모든 것을 바꿀 수 있는 3D 프린팅 발전

연구자와 엔지니어들이 새로운 방법을 개발하면서 3D 프린팅의 활용 범위가 넓어지고 있습니다. 미세중력에서의 제조부터 건축까지 다양한 연구가 진행 중입니다. 다음은 일상생활이나 산업에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 사례입니다.

능동 전자 부품의 3D 프린팅

MIT 연구팀은 전통적인 반도체 없이 전류를 전환하는 부품을 출력하는 데 성공했습니다 . 반도체는 데이터 처리와 저장 등 현대 전자기기에 필수적이지만, 제조에는 특수 설비와 정밀한 공정이 필요합니다. 이번 연구는 단순한 전기적 기능을 다른 방식으로 구현할 수 있는지 살폈습니다.

출처 – MIT

연구팀은 구리 나노입자가 들어간 고분자 필라멘트로 복귀 가능한 퓨즈처럼 동작하는 스위칭 소자를 만들었습니다. 이는 저렴한 재료를 활용한 능동 전자 부품 연구이며, 실리콘 칩의 모든 기능과 성능을 대체하는 새로운 반도체를 만든 것은 아닙니다.

전자 분야에서의 3D 프린팅 발전

이 접근은 앞으로 단순한 제어 회로를 필요한 장소에서 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 완전한 스마트 기기를 가정용 프린터로 출력하는 기술이 이미 준비됐다는 의미는 아닙니다. 에너지와 폐기물 절감 효과도 공정 전체에서 평가해야 합니다.

표면 특성을 조절하는 3D 프린팅

속도 조절 아이러닝 은 MIT와 델프트공과대학교 연구진이 개발한 방법입니다. 열과 두 개의 노즐을 이용해 출력물의 표면 특성을 바꿉니다.

첫 번째 노즐은 열에 반응하는 필라멘트를 놓고, 두 번째 빈 노즐은 재료를 추가하지 않고 표면을 다시 가열합니다. 온도를 일정하게 둔 채 이동 속도를 바꿔 열이 전달되는 양을 조절하므로 색조, 불투명도와 질감을 바꿀 수 있습니다.

표면의 기능성 높이기

예를 들어 미끄럼을 줄이는 질감의 도구 손잡이를 만들 수 있습니다. 여러 표면 특성을 위해 재료를 반복해서 바꾸는 일을 줄이면 폐기물을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

연구팀은 설계자가 원하는 색조와 질감을 지정할 수 있는 인터페이스도 개발했습니다. 실제 속도와 재료 절감 효과는 출력 대상과 비교 방식에 따라 달라집니다.

홀로그래픽 직접 음향 프린팅

콘코디아대학교 연구팀의 홀로그래픽 직접 음향 프린팅(HDSP)은 음파가 만드는 공동현상을 이용해 고분자를 굳히는 접근입니다. 여기서 홀로그램은 광학 이미지가 아니라 공간적으로 조절된 음향장과 관련됩니다.

공동현상에서는 압력 변화로 생긴 기포가 붕괴하며 국소적으로 높은 온도와 압력을 만들 수 있습니다. 이 효과를 이용해 특정 영역의 중합 반응을 유도합니다. 연구의 핵심은 이러한 음향 효과를 정밀하게 제어하는 것입니다.

이 방법은 복잡한 형상과 여러 재료를 다루는 가능성을 제시합니다. 출력 중 형상을 바꾸거나 여러 대상을 만드는 접근도 연구되고 있지만, 모든 재료와 작업에서 적은 폐기물이나 높은 효율을 보장하는 것은 아닙니다.

음향을 이용해 직접 접근하기 어려운 위치에서 재료를 굳히는 응용도 제안됐습니다. 그러나 사람의 피부를 통해 이식 가능한 장기를 출력하는 치료가 입증됐다는 뜻은 아닙니다. 기기 내부 부품의 수리 같은 활용도 재료와 구조에 따른 추가 검증이 필요합니다.

3D 프린팅 주택

대형 3D 프린터로 건축 부재나 주택의 일부를 만드는 프로젝트가 진행되고 있습니다. 다만 모든 건물이 곧 프린팅 방식으로 지어질 것이라고 예측할 수는 없습니다.

주택 부족에는 토지, 인허가, 금융, 자재와 인력 등 여러 원인이 있습니다. 건설 프린팅은 특정 공정을 개선할 수 있지만, 주택 공급 문제 전체를 해결하는 유일하거나 최선의 방법으로 확정된 것은 아닙니다.

특수 콘크리트나 적절한 흙 혼합물을 층층이 쌓아 벽체를 만들 수 있습니다. 총공사비에는 기초, 지붕, 설비, 인력과 장비도 포함되므로 재료가 저렴하다고 완성 주택의 비용까지 항상 크게 낮아지는 것은 아닙니다.

복잡한 벽체 형상이나 단열 공간을 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다. 온도 조절, 강도와 운영비는 건물 전체의 설계와 검증에 따라 달라집니다. 기술이 발전하더라도 지역별 도입 속도는 다를 수 있습니다.

커뮤니티를 구축하는 3D 프린팅

지역 주민에게 장비 사용과 유지관리 기술을 전수하면 이후 생산에도 도움이 될 수 있습니다. 하지만 건물마다 자재, 비용, 전문 인력, 토지와 허가가 필요합니다. 프린터를 남겨 두는 것만으로 최소 비용의 무제한 건축이 가능해지는 것은 아닙니다.

우주에서의 프린팅

우주에서 필요한 부품과 도구를 직접 만들 수 있다면 보급 의존도를 줄일 수 있습니다. 미세중력 환경에서는 재료의 거동과 장비 설계가 달라져 별도의 공정 개발이 필요합니다. 자동화 역시 작업과 품질 관리를 완전히 없애지는 않습니다.

캘리포니아대학교 버클리 연구진의 SpaceCAL은 CAL(computed axial lithography) 방식을 우주 환경에서 시험한 사례입니다. CAL은 빛의 투사 패턴을 여러 방향에서 적용해 수지 내부의 입체 형상을 굳히는 체적 프린팅입니다. 두 개의 레이저로 층을 쌓는 방식이 아닙니다.

2024년 6월 비행에서는 네 개의 시험 부품을 만들었습니다. 출력 사례에는 작은 배 모양의 표준 시험 모델인 Benchy가 포함됐으며, 벤치 의자가 아닙니다. CAL은 일부 형상을 20초 이내에 만드는 가능성을 보여줬지만, 이 속도가 모든 재료와 부품에 적용되는 것은 아닙니다.

우주 임무를 지원할 수 있는 제조

이러한 기술은 임무 중 필요한 도구나 부품을 생산하는 데 활용될 수 있습니다. 조직과 바이오소재의 출력도 장기적인 연구 분야지만, 우주에서 환자에게 이식할 완전한 장기를 만드는 일이 확립된 것은 아닙니다.

CAL은 지상 연구에서 60종이 넘는 재료에 적용됐습니다. 이는 SpaceCAL이 한 번의 우주 비행에서 60종을 시험했다는 뜻이 아닙니다. 미세중력은 지상에서 만들기 어려운 일부 형상의 제작에 도움이 될 가능성이 있습니다.

3D 제조를 지원하는 기업

3D 프린팅에는 설계, 측정, 스캐닝과 품질 관리도 중요합니다. 다음 기업은 프린터 자체보다는 이러한 디지털 측정 기술을 제공하는 사례입니다.

FARO Technologies Inc.

FARO Technologies 는 사이먼 라브(Simon Raab)와 그레그 프레이저(Greg Fraser)가 몬트리올에서 시작한 활동에서 출발했습니다. 초기 의료 측정 분야에서 1990년대 산업용 측정과 제조 관련 분야로 사업을 넓혔습니다.

2024년 당시 플로리다에 본사를 둔 FARO는 3D 측정, 스캐닝과 영상 기술을 제공했습니다. 제품과 서비스 확대를 위해 기업 인수도 활용해 왔습니다.

제조 공정과 연관돼 있지만 주요 3D 프린터 제조업체와 같은 사업으로 볼 수는 없습니다. 주가가 경쟁사보다 항상 덜 변동한다거나 특정 ETF 편입이 좋은 투자 성과를 보장한다고 가정해서도 안 됩니다.

3D 프린팅의 기술 경쟁

기업과 연구기관, 공공 부문은 3D 프린팅의 활용을 넓히기 위해 노력하고 있습니다. 미국의 Additive Manufacturing Forward는 공급망에서 기술 도입을 촉진하려는 자발적 협력 프로그램이며, 법률이 아닙니다. 앞으로의 확대는 기술뿐 아니라 경제성과 실용성에 달려 있습니다.

다른 3D 프린팅 발전 사례를 여기에서 살펴보세요.