3D 프린팅의 다재다능함: 성장 프린팅, 로보틱스 및 그 외

Additive Manufacturing은 1981년 코다마 히데오 박사가 층별 프린팅이라는 개념을 주입 성형과 대비해 처음 제시한 이후 크게 발전해 왔습니다. 그 이후로 게임 체인저가 되는 혁신들이 지속적으로 등장하면서 이 새로운 제조 공정이 진화해 왔습니다. 이제 몇 가지 혁신적인 개념이 시장에 등장하면서 3D 프린팅의 다재다능함이 더욱 확대될 전망입니다. 알아두어야 할 내용은 다음과 같습니다.

맞춤형을 넘어: 3D 프린팅의 확장되는 역량

3D 프린터는 맞춤형 형태를 만드는 것 이상의 능력을 가지고 있습니다. 오늘날 3D 프린터는 금속, 차세대 복합재, 작동 전자 부품, 심지어 인간 장기까지 프린팅할 수 있습니다. 이러한 모든 개발은 기술을 한 단계 더 끌어올리는 새로운 혁신을 지속적으로 촉진하고 있습니다. 다음은 산업을 다음 단계로 끌어올릴 수 있는 최근 3D 프린팅 발전 사례입니다.

로보틱스에서의 3D 프린팅: 액추에이터의 새로운 시대

3D 프린팅 로보틱스를 생각하면 금속 3D 프린터가 로봇 부품을 출력하고 이를 조립해 기능을 갖추는 모습을 떠올릴 수 있습니다. 이러한 접근 방식도 가능하지만, 이는 소규모 생산이나 일회성 맞춤형에만 의미가 있습니다.

로보틱스에서 3D 프린팅을 보다 효과적으로 활용하는 방법은 액추에이터를 만드는 것입니다. 액추에이터는 로봇의 부품을 움직일 때 작동하는 시스템으로, 일반적으로 전류가 흐를 때 동작하는 전기 서보 형태입니다. 그러나 서보는 무겁고 강직하며 장치에 복잡성을 더한다는 단점이 있습니다.

Empa 기능성 고분자 연구소 팀은 이러한 한계를 인식하고 고유전율 유전체 엘라스토머 액추에이터 섬유의 빠른 제조¹ 연구를 발표했습니다. 이 보고서는 로봇용 인공 근육을 액추에이터로 만드는 새로운 접근 방식을 강조하며, 층별 배치 방식의 일괄 생산 필요성을 없앴다고 설명합니다.

유전체 엘라스토머 액추에이터: 연성 로보틱스 발전

연속 공동압출 기반 제조 방식을 사용하면 3D 프린터가 인간 근육과 유사한 부드러움과 탄성을 유지하면서도 작동하는 액추에이터를 만들 수 있습니다. 구체적으로, 이 장치는 전압이 가해지면 수축하고 전압이 없을 때는 팽창된 상태로 이완됩니다. 이는 근육이 작동하는 방식과 유사합니다.

출처 – Empa

혁신적인 소재: 듀얼 잉크 접근법

그들의 개발 핵심은 특수 프린터와 잉크를 만드는 것이었습니다. 잉크는 특정 조건에서 쉽게 액체화되면서도 완성 후에는 형태와 탄성, 수축성을 유지해야 했습니다. 엔지니어들은 두 가지 실리콘 기반 재료를 통합했습니다.

첫 번째 재료는 전도성 전극 물질이었고, 두 번째 층은 비전도성 유전체였습니다. 두 재료는 동시에 프린팅되었으며, 서로 섞이지 않고 손가락을 맞물린 듯한 교차 결합 패턴으로 배치되었습니다. 또한, 재료를 전달하기 위한 특수 노즐도 개발되었습니다.

그 결과, 이전 모델보다 무게가 가볍고 움직이는 부품이 전혀 없는 초고감응 액추에이터가 탄생했습니다. 엔지니어들은 이 액추에이터를 거의 모든 설계 형태로 제작할 수 있어 다양한 응용 분야에 적용 가능하다고 밝혔으며, 프린팅 비용도 낮고 수명도 서보 대비 길다고 강조했습니다.

잠재적 응용 분야: 로보틱스에서 의학까지

이 기술은 여러 분야에 걸쳐 다양한 응용이 가능합니다. 엔지니어들은 이미 이 기술을 활용해 얇고 완전 기능을 갖춘 고유전율 섬유를 제작하고, 부상 시 인간 근섬유를 대체할 수 있는 가능성을 논의하고 있습니다.

앞으로는 자동차, 기계류 등 현재 구식이고 비효율적인 대안을 사용하는 분야에서도 이 저비용·고신뢰성 액추에이터가 사용될 전망입니다. 현재 팀은 생산 비용을 낮추고 이 첨단 3D 프린팅 기술의 새로운 응용 분야를 탐색하고 있습니다.

성장 프린팅: 자연에서 영감을 받은 3D 프린팅 방법

Beckman Institute for Advanced Science and Technology의 엔지니어들은 특수 장비나 금형 없이도 가능한 자연 영감 3D 프린팅 방법을 최근 소개했습니다. 연구 논문 형태 발생 성장 3D프린팅²은 3D 프린팅 비용을 낮추고 고급 폴리머를 이용한 맞춤형 부품의 빠른 제조를 가능하게 한다고 약속합니다.

성장 프린팅은 나무가 성장하는 방식을 영감으로 한 흥미로운 개발입니다. 나무를 보면 그 성장 과정이 유전적 요인과 환경적 요인의 결합이라는 사실을 잘 모를 수 있습니다. 나무는 위치 최적화를 위해 미세한 성장 조정을 지속적으로 수행합니다.

출처 – Beckman Institute

나무 성장의 각 층은 위치 제한을 보완하고 유리한 측면을 강화하도록 계산된 추가입니다. 이러한 접근법은 나무가 성장 과정에서 보완을 이루어 더 높은 안정성과 내구성을 달성하도록 합니다.

반응-확산 과정: 3D 프린팅의 새로운 접근법

새롭게 만든 3D 프린팅 방법은 반응-확산 과정을 활용합니다. 이 방식에서는 100g의 액체 수지인 디사이클로펜타디엔을 65 × 65 × 65 mm³ 크기의 개방형 유리 용기에 넣고, 이를 110 × 110 × 110 mm³ 크기의 얼음물 비커에 담근 뒤, 수지 중심을 1/8인치 직경·2인치 길이의 카트리지 히터로 70 °C까지 가열합니다.

AI와 성장 프린팅의 계산 모델링

고급 컴퓨터 모델이 가열된 용기에서 수지를 서서히 들어올리는 방식을 결정하도록 도와주며, 이를 통해 수지가 층별로 특정 형태로 냉각될 수 있게 합니다. 소프트웨어는 다양한 요인을 고려하고 들어올리는 과정을 조정해 원하는 형태를 구현합니다.

다음으로 로봇 팔이 압출 헤드를 조작해 가열된 상태에서 차가운 환경으로 이동시키고, 층별로 경화되도록 합니다. 이때 중력 및 기타 요인을 고려해 각 단계에서 층을 추가합니다. 따라서 이 3D 프린팅 방식은 더 높은 압력을 견딜 수 있는 강인한 설계를 만들 수 있습니다.

특히 엔지니어들은 컴퓨터 알고리즘을 활용해 압출 팁의 이상적인 단면 설계, 팁의 각운동 경로, 다중 팁이 필요할 경우 병합 전면, 그리고 수지 점도를 결정합니다.

반응-확산을 통한 3D 프린팅 정밀도 향상

흥미롭게도 반응-확산 모델을 이용하면 가열된 팁의 움직임을 기반으로 부품 형태를 정확히 예측할 수 있습니다. 또한 최소 움직임으로 형태를 만들 수 있는 최적 경로를 결정하게 해줍니다. 이러한 발전은 특정 설계의 3D 프린팅 속도를 높이는 데 기여합니다.

엔지니어들은 DSLR 카메라를 사용해 과정의 측면 사진을 촬영했으며, 이를 통해 온도와 기타 요인을 미세 조정했습니다. 특히 전체 360도 모니터링이 가능한 유리 비커와 유리 스탠드를 사용했으며, 이 접근법이 더 강한 프린트를 더 빠르게 만든다는 것을 확인했습니다.

성장 프린팅의 산업 및 과학적 응용

빠른 3D 프린팅 기술에 대한 수요가 크게 증가하고 있습니다. 3D 프린터는 맞춤형 부품 및 소량 생산에 뛰어나지만, 완성까지 시간이 오래 걸립니다. 최고의 방법조차도 수시간이 소요되고 경화가 필요합니다. 내구성 있는 형태와 부품을 신속히 프린팅할 수 있는 능력은 많은 산업에 큰 장점이 될 것입니다.

입자 물리학에서의 3D 프린팅: 섬광 검출기의 혁신

ETH 취리히의 창의적인 연구팀 덕분에 적층 제조가 이제 양자 영역까지 진출했습니다. 이 팀은 최근 “입자 추적 및 칼로리메트리를 위한 3D 분할 플라스틱 섬광 검출기의 적층 제조“³라는 연구를 발표했으며, 이는 대규모 플라스틱 섬광 검출기를 제작하는 새로운 방식을 제시해 향후 과학자들의 연구 비용을 낮출 수 있습니다.

섬광체란 무엇이며 3D 프린팅이 어떻게 개선하고 있는가?

섬광 물질은 입자 물리학에서 중성자 움직임을 감시하기 위해 흔히 사용됩니다. 이러한 시스템은 연구자들이 전리 방사선을 탐지하는 주요 방법 중 하나이며, 중성자를 추적하고 X선, 베타, 감마선 존재를 판단할 수 있습니다. 따라서 이 장치들은 이러한 방사선을 추적하려는 과학자들에게 필수적인 구성 요소입니다.

SuperFGD와 입자 탐지의 미래

SuperFGD는 현재 섬광 검출기의 표준입니다. SuperFGD는 수백만 개의 큐브를 포함할 수 있는 매우 복잡한 장치로, 전하 입자를 탐지하고 추적하도록 설계되었습니다. 이 장치는 전하 입자가 장치를 통과할 때 에너지 손실을 측정함으로써 작동하며, 각 큐브에는 광섬유가 삽입되어 있습니다.

문제는 이러한 핵심 장치를 제조하는 데 비용과 시간이 크게 소요된다는 점입니다. 이러한 비용은 채택을 방해하고 접근성을 제한합니다. 새로운 융합 주입 모델링(FIM)은 융합 적층 모델링(FDM)과 사출 성형을 결합해 보다 저렴한 대안을 만들지만, 최신 3D 프린팅 버전과 비교하면 아직 부족합니다.

SuperCube 소개: 비용 효율적인 섬광체 대안

새로운 설계를 시연하기 위해 엔지니어들은 SuperCube 섬광체를 제작했습니다. 이 업그레이드된 장치는 125개의 광학적으로 격리된 복셀을 갖추고 있어 입자 에너지 경로를 추적할 수 있습니다. 이 유닛은 5 × 5 × 5 구성으로 배열되며, 각 복셀은 두 개의 직교 파장 변환 섬유를 수용하도록 설계되었습니다.

이 접근법은 SuperFGD와 동등한 성능을 제공하면서 비용은 극히 낮았습니다. 또한 하나의 복셀을 제작하는 데 약 6분이 소요되어 현재 옵션보다 훨씬 빠릅니다. 팀은 향후 몇 달 안에 제작 시간을 절반으로 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다.

과학적 응용: CERN에서 우주 탐사까지

이 장치들의 적용 분야는 세계 최고의 연구소에서의 과학 연구를 포함합니다. 언젠가 이러한 장치는 CERN이나 위성에 설치되어 실시간으로 우주선 및 기타 전하 입자를 탐지하는 데 활용될 수 있습니다.

3D 프린팅의 다음 단계? 떠오르는 혁신

현재 3D 프린팅 분야에서는 다양한 일들이 진행 중입니다. 올해는 우주에서의 적층 제조, 다중 소재 사용, 복합 소재 조합을 통한 기능 부품 제작 등이 이루어졌습니다. 앞으로는 더욱 복잡한 소재 상호작용이 고안되어 한 번에 작동 부품을 프린팅할 수 있게 될 것입니다. 다음은 향후 몇 달 동안 시장을 재편할 몇 가지 추가 개발 사항입니다.

홀로그래픽 직접 사운드 프린팅 (HDSP)

엔지니어들은 초음파 홀로그래피를 이용해 벽을 통과해 프린팅하는 방법을 개발했습니다. 이 장치는 파동을 이용해 형태를 조직하고 물리적 접촉 없이 경화시킵니다. 이 접근법은 복잡한 디자인을 프린팅할 수 있는 방법을 제공하며 매우 인상적인 활용 사례를 보여줍니다.

우주비행사가 접근이 거의 불가능한 부품을 교체하거나 수리하는 상황을 상상해 보세요. 이는 며칠에 걸친 노동 없이도 가능할 수 있습니다. 더 나아가 수술 없이도 의사가 장기를 복구할 수 있는 상황을 떠올리면, 이러한 시나리오가 홀로그래픽 3D 프린팅 혁신 덕분에 현실이 될 수 있습니다.

3D 프린팅 주택: 저렴한 주거와 우주 식민지화의 미래

3D 프린팅 주택을 만들기 위한 많은 노력이 진행 중입니다. 이 기술은 주거 비용을 낮추고 우주 식민지화 가능성을 열어줄 것입니다. 엔지니어들은 이 프린터들을 행성 고유의 재료를 활용해 서식지를 구축함으로써 비용을 더욱 절감할 수 있다고 전망합니다.

우주에 건축 자재를 운반하는 것이 비용이 많이 드는 점을 고려하면, 이 전략은 매우 합리적입니다. 이러한 상황에서는 전용 3D 프린터를 건설용으로 활용하는 것이 최선의 선택이며, 또 다른 3D 프린터가 특수 도구와 기타 요구 사항을 제작해 프로세스를 간소화할 수 있습니다.

4D 프린팅의 부상: 형태 변형 구조

성장 프린팅 및 기타 발전은 4D 프린팅 혁명의 문을 엽니다. 4D 프린팅은 형태 변형 부품을 프린팅하는 것을 의미합니다. 4D 프린팅 부품은 1D 스트랜드가 3D 형태로 변형되는 프린트를 말합니다. 많은 분석가들은 4D 프린팅이 언젠가 착용자와 함께 성장하거나 필요 없게 되면 스스로 분해되는 보철물을 만들 수 있는 미래라고 보고 있습니다.

3D 프린팅의 뛰어난 다재다능함

3D 프린팅이 진화함에 따라 오늘날 많은 제품에 가장 적합한 옵션이 되었습니다. 3D 프린터의 유연성과 다재다능함은 엔지니어들이 층별 방식을 활용해 새로운 창의적인 제작 방식을 지속적으로 고안하도록 합니다. 이러한 최신 발전은 한계를 더욱 넓히고 3D 프린팅 편리성의 새로운 시대를 열 것입니다.

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참조 연구:

^{1. Danner, P. M., Pleij, T., Liechti, F., Wolf, J., Bayles, A. V., Vermant, J., & Opris, D. M. (2025). 고유전율 유전체 엘라스토머 액추에이터 섬유의 빠른 제조. Advanced Materials Technologies. https://doi.org/10.1002/admt.202500190}

^{2. Kim, Y. S., Zhu, M., Hossain, M. T., Sanders, D., Shah, R., Gao, Y., Geubelle, P. H., Ewoldt, R. H., & Tawfick, S. H. (2025). 형태 발생 성장 3D 프린팅. Advanced Materials, 37(12), Article 2406265. https://doi.org/10.1002/adma.202406265}

^{3. Kieseler, J., & Canelli, F. (2025). 입자 추적 및 칼로리메트리를 위한 3D 분할 플라스틱 섬광 검출기의 적층 제조. Communications Engineering, 4(1), Article 371. https://doi.org/10.1038/s44172-025-00371-z}