3D 프린터(4) : 3D 프린터의 활약

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<3D 프린터의 활약>

3D 프린터가 활약할 분야는 헤아릴 수 없이 많이 있다. 한마디로 3D프린팅 기술이 인간의 거의 모든 분야에서 접목될 수 있다는 것이다. 이에는 우주 분야도 빠지지 않는다.

 

① 산업 분야

산업체에서 3D 프린터가 획기적으로 활용될 수 있다는 것은 대형 자동차 및 항공기 회사들이 3D 프린터를 필요한 부분에 적극적이라는 것을 보아도 알 수 있다.

이들 업체는 특허기간이 종료되자마자 3D 프린터를 적극적으로 도입하기 시작했다.

자동차 업계에서 3D 프린터 도입에 적극적인 것은 신차를 개발할 때 걸리는 기간을 3〜5년 정도가 기본이며 개발에 투자되는 비용은 보통 수억 달러가 넘는데 이를 획기적으로 줄일 수 있기 때문이다.

이중 가장 많은 시간과 비용이 소요되는 부분이 시제품을 제작하여 각종 성능을 테스트하는 것이다. 가장 중요한 것은 수년의 개발 기간 동안 여러 항목에 걸친 테스트를 수행해야하므로 상당수의 시제작 차량이 필요하다. 차체는 물론 엔진 및 트랜스미션을 비롯한 자동차 부품 대다수를 금형으로 만들어야 하므로 막대한 비용과 시간이 투입된다. 그런데 3D 프린터가 이런 부분에서 독보적인 장점을 보인다.

이탈리아의 람보르기니 자동차 회사는 3D프린터로 40,000달러에 달하는 슈퍼카 시제품 제조비용을 3,000달러로 줄일 수 있었다고 발표했다. 새로운 디자인에 대한 욕구가 다양하지만 비용 문제로 실현이 어려웠던 자동차 산업에 그야말로 충격을 준 것이다.

독특한 자동차 생산방식으로 유명한 로컬모터스는 3D프린터를 활용하여 자동차를 생산한다. 한국의 현대자동차, 어비 등을 비롯해 자동차 부품을 3D프린터로 생산하는 기업들이 있지만 로컬모터스는 자동차의 거의 모든 부분을 3D프린터로 생산한다.

로컬모터스의 모토는 고객이 원하는 디자인에 맞게 자동차를 생산한다는 것이다.

그러므로 대형 자동차 회사들과 달리 셀 생산 방식을 채택한다. 셀 생산방식은 BAAM(Big Area Additive Manufacturing)을 기반으로 해서 제작한다. 자동차를 조밀한 부품으로 나눠 개발하는 컨베이어 방식과 달리, BAAM은 자동차를 크게 나눠서 조립하는 방식으로 바디와 섀시, 대시보드, 콘솔, 후드 등을 합쳐서 출력한다.

이는 자동차의 조립과 생산을 매우 단순하게 해준다. ‘2015 디트로이트모터쇼’에서 로컬모터스는 ‘스트라티(Strati)’란 전기 자동차를 모든 사람들이 지켜보고 있는 가운데 3D 프린터로 44시간 만에 제작했다. 보통 3D 프린터를 통해 인쇄할 수 있는 크기는 30cm 이내지만, 자동차 제작용인 ‘BAAM’은 3m 길이의 물체를 만들 수 있다. 기존 방식으로 자동차를 생산할 시 필요로 하는 부품 수는 대체로 20,000여 개에 달하는데 셀 방식의 BAAM으로는 자동차 생산에 필요한 부품은 고작 40여개로, 무려 1/50으로 감소시켰다.

 

 

3D 프린터로 만든 자동차

자동차 재료도 금속이 아닌 플라스틱인데 탄소섬유로 강화해 금속만큼 단단하다. 이러한 소재 사용으로 자동차 무게 200kg에 지나지 않는 초경량 자동차인데도 공식 테스트에서 시속 60〜96km의 속력을 내면서 달렸다. 3D 프린터로 장착된 로컬모터스는 구매자들이 온라인으로 원하는 디자인의 자동차를 주문하면, 바로 자동차 생산에 들어가는데 일주일 내로 자동차 생산이 가능하다.

3D프린터로 활용한 자동차 제조방식은 자동차 산업의 큰 혁신을 불러올 것으로 보이는데 가장 큰 변화는 자동차 산업의 진입장벽이 낮아질 것이라는 점이다. 3D프린터를 도입하면 대형 회사가 아닌 한 접근조차 불가능했던 자동차를 제조할 수 있다. 각 자동차 정비소에서 주문형 자동차를 생산하는 것도 어려운 일이 아니다. 그만큼 새로운 일자리가 태어날 수 있다는 뜻이다.

물론 현재 도로에 달리고 있는 자동차 전체를 3D 프린터로 제작한다는 것은 과장된 이야기다. 3D 프린터가 SF 영화의 단골 메뉴로 등장하는 만능복제기처럼 무엇이든 뚝딱 만들어내는 것은 아니기 때문이다.

학자들은 우수한 장비를 갖춘 공장의 경우 약 4분의 1 작업은 3D 프린터로 하고 나머지 작업은 다른 기계가 도맡아 하는 것이 가장 효율적이라고 제시한다. 3D 프린터는 프린트 인쇄 헤드를 장착하는 시스템 크기의 한계 때문에 제작할 수 있는 크기에 제한이 있기 때문이다. 또한 어떤 재료도 같은 프린팅 과정을 거쳐야 하므로 다양한 재료를 사용하는 데 한계가 있다. 더불어 3D 프린터의 가장 큰 단점은 작업 공정상 물건 제조에 몇 시간 또는 몇 일이 걸릴 정도로 속도가 느리다는 점이다. 속도 문제는 앞으로 크게 개선될 것으로 생각되지만 여하튼 3D 프린터가 많은 장점이 있더라도 ‘만병통치약’은 아니라는 뜻이다.

 

설사 (SULSA)

2011년 영국 사우스햄튼대는 3D 프린터로 인쇄한 비행기 ‘설사(SULSA, Southampton University Laser Sintered Aircraft)’를 최고 시속 160km의 속도로 날게 하는데 성공했다. 길이 2.1m의 날개에 무게 3kg인데 SULSA는 400W짜리 모터엔진을 얹은 이 작은 무인비행기는 날개, 액세스 해치, 그리고 나머지 비행기의 구조물을 모두 3D 프린터를 이용해 만들고 속이 텅 빈 동체 속에 전기로 작동되는 엔진과 배터리를 클립으로 얹어서 조립한 것이다. 특히 동체와 날개는 3D 프린터로 나일론 재질로 쌓아서 만들었기 때문에 연결부위에 볼트나 나사 등을 전혀 사용하지 않은 것이 특징이다. 물론 비행기 모형 전체를 한 번에 만들 수가 없어 여러 조각을 하나하나 이어야 했다.

여객기나 군용기 등의 동체와 날개는 날개에 걸리는 하중에 견딜 수 있게 튼튼하고도 가벼운 구조로 돼 있다. 동체의 경우 보통 알루미늄 합금의 박판(薄板)으로 외형을 형성하고 그 내면(內面)에 보강재를 장치한 세미모노코크(semi-monocoque) 구조로 만든다. 타원 모양의 속이 빈 자율주행자동차을 상상하면 쉽다. 특히 날개의 경우 불꽃을 내뿜는 모양의 타원형 형태로 가공할 때 비행에 가장 효율적인데 이런 항공기 동체와 날개를 가공하기가 쉽지 않다.

그런데 SULSA 날개와 동체는 3D 프린터가 아주 간단하게 만들었다. 비록 날개 길이 1.2m의 소형 항공기이긴 하지만 3D프린터로 만든 SULSA가 비행에 성공했다는 것은 시사점이 크다. 현재의 화물기 등 일반 항공기에는 70,000여 개의 부품, 군용기에는 20만〜30만여 개의 부품이 사용될 정도로 복잡하다. 그런데 보잉사는 이미 22,000개 이상의 부품을 3D 프린터로 만들고 있다고 발표했다.

이렇게 대형항공사에서 3D로 빠른 접목이 가능한 것은 자성 소재(Magnetic Material)를 이용해 공중에 띄운 후 다중 3D 프린터 헤드를 이용해 프린팅하는 방법이 개발되었기 때문이다.

이 기술은 아래부터 쌓아올리는 기존 방식과 달리 3D 프린터 헤드가 360도 어느 곳에나 위치할 수 있어 제작 속도가 빠르고 복잡한 제품 제작도 가능하다. 특히 보잉787이 탑재한 GE의 터보 팬 제트엔진은 3D 프린터로 출력한 부품을 60개 이상 내장하고 있다고 발표되었다. 이와 같이 3D 프린터로 제작한 부품을 비행기 제작에 탑재할 수 있는 것은 3D 프린터의 주요 소재가 플라스틱, 나일론 분말일 뿐만 아니라 금속, 세라믹 등 다양한 소재로 제작이 가능하기 때문이다.

프랑스의 항공기 제조업체인 에어프랑스사는 2050년까지 모든 비행기 부품을 3D프린터로 만들 것이라고 발표했다. 실제로 미국 GE는 이미 3D프린터를 이용해 제트엔진용 티타늄 연료 주입구를 단 하나의 부품으로 복잡한 형태의 조형물을 만들었다. 3D 프린팅 기술이 없다면 연료 주입구를 만드는 데 적어도 20개의 부품이 필요하다.

항공기 분야에서 3D프린터가 큰 효용도를 보일 수 있는 것은 보잉사가 2015년에 총 762대를 항공사에 인도한 것으로도 알 수 있다. 한 달에 64대 수준으로 항공 산업은 다품종 소량생산에 가까운 산업임을 보여준다.

그러므로 거대한 비행기의 상당 부분을 3D 방식으로 만든다는 것은 항공기 업체로 보아 매우 매력적이다. 보다 가벼우면서도 강도 높은 재료가 필요한 분야에서 더욱 3D의 효용도는 높아질 수밖에 없다. 이를 반영하듯 에어버스(Airbus)사의 엔지니어들은 보다 3D 프린팅 기술을 업그레이드시켜 제트 항공기의 날개와 부품들도 제작하겠다고 발표했다.

3D프린터의 보편성은 프랑스의 앙트안 구필이 3D프린터에 문신총(tatoo gun)을 장착해 문신을 새겨주는 기계를 만들었다는 것으로도 알 수 있다. 놀라운 것은 3D프린터 문신시술기계는 프랑스문화부장관이 주최한 파리 디자인스쿨의 워크숍 기간 중에 출품된 것으로 프랑스 정부의 공인을 받았다는 뜻도 된다.

이 기계는 개조된 데스크톱 메이커봇 3D프린터에 문신 총(tatoo gun)을 장착한 것으로 피부 위에 그려진 펜디자인을 따라 문신을 새겨준다.

더욱 놀라운 것은 3D프린터로 옷도 만들어 입을 수 있다.

손재주 많은 사람들이 직접 옷감을 재단하여 옷을 만들어 입기도 하지만 3D 프린터는 누구나 자신만 입고 싶은 옷을 만들어 입을 수 있다. 이를 증빙하듯 3D 프린터로 만든 옷을 주제로 한 패션쇼가 파리에서 개최되기도 했다.

2013년 미국의 유명 패션모델 ‘디타 본 티즈(dita von teese)’는 3명의 젊은 미국 디자이너들이 공동으로 제작해서 만든 3D프린터 의상을 직접 입고 나타났다. 망사 드레스인 이 옷이 특이한 것은 3,000개 이상의 관절 구조로 엮어져서 사람의 움직임과 활동에 따라 변형이 되도록 만들어져 있다. 또한 17개의 각기 다른 부분을 한 올 한 올 조합하고 연결해 만들었는데 이 옷의 기본은 3D 프린팅 기술이다.

 

3D프린터로 만든 옷

유명 신발브랜드인 나이키, 뉴발랑스가 신발 패션쇼를 열기도 했다.

아디다스는 3D프린터를 이용하여 제작한 러닝화 ‘퓨처그래푸트 3D’를 출시했다. 이 신발은 밑창 중간 부분인 중창을 개개인의 발에 맞게 3D프린터로 뽑아 만든 것이다. 과거에는 일부 운동선수만 맞춤형 운동화를 이용해 최상의 컨디션을 유지했지만 이제는 3D프린터로 개개인의 발 상태에 알맞는 신발을 제작해 신을 수 있다는 것이다.

카이스트(KAIST)의 이민화 박사는 앞으로 90, 95, 100과 같은 옷 치수나 260mm, 265mm, 270mm 같은 신발 호수를 나누는 기준도 무의미해진다고 말했다.

미래학자 레이먼드 커즈와일은 3D옷이 활성화되면 완제품 옷이 무게 당 몇 원 밖에 되지 않을 것이라고 말했다. 실제로 옷의 도면만 갖고 있으면 그 자리에서 옷을 출력하여 입을 수 있는 것은 물론 간단하게 색상만 바꾸어 세계에서 유일한 옷을 입고 다닐 수 있다.

2014년 1월, 일본의 3D프린터 스타트업 기업의 ‘라쿠쿠리(Raku kuri)’는 매우 간단하면서도 실용적인 아이디어를 선보였다. 어린아이가 크레파스로 스케치북에 그린 그림을 3D프린터를 이용해 실제 입체 형상으로 만들어 준다. 이는 2D로 된 아이들의 그림을 업로드만 하면 된다. 스케치북에 그린 그림이 실제로 만들어진다는 것 자체가 3D 프린터가 무한정 효용도를 갖고 있다는 것을 알려준다.