3D 프린팅

3D 프린팅(3D printing)은 적층 제조(additive manufacturing)라고도 하며, CAD 모델이나 디지털 3D 모델로부터 3차원 물체를 만들어내는 것을 말한다. 이는 컴퓨터 제어 아래 재료를 침착(deposit)하거나 접합하거나 응고시키는 다양한 공정으로 이루어질 수 있으며, 재료(예: 플라스틱, 액체, 또는 융합되는 분말 입자)를 서로 더해가는 방식으로, 일반적으로 층층이 쌓아 올린다.

1980년대에 3D 프린팅 기법은 기능적 또는 심미적 시제품(prototype) 제작에만 적합하다고 여겨졌으며, 당시에는 쾌속 조형(rapid prototyping)이라는 용어가 더 적절했다. 2019년 기준으로 3D 프린팅의 정밀도, 반복성, 재료 범위가 향상되어 일부 3D 프린팅 공정은 산업 생산 기술로서 실용성이 있다고 여겨지게 되었으며, 이러한 맥락에서 적층 제조라는 용어는 3D 프린팅과 동의어로 사용될 수 있다. 3D 프린팅의 핵심 장점 중 하나는, 손으로는 만들기 어려운 매우 복잡한 형상이나 기하 구조를 생산할 수 있다는 점이다. 여기에는 속이 빈 부품이나, 무게를 줄이면서도 재료 낭비를 덜 발생시키는 내부 트러스 구조를 가진 부품 등이 포함된다. 열가소성 재료의 연속 필라멘트를 사용하는 용융 적층 모델링(fused deposition modeling, FDM)은 2020년 기준으로 가장 널리 쓰이는 3D 프린팅 공정이다.

출처: Wikimedia Commons, GFDL 1.2

용어

적층 제조(additive manufacturing, AM)라는 포괄적 용어는 2000년대에 (여러 방식 가운데 어떤 식으로든) 재료를 더해간다는 주제에서 착안하여 대중화되었다. 이와 대조적으로, 절삭 제조(subtractive manufacturing)라는 용어는 재료 제거를 공통 공정으로 하는 거대한 기계 가공 공정군을 가리키는 역성어(retronym)로 등장했다. 3D 프린팅이라는 용어는 대부분의 인식 속에서 여전히 고분자(폴리머) 기술만을 지칭했으며, AM이라는 용어는 폴리머, 잉크젯, 광조형(stereolithography) 애호가들 사이에서보다는 금속 가공 및 최종 사용 부품 생산의 맥락에서 사용될 가능성이 더 높았다.

2010년대 초에 이르러 3D 프린팅과 적층 제조라는 용어는 적층 기술을 아우르는 대체 포괄어로서의 의미를 발전시켰는데, 하나는 소비자-메이커 커뮤니티와 미디어의 일상 언어에서 쓰였고, 다른 하나는 산업용 최종 부품 생산자, 기계 제조사, 국제 기술 표준 기구에서 더 공식적으로 쓰였다. 최근까지 3D 프린팅이라는 용어는 저렴하거나 성능이 낮은 기계와 연관되어 있었다. 3D 프린팅과 적층 제조는 이 기술들이 자동 제어 아래 3차원 작업 공간 전반에 걸쳐 재료를 더하거나 접합한다는 주제를 공유함을 반영한다. 《Additive Manufacturing》 잡지의 편집장 피터 젤린스키(Peter Zelinski)는 2017년에 이 용어들이 여전히 일상적 사용에서는 종종 동의어이지만, 일부 제조업계 전문가들은 적층 제조가 3D 프린팅에 더해 다른 기술이나 제조 공정의 다른 측면까지 포함한다는 구분을 지으려 한다고 지적했다.

동의어나 상위어로 사용된 다른 용어로는 데스크톱 제조(desktop manufacturing), 쾌속 제조(rapid manufacturing, 쾌속 조형의 생산 수준 논리적 후계자), 온디맨드 제조(on-demand manufacturing, 2D 인쇄 의미의 온디맨드 인쇄를 연상시킴) 등이 있었다. 형용사 '쾌속(rapid)'과 '온디맨드(on-demand)'를 명사 '제조(manufacturing)'에 적용하는 것이 2000년대에 새로웠다는 사실은, 거의 모든 생산 제조가 힘든 공구 개발을 위한 긴 리드 타임을 수반했던 이전 산업 시대의 오랜 지배적 심상 모델을 드러낸다. 오늘날 '절삭(subtractive)'이라는 용어는 '기계 가공(machining)'이라는 용어를 대체하지 않았으며, 대신 어떤 제거 방식이든 포괄하는 용어가 필요할 때 이를 보완한다. 애자일 툴링(agile tooling)은 적층 제조 또는 3D 프린팅 방식으로 생산되는 공구를 설계하는 모듈식 수단의 사용으로, 신속한 시제품 제작과 공구·지그 수요에 대한 대응을 가능하게 한다. 애자일 툴링은 고객과 시장의 수요에 신속히 대응하기 위해 비용 효율적이고 고품질인 방법을 사용하며, 하이드로포밍(hydroforming), 스탬핑, 사출 성형 및 기타 제조 공정에 사용될 수 있다.

3D 프린팅과 적층 제조라는 용어는 둘 다 같은 것으로 볼 수 있지만, 일부 표준 기구는 이 둘을 구분한다. 미국 국가표준협회(ANSI)에 따르면, ISO/ASTM 52900과 같은 국제 표준은 적층 제조를 3D 모델 데이터로부터 부품을 만들어 재료를 층층이 더해가는 공정으로 정의한다. 이에 비해 3D 프린팅은 프린트 헤드나 노즐 유형 장치의 변형을 통해 재료를 침착하여 물체를 만드는 것으로 설명된다. 산업 및 기술 환경에서는 적층 제조가 선호되는 용어인 경우가 많고, 3D 프린팅은 일반 대중이 더 많이 사용한다.

역사

1940년대와 1950년대

3D 프린팅에 사용될 일반적 개념과 절차는 머리 라인스터(Murray Leinster)가 1945년 단편소설 〈지나가는 것들(Things Pass By)〉에서 처음 묘사했다: "하지만 이 조형기는 효율적이면서도 유연하다. 나는 요즘 집과 배를 만드는 재료인 마그네트로닉 플라스틱을 이 움직이는 팔에 공급한다. 그것은 광전지로 스캔한 도면을 따라 공중에 그림을 그린다. 그런데 플라스틱이 그리는 팔 끝에서 나와 나오면서 굳는다... 오직 도면만을 따라서."

이는 레이먼드 F. 존스(Raymond F. Jones)가 1950년 11월호 《Astounding Science Fiction》 잡지에 발표한 소설 〈장사의 도구(Tools of the Trade)〉에서도 묘사되었다. 그는 그 소설에서 이를 "분자 분무(molecular spray)"라고 불렀다.

1970년대

1971년 7월 27일, 요하네스 F. 고트발트(Johannes F Gottwald)는 1969년 7월 11일 출원한 "액체 금속 기록기(Liquid Metal Recorder)"에 대해 미국 특허 3596285A를 받았다. 이는 연속 잉크젯 금속 재료 장치로, 재사용 가능한 표면 위에 제거 가능한 금속 조형물을 형성하여 즉시 사용하거나, 재용융을 통해 다시 인쇄하기 위해 회수할 수 있게 하는 것이었다. 이는 쾌속 조형과 제어된 온디맨드 패턴 제조를 갖춘 3D 프린팅을 묘사한 최초의 특허로 보인다.

특허에는 다음과 같이 적혀 있다:

여기서 사용되는 '인쇄(printing)'라는 용어는 제한적 의미로 의도된 것이 아니라, 잉크로 기호, 문자 또는 패턴을 쓰거나 형성하는 것을 포함한다. 여기서 사용되는 '잉크(ink)'라는 용어는 염료나 안료를 함유한 재료뿐만 아니라, 표면에 적용되어 마킹으로 기호, 문자 또는 지능적 패턴을 형성하기에 적합한 임의의 유동성 물질이나 조성물을 포함하는 것으로 의도된다. 선호되는 잉크는 핫멜트 유형이다. 본 발명의 요건을 충족할 수 있는 상업적으로 이용 가능한 잉크 조성물의 범위는 현재로서는 알려져 있지 않다. 그러나 본 발명에 따른 만족스러운 인쇄는 잉크로서의 전도성 금속 합금으로 달성되었다.

그러나 이처럼 크고 연속적인 디스플레이에 대한 재료 요건의 측면에서, 종전에 알려진 소비율로 소비되되 크기 증가에 비례하여 증가한다면, 높은 비용은 앞서 언급한 목적을 충족하는 공정이나 장치의 광범위한 활용을 심각하게 제한할 것이다.

따라서 지정된 종류의 공정에서 재료 사용을 최소화하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.

이러한 공정에 사용되는 재료가 재사용을 위해 회수되는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 글쓰기 및 이와 유사한 것을 위한 조합은 지능적 패턴을 표시하기 위한 캐리어와 그 캐리어에서 패턴을 제거하기 위한 배열을 포함한다.

1974년, 데이비드 E. H. 존스(David E. H. Jones)는 《New Scientist》 저널의 정규 칼럼 〈아리아드네(Ariadne)〉에서 3D 프린팅의 개념을 제시했다.

1980년대

초기 적층 제조 장비와 재료는 1980년대에 개발되었다.

1980년 4월, 나고야 시립 공업 연구소의 고다마 히데오(Hideo Kodama)는 광경화 열경화성 폴리머로 3차원 플라스틱 모델을 제작하는 두 가지 적층 방법을 발명했는데, 여기서 자외선(UV) 노출 영역은 마스크 패턴이나 스캐닝 광섬유 송신기에 의해 제어되었다. 그는 이 XYZ 플로터에 대한 특허를 출원했고, 이는 1981년 11월 10일에 공개되었다(JP S56-144478). 그의 연구 결과는 학술 논문으로 1981년 4월과 11월에 발표되었다. 그러나 이에 대한 반응은 없었다.