발표한 보급형 3D 스캐너, $1400

3D 프린팅의 미래
3D 프린터가 많이 보급되어 있다는 전제로 제조업은 두가지 일을 병행하게 될 것입니다. 한가지는 기존의 전통적인 제조를 통한 제품 판매의 방법이고, 또 다른 하나는 디지털 컨텐츠의 판매입니다. 예를 들어, 스마트폰 케이스 완제품 1만원, 디지털 컨텐츠 5천원, 이런식입니다. 특정 소모성 부품이나 제품은 특히나 디지털 컨텐츠의 형태로 판매될 가능성이 높습니다. 아이들의 장남감은 이제 다운로드 구입이 가능해 질 것입니다.

또 하나는 커스텀 산업의 발달입니다. 기존의 제조방식은 대부분 대량생산을 바탕에 두고 있기 때문에 소량의 커스텀 쪽은 한계가 있습니다. 예를들어, 집안의 스위치 교체를 위하여 찾아봤으나 마음에 들지 않았다. 기존의 제조방식으로는 10개쯤 필요한 제품을 위해 엄청나게 많은 비용을 지불해야 합니다만, 3D 프린터를 이용한다면, 마음에 드는 디자인으로 경제적으로 만들 수 있을 것입니다.

다양한 아이디어 산업의 발달. 어떤 제품을 생산하여, 판매하기 까지 수많은 시행착오와 비용이 소모됩니다. 좋은 아이디어로 시작한 제품은 실제 제작이 되기까지, 설계, 프로토타입, 수정, 재설계, 수정프로토타입… 등등의 복잡한 과정과 비용이 많이 들게됩니다. 이 과정중에 많은 사람들이 포기하게 되는 경우 많고, 대부분 그 비용때문입니다. 설계 실수로 몰드 하나 다시 만들면 비용이 엄청나지요. 3D 프린트를 이용한다면 보다 쉽게 가능한 일이 되겠습니다.

이것이 디지털 세대의 디지털 제조업이 아닐까 생각이 드네요.  3D 프린터를 가지고 제일 먼저 무엇을 만들어 보고 싶으세요?