21세기를 바꾼 혁신적인 기술은 여러가지가 있습니다. 그 중 필자가 가장 흥미롭게 본 기술은 AI와 더불어 3D 프린팅이라고 생각을 합니다. 3D 프린팅 기술은 공학을 전공하는 디자인을 전공하는 사람들 뿐 아니라 개인 개발자들에게도 기존의 프로토타입 제작 방식에 비해 훨씬 저렴하고 빠르게 생산을 할 수 있습니다. 이를 통해서 대학교 학부과정에서 부터 3D 프린팅을 사용해서 제품 디자인에 사용되는 사례는 이제 흔하게 볼 수 있습니다. 심지어 현재 10대 학생들도 CAD, 3D 프린팅 등을 사용해서 제품 설계를 하는 사례도 있고, 집에 3D 프린팅 기기를 구비한 학생들도 흔하게 볼 수 있는 시대에 이르렀습니다.
그림 1 : 월슨의 3D 프린팅으로 제작된 공을 든 농구 선수 (출처 : Photo: Tim Nwachukwu/Getty Images)
이뿐 아니라, 실제 제품으로도 출시가 되는 경우도 있습니다. 최근 가장 유명하다고 생각되는 사례는 NBA에서 실제 농구공의 탄성과 규격을 거의 동일하게 설계한 후[1], 3D 프린팅만을 사용해서 제작한 농구공이 올스타전 덩크 콘테스트에서 시범적으로 사용된 사례가 있습니다. 이 공은 윌슨에서 직접 3D 프린팅만으로 제작한 것으로 공기 없이도 사용할 수 있어 출시되자마자 완판이 되기도 했습니다.
또한 2022년에는 3D 프린팅만으로 집을 짓는 사례[2] 도 발견되는 등 이제는 익숙하게 제품으로 접하기도 쉬워졌습니다. 그러면 문득 드는 생각이 있습니다. XR로 3D Printing 제작을 하는 어플리케이션이 있을까? 이에 대한 대답을 이번 아티클을 통해서 같이 고민해보면 좋을 것 같습니다.
그림 2 : 대표적인 3D 프린팅의 모습 (출처 : ABB News Center)
3D 프린팅은 사실 전문 용어로 AM(Additive Manufacturing) 으로도 불리우며, 디지털 설계 데이터를 바탕으로 소재를 한 층씩 적층하여 실제 물리적 객체를 제작하는 기술을 말합니다[3]. 주로 컴퓨터 기반 설계(CAD)와 결합하여, 기존의 절삭 가공(subtractive manufacturing)이나 성형 방식과 대비되는 혁신적인 생산 방식으로 쓰이고 있습니다[4]. 기존 가공 방식이 소재를 깎아내는 방식으로 폐기물이 많이 발생하는 반면, 3D 프린팅은 필요한 만큼의 재료만을 정밀하게 적층하므로 폐기물 발생량이 현저히 적고[5], 또한 3D 프린팅 기술은 복잡한 내부 구조나 경량화된 중공구조 제작에 적합하여, 기존 생산 방식으로는 제작이 어렵거나 불가능했던 형상까지도 쉽게 구현이 가능합니다[6]. 이러한 특징 덕분에 항공 우주, 자동차, 의료 및 바이오 분야 등 정밀하고 맞춤형 제작이 중요한 산업에서 널리 활용되고 있습니다[7].
그림 3. 스테레오리소그래피(SLA) 기술 특허 그림 (출처 : Link)
3D 프린팅 기술의 탄생은 1980년대 중반으로 거슬러 올라갑니다. 최초의 상용화된 3D 프린팅 기술인 스테레오리소그래피(Stereolithography, SLA)는 1984년 Charles Hull에 의해 발명되었습니다[8]. Hull은 액상 수지에 자외선 레이저를 조사하여 층별로 경화시켜 물체를 제작하는 방식을 개발하였고, 이를 1986년에 특허화하면서 현대 3D 프린팅 산업의 출발점을 마련했습니다[9].
그림 4. 3D 프린팅에 사용되는 열가소성 필라멘트의 모습 (출처 : Impresoras3D.com)
이후 1980년대 후반과 1990년대 초반, 다양한 3D 프린팅 기술들이 등장했습니다. 특히, Carl Deckard가 개발한 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering, SLS) 기술은 분말 소재를 레이저로 녹여 적층하며 플라스틱과 금속 등 다양한 재료 사용을 가능하게 하였습니다[10]. 또 다른 중요한 기술인 FDM(Fused Deposition Modeling)은 1989년 Scott Crump에 의해 개발되었으며, 열가소성 필라멘트를 녹여 적층하는 방식으로 비용 대비 효율성이 높아 널리 보급되었습니다[11]. 이처럼 1990년대에는 주로 신속 프로토타이핑(Rapid Prototyping) 용도로 산업 현장에서 빠르게 자리 잡았습니다[12].
그림 5. 3D 바이오 프린팅의 개념도 (출처 : BRIC(생물학연구정보센터))
2000년대 이후 3D 프린팅 기술은 급격한 발전과 대중화의 길을 걷게 됩니다. 특히 2009년 FDM 기술의 주요 특허가 만료되면서 RepRap과 같은 오픈소스 기반의 보급형 3D 프린터 개발이 폭발적으로 증가했고, DIY 문화와 결합하여 일반 소비자 시장까지 확대되었습니다[13]. 또한 소재 기술의 발전으로 다양한 폴리머, 금속, 복합재료, 생체 재료 등 활용 가능한 재료가 증가했고, 적층 정밀도와 생산 속도, 기계적 강도 면에서도 큰 발전을 이루었습니다[14]. 최근에는 금속 3D 프린팅 기술이 항공기 엔진 부품, 로켓 부품 및 의료 임플란트 등 고부가가치 산업으로까지 확장되어 전통 제조 공정을 대체하거나 보완하고 있습니다[15].
의료 분야에서는 맞춤형 임플란트, 치과용 보철물 제작뿐 아니라 바이오 프린팅 기술을 통해 살아있는 세포를 적층하여 인공 장기와 조직을 제작하는 연구까지 진행되고 있습니다[16]. 이처럼 3D 프린팅 기술은 단순한 프로토타이핑 용도를 넘어 대량 맞춤 생산(Mass Customization), 제조 현장 혁신, 그리고 지속 가능성 향상과 같은 다양한 산업적 가치 실현에 중추적 역할을 하고 있습니다[17].