3D프린팅을 들여다보면 소재를 층층이 쌓아가는 방식을 적용하고 있다는 것을 알 수 있다. 일반 프린터에서 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를 분사하듯, 3D 프린터에서는 디지털화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성해 소재를 한 층씩 적층해 나간다.

이런 식으로 최근 자동차 등 복잡한 구조의 제품들을 생산하고 있다. 문제는 생산 속도다. 낱개로 파는 단품 생산에는 유리하지만 대량 생산을 하기에는 시간이 너무 많이 걸린다. 제조업체에서 선뜻 3D프린터를 채용하지 못하고 있는 이유다.

과학기술자들이 이 문제를 해결하고 있다. 지난 1일 'MIT 테크노롤지 리뷰'는 많은 연구 그룹들이 다양한 방식을 적용해 적은 비용으로도 수백만 개의 작고 독특한 제품을 제조할 수 있는 3D프린터를 만들고 있다고 보도했다.

홉킨스대·HP 등 스텔스 강판 등 생산 

최근 모습을 드러내고 있는 대량생산용 3D프린터를 보면 소재를 하나하나 쌓아가는 적층가공 (additive manufacturing), 제품의 모양을 성형해나가는 사출성형(injection molding) 등에 있어 기존 제품과 다른 모습을 보이고 있다.

일단 프린터에 투입되고 있는 자재 사용량을 최소한으로 줄이고 있다. 기존의 3D프린터의 복잡한 공정과정도 축소해 나가고 있다. 비록 단순하지만 공장에서 대량생산이 가능한 3D 프린트를 만들고 있다. 이런 대량생산 공정이 일부 기업들을 통해 도입되고 있다. 자동차와 항공회사들은 자동차와 항공기 무게를 줄이기 위해 특수 부품들이 개발했는데, 이들 부품 생산에 대량생산용 3D프린터를 투입하고 있다.

영국 쉐필드대 닐 홉킨슨(Neil Hopkinson) 교수는 고속 3D프린터를 개발하고 있는 연구자 중의 한 사람이다. 그는 10년이 넘는 기간 동안 3D프린터에 적용할 수 있는 고속 소결(high-speed sintering) 방식을 연구해온 인물이다. 소결(燒結)이란 고체 가루를 틀 속에 넣고 프레스로 적당히 눌러 단단하게 만든 다음 가열을 통해 한 덩어리로 만드는 과정이다. 홉킨스 교수는 이 작업을 위해 레이저를 적용한 레이저소결(laser sintering) 장치를 개발한 바 있다. 그러나 고비용에 시간이 너무 많이 걸렸다. 그래서 개발한 것이 적외선램프(infrared lamp) 소결장치다. 가열기능이 있는 적외선을 통해 적은 비용으로 뛰어난 소결 장치를 만들 수 있었다. 적층가공 과정 역시 기술혁신이 가능했다. 기존 프린터에 도입되기 시작한 잉크젯 프린터 헤드를 3D프린터에 적용하기 시작했다.

홉킨스 교수가 개발한 이 3D프린터는 현재 특수 강판을 생산하고 있는 중이다. 금속물질에 (레이더에 잡히지 않는) 스텔스 기능을 지닌 RAM(Radiation Absorbing Material) 페인트’를 투입해 원적외선으로 가열한 다음 이 혼합 소재로 매우 얇은 특수 강판을 만들고 있다.

생산 혁신… 차세대 제조업 혁명 예고 

홉킨스 교수는 이 적외선 방식의 3D프린터가 기존의 다른 프린터들과 비교해 거의 100배 정도 더 빠른 속도로 제품을 생산할 수 있다고 말했다. 또 사출성형과 같은 다른 제작 과정에 있어서도 탁월한 능력을 보이고 있다는 설명이다.

3D프린터 회사들 역시 홉킨스 교수의 주장을 받아들이고 있는 분위기다. 대표적인 3D프린터회사인 스트라시스(Stratasys)의 필 리브스(Phil Reeves) 부사장은 “홉킨스 교수의 적외선 소결장치가 레이저 방식의 문제점을 근본적으로 해결하고 있다”고 말했다. 그러나 3D프린터를 생산 현장에 적용하기 위해서는 아직 해결해야할 부분이 많이 남아 있다는 평가다. 가장 큰 난제는 소재 기술이다. 제품생산을 위해 중합체(重合體, polymer)와 같은 첨단 소재들이 투입돼야 하는데 3D프린터에서 그런 일을 할 수 있느냐는 것이다.

이런 고민이 이어지고 있는 가운데 이 분야 시장성을 높게 보고 휴렛 팩커드(HP)에서 새로운 방식의 프린터를 개발하기 시작했다. 관련 업계에 따르면 HP 프린터 역시 잉크젯 시스템을 채용하고 있는 것으로 알려졌다.

3D프린터를 처음 개발한 사람은 1984년 벤처기업 ‘3D시스템즈’를 설립한 찰스 헐(Charles W. Hull)로 알려져 있다. 액체 상태에서 빛을 받으면 굳어지는 플라스틱을 사용해 제품의 단면을 적층 인쇄할 수 있는 기술을 특허 출원했다.

이후 금속 분말에 레이저를 쏘거나, 플라스틱을 녹여 단면을 직접 인쇄하는 등 여러 가지 방식의 3D 프린팅 기술들이 등장해왔다. 그리고 지금까지 3D프린터 기술은 주로 시제품 제작에 이용돼 왔다.

디자인만 있으면 그 자리에서 시제품을 제작할 수 있기 때문이다. 그러나 지금 이 기술이 시제품을 넘어 대량생산 단계로 이전하고 있는 중이다. 관계자들은 3D 프린터가 향후 생산기술에 있어 차세대 제조혁명을 일으킬 수 있을 것으로 보고 있다.

홈킨스 대학의 3D프린팅 연구는 영국 정부와 몇몇 기업으로부터 적극적인 지원을 받고 있는 중이다. 그 동안 개발해온 일부 기술들은 특허 출원을 마친 상태다. 산업 현장에서 돌풍의 핵이 될 수 있는 기술이 대학 연구팀을 통해 개발되고 있는 중이다.