3D 프린터(3) : 제조업의 혁명

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<제조업의 혁명을 이끌 3D 프린터>

인류는 그동안 채취, 농사, 수렵 등을 통해 자급자족하고 일부 필요한 물건들을 외부로부터 물물교환을 통해 받아들이는 형태로 생활해왔다. 그러나 산업혁명을 통해 현재와 같이 공장에서 분업화로 만든 필요한 물건들을 구매하는 시스템 즉 산업에서의 기계화된 생산 설비로 저렴한 가격의 물품을 생산해내는 것을 기본으로 삼았다. 한마디로 대량생산이라야 가격도 저렴해질 수 있다는 것으로 많은 사람들이 똑같은 제품을 사용하는데 이의를 제기하지 않았다.

그러나 3D 프린터로 대별되는 제4차 산업혁명은 기존 대량생산체제에서는 수용되지 않는 거의 불가능한 개인들의 수요를 충족시킬 수 있게 만들 수 있다는데 중요성이 있다.

기존에는 생산자들이 공장에서 생산하고 유통업체들이 배달 및 판매하고 소비자들이 소비하는 3단계로 분리되었지만 인터넷의 온라인 마켓이 등장하면서 유통이라는 중간 단계를 흡수, 폐기시켰다 해도 과언이 아니다. 그런데 이 시스템도 3D 프린터의 등장으로 생산마저 디지털화되면서 소비 이전의 과정이 ‘도면’으로 대표되는 콘텐츠의 생산으로 축약되고 소비지점에서 직접 생산하는 것도 가능해진 것이다. 간단하게 말하여 멀리 있는 상점에 가서 쇼핑할 필요 없이 필요할 때 바로 3D 프린터를 켜고 만들어 쓰면 되기 때문이다.

외국에 출장가 백화점에서 본 신상품을 3D 스캐닝 프로그램을 이용하여 스마트폰으로 촬영한 후 한국으로 보내면 곧바로 3D 프린터로 뽑아낼 수 있다. 한마디로 신상품이 출시되자마자 다른 나라에서 복제할 수 있다는 것으로 유명 캐릭터 업체들이 전전긍긍하지 않을 수 없는 세상이 되었지만 이는 역으로 3D 프린터가 장소와 거리의 제약에서 벗어나 제조업의 새로운 모멘텀을 이끌 혁신의 무기가 될 수 있음을 알려준다. 일부 학자들은 3D 프린터가 보편화되면 대부분의 기업들이 ‘상품’을 파는 회사에서 ‘설계도’를 파는 회사로 변모하지 않으면 생존하지 못할 것으로 예측한다.

이런 변화는 궁극적으로 보이어 박사의 렙랩 프로젝트와 메이커 운동으로 인해 저렴한 가격의 3D 프린터의 보급으로 가능한 시대로 진입했다는 것을 의미한다.

 

<3D 프린터의 특성>

3D 프린터의 잇점은 개인이 맞춤형 보청기나 의족 심지어는 인공 장기 제작에도 사용될 수 있다는 점이다. 고가의 의료기기를 자신이 직접 만들 수 있다는 말에 놀라겠지만 이는 공상의 일이 아니다. 다음과 같은 3D 프린터의 기술 속성 때문이다.

 

① 조립 불필요

3D 프린터에 사람들이 환호하는 것은 여러 가지 부품을 정교하게 조립해야 하는 기계를 쉽게 만들 수 있다는 점이다. MIT 공대에서는 3D 프린터를 이용하여 조립이 필요없는 로봇 제작 방법을 발표했다. 액체와 고체를 동시에 출력할 수 있는 3D 프린터를 이용하여 움직이는 부분을 포함한 로봇을 만든 후 배터리와 모터만 장착하면 된다.

3D프린터가 얼마나 범용적으로 사용할 수 있는가는 유럽항공방위산업체(EADS)가 3D프린터로 ‘에어바이크’라는 자전거를 제작 즉 인쇄했다는 것으로도 알 수 있다. 에어바이크가 특별한 이유는 바퀴와 페달, 안장, 몸체를 따로 만들어 조립한 것이 아니라 자전거 한 대를 완성품으로 인쇄했기 때문이다. 인쇄한 직후 페달을 밟으면 바퀴가 굴러가며, 조립한 것이 아니므로 정기적인 수리를 하지 않아도 된다.

 

3D프린터로 만든 자전거

에어바이크는 나일론 가루로 레이어를 겹겹이 쌓아 인쇄했다. 강철이나 알루미늄으로 만든 기존 자전거보다 약 40%나 가볍다. 가장 매력적인 점은 3차원 설계를 수정하면 내 체형과 기호에 맞게 안장 높이와 바퀴 크기, 색깔과 디자인을 바꿀 수 있다. 세상에 하나뿐인 맞춤형 자전거를 자신이 직접 만들어 타고 다닐 수 있는데 이런 아이디어가 자전거에 한하지 않는다는 설명이다.

 

② 개별 제작

3D 프린터가 주목받은 것은 과거 ‘소품종’ 대량생산 방식이 ‘다품종’ 소량생산 방식으로 바뀔 수 있기 때문이다. 이는 규모의 경제에 의존하여 원가와 효율성 등을 중요시하던 기존 컨베이어 벨트 기반의 생산 방식이 소비자들의 다양한 요구를 반영한 제품들을 생산하는 방식으로 변용이 가능하기 때문이다. 한마디로 적합한 모델의 도면만 있으면 다품종 소량생산 시스템을 구현해 소비자 각자의 욕구를 만족시키는 제품을 생산할 수 있다.

 

2차산업혁명의 핵 컨베이어 시스템

3D 프린터의 중요성은 창업을 준비하는 초기 벤처 스타트업의 필수 장비로 꼽힐 수 있다는데 있다. '프로토타입(prototype)'이라고 부르는 시제품을 저렴하고 빠르게 만들어낼 수 있기 때문이다.

자금이 부족한 스타트업이 공장에서 시제품을 찍어내는 것은 경제적으로 크게 부담스러운 일이다. 중간에 설계를 변경하기도 어려운데 3D 프린터를 이용하면 디자인을 바꾸면서 새로 디자인한 형상을 만들어낼 수 있다. 이는 설계 디자인한 것들을 유연하게 제작할 수 있으므로 맞춤형 물품 즉 다품종 소량생산이 가능하기 때문이다.

 

③ 다양한 제품 제작

3D 프린터의 장점은 디자인 생산에 제약 사항이 없다는 점이다. 적층가공 방식이기 때문에 가상공간에서 설계한 것들을 만들어 낼 수 있다.

학자들이 3D 프린터에 큰 점수를 주는 것은 3D 프린터로 기존에 복잡했던 제작과정을 줄여 시제품은 물론 실제 완제품까지 3D 프린터로 만들 수 있었기 때문이다.

그동안 금형으로 구현이 어려운 부분을 3D프린터는 간단하게 해결할 수 있다. 아무리 디자인이 멋지더라도 똑같은 실제물이 나오지 않는 이유 중 하나가 금형 제작이 현실적으로 어렵기 때문이다.

그런데 3D 프린터의 경우 값비싼 금형을 사용하지 않더라도 수학적 알고리즘으로는 세밀하고 정밀한 부분을 모두 만들어낼 수 있다는 점이다. 한마디로 상상 그대로 실제물을 저렴한 가격으로 만들 수 있다는 것이다. 더구나 그것이 시제품이든 완성품이든 문제가 아니다.

3D 프린터의 큰 장점은 기존 대량생산체제에서 제대로 구현되지 못했던 개인의 작은 아이디어가 쉽게 시도될 수 있다는 점이다. 특히 창조적인 아이디어가 IT기술과 접목되면 다품종 소량 생산을 통한 고부가가치 창출이 가능하다.

학자들이 주목하는 것은 3D 프린터의 등장으로 소비 형태가 획기적으로 다양해질 수 있다는 점이다. 생산업체에서는 설계도를 판매하고 소비자가 가정에 구비하고 있는 3D 프린터를 통해 직접 생산해서 사용하는 방법이 정착되면 유통업 역시 새로운 패러다임을 맞게 된다는 것이다.

 

3D프린터로 만든 망원경

소비자에게 제품 선택권을 완벽하게 제공하여 각자 상황에 맞는 제품을 주문 생산할 수 있게 되면 생산자들은 재료의 낭비를 줄이면서 빠른 디자인 변경이 가능한 획기적인 아이디어를 제공할 수 있다. 한마디로 3D 프린터로 제조업 분야를 디지털화해 인터넷을 통한 생산-유통-소비가 가능해질 수 있다는 것이다.

학자들은 가정에서 사용하는 인테리어 소품 등을 소비자가 3D 프린터로 직접 제작해 사용하는 시기가 멀지 않았다고 추정한다. 이는 산업체 디자이너들이 CAD프로그램으로 필요한 원형을 다양하게 만들어 볼 수 있게 만들어 준다. 또한 한 자리에서 다양한 모양을 만들어 내기 때문에, 여러 지역에서 부품을 만들어 공수해 와야 하는 부품 수급망을 획기적으로 줄일 수 있다.

 

④ 다양한 크기 가능

학자들은 3D 프린터의 영향으로 영화 ｢맥가이버」, ｢가제트」에 등장하는 장면들이 현실로 다가올 수 있다고 생각한다. ｢가제트」에서 가제트 형사는 원하는 물건을 휴대하면서 위기에 대처하는데 이런 장면이 가능할 수 있게 만드는 초소형 3D 프린터도 개발되었다.

이 프린터는 780그램의 소형 박스 크기로 스마트폰 화면에 나타나는 이미지를 이용해서 직접 입체물을 만들 수 있다. 스마트폰에서 전용 앱을 실행하고 스마트폰 위에 3D 프린터를 올려놓으면 그대로 프린팅된다. 작고 가벼운데다 소음이 거의 없고 4개의 AA배터리로 동작 가능하므로 앞으로 필수 휴대품 즉 핸드백과 같이 보급될 수도 있다는 전망이다.

흥미로운 것은 유럽에서 최근 3D 프린터로 제작한 피규어 스케이트가 큰 인기라는 점이다. 개인 성향에 맞게 만들 수 있기 때문으로 이 스케이트는 기존 제품보다 약 6배 이상의 가격에 팔리지만 공급이 수요에 딸린다는 말도 듣는다.

최근 3D의 혁신은 놀라울 정도다.

미국 뉴욕시립대 헌터컬리지에서 나노 차원의 3D 기술로 초소형 바이오칩을 만드는데 성공했다고 발표했다. 바이오칩이란 생화학적 반응을 빠르게 탐지하기 위해 생체 유기물과 무기물을 조합하여 만든 혼성소자를 말한다. 연구팀은 금도금한 피라미드형 부품, 초소형 LED등, 광화학 반응장치 등을 활용해 생체 유기물과 무기물을 칩 표면에 다양하게 프린트 할 수 있었다고 설명했다. 이제까지의 기술로는 바이오칩 안에 한 종류의 단백질만 프린터할 수 있었는데 칩 표면에 다양한 단백질을 프린터 하는데 성공한 것이다. 이 연구가 큰 반응을 받은 것은 질병 등과 관련, 포괄적으로 단백질 반응을 관찰할 수 있는 길이 열렸다고 생각하기 때문이다.

반면에 초대형 프린터도 가능하다. 일반적으로 3D 프린터는 소형이라는 개념을 뒤엎는 것으로 풍력발전소의 대형 블레이드도 신속하게 제작할 수 있다. 항공기에 소요되는 많은 대형 부품을 3D 프린터로 해결하는 시대가 멀지 않았다고 추정하는 이유다.

‘스위스 아트 어워드 2013’에서 1:3 크기의 제작물 하나가 공개됐다. 조각품명은 ‘디지털 그로테스크(Digital Grotesque)’로 약 1,650억 개의 면들이 모여 만들어진 아주 복잡하고 기괴한 조형물이다. 제작 데이터만 78기가바이트. 모래와 접착제를 사용해 구현한 이 작품은 일반 거실에는 들어가지 않을 정도로 큰 3D 프린터가 이용됐다. 완성하는데 들어간 모래만 약 11톤이나 된다. 이 작품의 놀라운 점은 표면 2억6,000만 개를 제작할 수 있는 알고리즘을 만들었다는 점으로 실제로 인간의 힘으로만 이를 만들려면 정밀성 때문에 시도조차 어려운 일이다. 그런데 3D프린터이므로 가능한 작품이다.

3D 프린터도 진화중이다. 4D 프린터다.

3차원 입체에 '시간'이라는 또 하나의 차원을 더한 것으로, 2013년 미국 MIT 자가조립연구소의 스카일러 티비츠 교수가 제안했다.

4D 프린터는 미리 정해둔 상황에 따라 스스로 형체를 바꾸는 것이 핵심이다. 온도나 습도, 시간, 압력 등 특정 조건이 되면 스스로 형태가 바뀌는 것인데, 이를 위해 일정 온도가 되면 원래 형태로 돌아가는 특수 형상기억합금을 사용하거나 소재 안에 작은 전기회로를 넣어서 형태를 바꿀 수도 있다.

하드웨어와 소프트웨어가 기술적으로 어떤 조건에서 어떤 모양으로 바꿀지 설계를 철저하게 만들어야 하지만 학자들은 환경 변화에 따라 적응이 필요한 자동차나 도로 시설, 인공장기 등에 널리 사용될 것으로 생각한다.