3D 프린터(프린팅)의 유래와 특징 그리고 장점

시제품 제작 시 3D 프린터를 활용하여 제작을 하거나 소품종 맞춤 제작 제품의 경우 3D 프린터를 활용하여 사업화하는 사례를 찾아볼 수 있다. 최근 3D 프린터를 활용하여 건물을 짓는 기술까지 발전하였으며 심지어 인체의 인공뼈도 3D 프린터로 출력하여 사용하는 사례도 있다. 

 

향후 3D 프린터를 활용하여 시제품을 제작하거나 사업화할 수 있는 콘텐츠는 다양한 방면으로 발전할 것이다. 

 

3D 프린터(프린팅)의 유래와 특징 

 

3D 프린터는 설계 데이터에 따라 액체·파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공·적층 방식(Layer-by-layer)으로 쌓아 올려 입체물을 제조하는 장비로서 3차원 CAD에 따라 생산코자 하는 형상을 레이저와 파우더 재료를 활용하여 신속 조형하는 기술을 의미하는 RP(Rapid Prototyping)에서 유래하였다.

 

입체의 재료를 기계가공· 레이저를 이용하여 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가(Subtractive Manufacturing)와 반대되는 개념으로서 공식적인 기술 용어는 적층 가공(Additive Manufacturing)이다.

 

3D 프린터는 적층 방식과 입체물 제조에 활용 가능한 재료에 따라 다양한 기술로 구분할 수 있다. 적층 방식은 압출, 잉크젯 방식의 분사, 광경화, 파우더 소결, 인발, 시트 접합 등으로 구분 가능하며, 활용 가능 재료는 폴리머, 금속, 종이, 목재, 식재료 등 매우 다양하다.

 

사출성형(Injection Molding)이나 다이 캐스팅(Die Casting) 같은 대량생산 방식은 오랫동안 제조업 생산 방식의 표준이었다. 대량생산 방식은 규모의 경제 효과로 제품 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.

 

그러나 여러 제품을 제작하는 경우, 각 제품에 맞게 금형이나 공구 등을 변경해야 하기 때문에 전환 비용이 발생한다. 또한 사출성형, 다이 캐스팅, CNC 기계와 같이 틀 속에서 제품을 찍어내거나 깎아서 제품을 제조하는 방식으로는 복잡한 디자인을 구현하기에 한계가 있다.

 

3D 프린터(프린팅)의 장점

 

3D 프린터(프린팅)는 기존 제작 방식을 보완할 수 있는 두 가지 장점을 보유하고 있다.

 

첫 번째는 다양한 제품을 전환 비용 없이 유연하게 제작할 수 있다는 점이다. 따라서 맞춤형 제품 제작과 같이 다품종 소량생산을 하는 경우 3D 프린팅이 경제성 측면에서 유리할 수 있다.

 

두 번째는 한 층씩 쌓아 올려서 제품을 제작하는 적층가공 방식이기 때문에 디자인 제약이 없다는 점이다. 복잡한 디자인의 제품을 제작하는 경우, 3D 프린팅이 기존 제작 방식보다 우위에 있다.

 

3D 프린팅이 기존 제작 방식에 비해 유리한 영역을 구분해 볼 수 있다.

 

① 구조 복잡성은 크지 않으나, 수량이 적어 기존 방식으로는 경제성 확보가 어려운 영역으로 소량 맞춤형 제품이 포함된다.

 

② 소량 맞춤형 제품 중에서도 복잡한 디자인이 적용되는 영역으로 고부가가치 맞춤 생산 제품이 이에 해당된다.

 

③ 제품 생산 수량이 많음에도 불구하고 까다로운 디자인 때문에 기존 방식으로는 제작하기 어려운 영역이다. 여러 성능 요구 조건을 만족해야 하는 제품이 이에 해당된다.

 

3D 프린터는 시제품의 제작 비용 및 시간 절감, 다품종 소량 생산(Mass Customization)· 개인 맞춤형 제작 용이, 복잡한 형상 제작 및 재료비 절감 우위, 완제품 제작 시의 제조 공정 간소화 및 이에 따른 인건비·조립 비용 절감의 관점에서 많은 장점을 보유하고 있다.

 

3D 프린터를 활용하여 사내에서 시제품을 제작한다면, 손쉽게 디자인을 수정할 수 있을 뿐 아니라 별도의 금형이 필요 없기 때문에 투자 비용의 극적 감소가 가능하며, 시작품 사내 제작을 통한 기밀 유출 가능성도 차단할 수 있을 것이다.

 

더불어 소량 생산하더라도 3D 디자인 파일만 있으면 매번 디자인이 다른 제품을 생산하더라도 추가비 용이 거의 발생하지 않는 장점 때문에 개인 맞춤형 제작이 필수적인 보청기, 의료 시술, 의족 개발 등에서의 활용이 확산되고 있다.

 

뿐만 아니라 벌집구조와 같이 복잡하고 내부가 비어있는 형상 제작에 용이하며, 위상기하학 최적화(Topology Optimization)의 적용이 용이하기 때문에 동일한 강도이지만 중량은 절반으로 줄인 제품을 생산함으로써 가공 후 버리는 재료(Buy-to-Fly Ratio)의 급격한 감소를 실현할 수 있다.

 

마지막으로 일체형 생산(One Body)에 따른 시간·비용 절감 및 조립·용접 공정 간소화는 생산 공정상의 비용 감소에 기여할 것이다. 3D 프린팅은 시제품 제작을 넘어 상용 제품 제작 기술로 진화하고 있다.

 

기존 제조 방식을 완전히 대체하기보다는 3D 프린팅이 강점을 가진 소량의 맞춤형 제품 생산과 복잡한 디자인 제품 생산 영역에서 새로운 가치 창출 수단으로 활용될 것이다.