The Science Times

3D 프린팅은 4차 산업혁명을 이끌 유망 기술 중 하나로 꼽힌다. 앞으로는 중앙 집중화된 시스템의 통제를 받지 않고 각 기기가 개별 공정에 알맞은 것을 판단해 실행하게 됨에 따라 제조업에서도 개인의 취향에 맞춘 물품을 더 다양하게 더 빨리 만들 수 있는 생산성 혁신을 이루기 때문이다.

3D 프린팅은 3차원 캐드(CAD) 설계도만 있으면 얇은 층을 쌓는 방법으로 무엇이든 실제 사물을 만들어낼 수 있으니 개인 맞춤형 제작에 가장 유리한 기술이다. 하지만 아직까지 3D 프린터로도 만들 수 없는 물품이 있다. 대표적인 것이 바로 유리 제품이다.

유리 제품은 고온으로 용융시킨 다음 정밀한 주조 공정을 거쳐야 하며, 세밀한 가공을 위해 유해 화학물질을 필요로 하므로 성형이 까다롭기로 악명이 높다. 현재 세라믹이나 금속 등은 3D 프린팅이 가능하지만, 유리는 불가능했던 게 이런 이유 때문이다.

독일 카를스루에 공과대학의 연구진이 액체 유리를 잉크로 사용해 제작한 성 모양의 유리 제품. ⓒ NeptunLab/KIT

그런데 최근 그동안 3D 프린팅으로 제조하기 힘들었던 분야들이 속속 정복되고 있어 3D 프린팅의 완전 상용화가 더욱 앞당겨질 전망이다.

독일 카를스루에 공과대학의 연구진은 3D 프린터를 이용해 순수한 유리로 만들어진 3차원 구조물을 만드는 데 성공했다. 이 연구결과는 지난 4월 ‘네이처’ 지에 게재됐다. 연구진은 유리 나노입자들을 액체 용액 속에 혼합해 만든 액체 유리를 3D 프린터의 잉크로 사용했다.

연구진은 그 액체 유리를 이용해 작은 성(城)과 매듭 모양의 과자인 프리첼 등을 3D 프린터로 출력하는 데 성공했다. 출력된 유리 제품은 800℃의 고온에서도 견딜 만큼 내구성이 좋았다. 연구진은 이 새로운 기술이 작은 카메라 렌즈에서부터 초고층의 외벽에 이르기까지 다양한 규격의 유리 제품을 생산하는 데 사용될 수 있다고 밝혔다.

수명 다한 원전 부품, 3D 프린팅으로 제작

인쇄된 유리 제품은 상업용 용융 실리카 유리의 투명성을 지닌 것은 물론 비다공성이며 거칠기가 수 나노미터밖에 되지 않아 매끄러운 표면을 지닌 것으로 알려졌다. 또한 금속염을 첨가함으로써 유리의 컬러도 마음대로 조정할 수 있다.

연구진은 앞으로 이 기술을 적용한 3D 프린터가 상용화될 경우 일반인들도 화려한 색깔의 창문 등 자신만의 유리 제품을 마음대로 제작할 수 있을 것이라고 주장했다. 유리는 광학적 투명성이 뛰어나고 내열성 및 전기 절연성 등이 우수해 과학 연구 및 산업계에서 가장 중요시하는 고성능 소재다.

원자력발전소에서 사용하는 기계 부품도 3D 프린팅으로 제작돼 사용되고 있어 화제다. 슬로베니아의 크르스코 원전은 지난 1월부터 3D 프린터로 인쇄한 부품을 이용해 안전하게 원전을 가동하고 있다고 밝혔다.

3D 프린팅으로 제작된 부품은 계속해서 회전 작동하는 펌프를 화재로부터 보호하는 직경 108㎜의 금속 임펠러다. 원래 장착된 부품은 1981년 원전이 상업운전을 개시한 이후 계속해서 사용하던 것으로서 수명이 다해 교체해야 할 상황이었다. 하지만 부품의 원 제작사가 폐업한 상태였던 것.

이에 따라 독일 기업 ‘지멘스’에서 해당 부품의 디지털 복제품을 만든 다음, 그 설계를 바탕으로 스웨덴 핀스팡에 있는 공장에서 3D 프린터로 교체용 부품을 제작하는 데 성공했다. 지멘스는 3D 프린터로 만든 임펠러가 원전의 품질 안전 기준을 만족하는지 확인하기 위해 CT 스캔 등을 포함한 여러 가지 품질 검사를 수행한 결과, 해당 부품이 원래의 부품보다 더 강한 성질을 갖고 있다는 사실을 확인했다. 또한 지멘스는 이것이 원전에서 3D 프린터로 제작한 기계부품을 상업적으로 성공리에 설치해 지속적으로 안전하게 작동하고 있음을 보여준 최초 사례라고 밝혔다.

3D 프린팅은 이미 원자력 산업에 적용되고 있다. 영국의 셀라필드 사는 2014년 5월 3D 프린팅 기술로 금속 및 플라스틱 부품을 만들어 낡은 원자력 시설을 해체하는 데 이용한 바 있다. 3D 프린팅은 이처럼 기존에 존재하지 않던 새로운 물건을 만드는 것 외에도 오래되어 더 이상 제조되지 않는 부품을 만드는 데 아주 유용하다.

따라서 머지않은 미래에는 자동차 제조사나 가전제품 제조사들의 부품 창고가 사라질 수도 있다. 그동안 제조사들은 AS를 위해 각 모델별 부품을 일정 기간 보관해야 했으나, 3D 프린팅이 활성화될 경우 설계도만 있으면 언제든 소비자의 요구가 있을 때 찍어내기만 하면 되기 때문이다.

미래의 우주 탐험에도 꼭 필요한 기술

한편, 미국 실리콘밸리의 3D 프린팅 스타트업 ‘비헥스’는 최근 6분 만에 피자를 만들 수 있는 시스템을 개발하는 데 성공했다. 비헥스가 이 같은 제품을 만든 이유는 미국 항공우주국(NASA)의 요청 때문이었다. 즉, 우주인들이 화성 미션을 수행할 때 우주에서 3D 프린터로 편리하게 음식을 만들 수 있게 하기 위한 프로젝트였던 것이다.

우주 같은 무중력 공간에서 3D 프린터로 처음 입체물을 제작하는 데 성공한 것은 지난 2014년 11월 국제우주정거장에서였다. 지상관제팀이 우주정거장에 설치된 3D 프린터에 명령을 보내 로고가 새겨진 명판을 제작한 것. 그 같은 실험을 한 이유는 우주선의 부품을 우주 공간에서도 자유롭게 만들어 사용하기 위해서였다.

그런데 최근 중국과학원 산하의 녹색지능연구소에서 우주 같은 무중력 공간에서 3D 프린터로 플라스틱 렌치를 만드는 데 성공했다. 이 프린터는 NASA가 최근 국제우주정거장에 설치한 3D 프린터보다 더 큰 부품들을 제작할 수 있는 것으로 알려졌다.

중국 연구진은 무중력 상태에서의 3D 프린팅 기술이 우주정거장의 수리 및 유지에 매우 효과적이며, 미래의 우주 탐험에 필수적인 기술이 될 것이라고 밝혔다.

(5910)