3D 프린팅 - '3차 산업혁명' 스페셜 리포트

[晩 翠]

저번 '천연가스'편에 이어 이번에는 이코노미스트 스페셜리포트인 '3차 산업혁명'를 준비해 보았습니다. 이코노미스트는 영국의 섬유공업의 자동화(1차)와 미국을 중심으로 한 대량생산(2차)의 시대를 넘어 현재 제조업의 디지털화로 인한 3차 산업혁명이 진행되고 있다고 합니다.

이번 편은 3D 프린팅에 관한 내용입니다. 3D 프린팅은 원래 일회성의 프로토타입을 만드는 기술로 여겨졌지만 현재 약 30% 가까이 완제품을 위해 사용되고 있고 2020년이 되면 80% 가까이 될 것이라고 합니다. 먼저 유투브에 올라온 영상을 보시고 관련 내용을 읽으시면 더 이해하기 편하실 것입니다. 정말 놀라운 기술입니다. 번역에는 에스틴의 번역 고수이신 hedgecat님께서 해 주셨으며 제가 보완 및 자료를 추가를 하였습니다.

Economist special report

A third industrial revolution

1. A third industrial revolution

2. Factories and jobs : Back to making stuff

3. Comparative advantage : The bommerang effect

4. Materials : Forging ahead

5. Additive manufacturing : Solid print

6. Layer by layer

7. Collaborative manufacturing : All together now

8. Automation : Making the future

Additive manufacturing

Solid print

Making things with a 3D printer changes the rules of manufacturing

3D 프린터로 만드는 방식이 제조업의 규칙을 바꾸고 있다.

INSIDE A LOW-RISE building in a business park at Rock Hill, South Carolina, is a vision of the factory of the future. Several dozen machines are humming away, monitored from a glass-fronted control room by two people looking at computer screens. Some of the machines are the size of a car, others that of a microwave oven, but they all have windows that you can peer into. One is making jewellery, others are producing the plastic grip for an electric drill, the dashboard of a car, an intricate lampshade and a bespoke artificial leg. One is even making parts to build more machines like itself.

사우스 캐롤라이나주 Rock Hill의 business park에 있는 어느 한 저층 건물 내부를 들여다보면 미래의 공장이 보인다. 앞면이 유리로 된 제어실에서 컴퓨터 화면을 응시하는 두 명의 직원이 모니터링하는 수 십대의 기계들이 웅웅거리고 있다. 이중 몇몇 기계들은 자동차만한 크기이고, 다른 기계들은 전자레인지 크기이다. 그러나 이들 모두 당신이 그 안을 자세히 들여다볼 수 있는 유리창이 달려있다. 한 쪽에서는 보석을 만들고, 다른 곳들에서는 전동드릴에 부착되는 플라스틱 손잡이, 자동차의 대시보드, 복잡한 무늬의 전등갓, 맞춤형 인공 다리를 만들고 있다. 심지어 어느 한 쪽에서는 그 기계 스스로 자신의 부품을 만들고 있다.

This is the headquarters of 3D Systems, a firm founded by Chuck Hull, who in a 1986 patent described a system he had invented for making three-dimensional objects as “stereolithography”. It worked by using a beam of ultraviolet light to solidify a thin layer of liquid plastic, a bit like ink, and repeating the process by adding more liquid plastic. Other forms of 3D printing have since emerged (see article), but they all work as an additive process, building objects up layer by layer.

여기가 3D Systems 기업의 본사이다. 이 기업은 1986년 stereolithography 형식으로 3차원 물체를 만드는 방법을 직접 발명해내어 이 시스템에 대해 특허를 냈던 Chuck hill에 의해 설립된 회사이다. STL(stereolithography)방식은 잉크와 비슷한 액체플라스틱의 얇은 막을 굳히기 위해 자외선 빔을 사용한다. 그리고 더 많은 액체 플라스틱을 추가하면서 이 공정을 반복한다. 3D 프린팅의 다른 형태가 이후 계속 나오고 있지만, 이들 모두 물체를 층층이 쌓아 올리는 첨삭 공정(additive process)으로 작업한다.

3D printing was originally conceived as a way to make one-off prototypes, but as the technology is getting better more things are being printed as finished goods (a process known as additive manufacturing). Currently around 28% of the money spent on printing things is for final products, according to Terry Wohlers, who runs a research firm specialising in the field. He predicts that this will rise to just over 50% by 2016 and to more than 80% by 2020. But it will never reach 100%, he thinks, because the ability to make prototypes quickly and cheaply will remain an important part of the mix.

3D 프린팅은 원래는 일회성 성격을 띈 시험제작모형(prototypes)을 만드는 방식으로 인식되었지만, 관련 기술이 점점 더 발전함에 따라 이제는 완제품까지도 인쇄하고 있다(이 공정은 첨삭가공으로서 잘 알려져 있다). 이 분야에 특화된 리서치 회사를 운영하는 Terry Wohler의 말에 의하면, 현재 3D 프린팅에 지출하는 자금의 약 28%가 완제품을 위해 사용된다고 한다. 그는 2016년에 50%이상 그리고 2020년까지 80%이상 증가할 것이라고 예상한다. 그러나 그는 프로토타입을 빠르고 저렴하게 만들 수 있는 기술이 지출 믹스에서 계속 중요한 부분을 차지할 것이기 때문에, 결코 완제품 지출이 100%에 달할 수 없을 것이라고 생각한다.

One of a kind

독특한 것들

One-off prototypes can be hideously expensive to produce, but a 3D printer can bring down the cost by a huge margin. Lots of consumer goods, mechanical parts, shoes and architects' models now appear in a 3D-printed form for appraisal by engineers, stylists and clients before getting the go-ahead. Any changes can be swiftly reprinted in a few hours or overnight, whereas waiting for a new prototype to emerge from a machine shop could take weeks. Some designers are already printing ready-to-wear shoes and dresses from plastic and nylon materials. Iris van Herpen, a Dutch fashion designer, has produced striking 3D-printed collections for the catwalks. No one can yet print leather, but they are working on it.

일회성 프로토타입은 만드는데 소름 끼치도록 비쌀 수도 있지만, 3D 프린터는 그 비용을 대폭 낮춰줄 수 있다. 현재 수많은 소비재들, 기계 부품들, 신발 그리고 건축물 모형은 본격적으로 양산되기 전에 엔지니어, 스타일리스트, 고객들이 미리 사용해보고 평가해보는 3D 프린팅 형태로 등장하고 있다. 기계 공작소에서 나오는 새로운 프로토타입을 기다리는 시간이 수주나 걸릴 수 있는 반면, 3D 프린터는 어떠한 변화든지 몇 시간 혹은 하룻밤 사이에 그에 맞춰 신속하게 다시 찍어낼 수 있다. 몇몇 디자이너들은 이미 플라스틱과 나일론으로 구성된 기성복 신발과 드레스를 프린팅하고 있다. 독일 패션 디자이너 Iris van Herpen은 패션쇼 무대를 위한 굉장히 매력적인 3D 프린팅된 콜렉션을 출시했다. 아직까지는 어느 누구도 가죽을 프린팅할 수는 없지만, 이 업계 종사자들은 이를 가능케 하기 위한 개발 작업에 힘쓰고 있다.

As there are barely any economies of scale in additive manufacturing, the technology is ideally suited to low-volume production. It also allows the mass customisation of finished parts. Millions of dental crowns and shells for hearing aids are already being made individually with 3D printers.

첨삭가공분야에는 규모의 경제가 거의 존재하지 않기 때문에, 해당 기술은 이론상으로는 소량생산에 적합하다. 또한 반제품(Finised parts)형태의 대량 주문생산이 가능하다. 수백개의 치아관들과 보청기의 외형틀은 이미 3D프린터를 이용해 개별적으로 제작되고 있는 상태이다.

Freed of the constraints of traditional factories, additive manufacturing allows designers to produce things that were previously considered far too complex to make economically. That could be for aesthetic reasons, but engineers are finding practical applications too. For example, fluids flow more efficiently through rounded channels than they do around sharp corners, but it is very difficult to make such channels inside a solid metal structure by conventional means, whereas a 3D printer can do this easily. 3T RPD, a British firm that offers additive-manufacturing services, printed a gearbox for a racing car with smooth internal pathways for hydraulic oil instead of drilled-out right-angle bends. The box not only allows faster gear changes but is some 30% lighter, says Ian Halliday, the firm's chief executive. A Boeing F-18 fighter contains a number of printed parts such as air ducts, for similar reasons.

기존 공장들이 갖는 제약에서 벗어나, 첨삭가공은 디자이너들이 예전에는 너무 복잡해서 경제적인 측면에서는 만들 수 없다고 생각했던 제품들을 생산하는 것을 가능케 해준다. 미적인 이유일 수 있겠지만, 엔지니어들도 디자이너들의 요구사항을 현실성 있게 적용할 수 있는 방식을 찾고 있다. 예를 들자면, 유체(fluids)는 급 커브보다 둥그런 통로를 통해 더욱 효율적으로 흐르지만, 내부가 단단한 금속 구조물로 되어 있는 통로를 기존의 작업방식으로 둥그렇게 만드는 것은 매우 어렵다. 반면, 3D프린터는 쉽게 만들 수 있다. 첨삭 가공 서비스를 제공하는 영국 기업 3T RTD는 레이싱 카의 기어박스를 프린트했다. 드릴로 뚫은 직각 커브대신에 유압유(hydraulic oil)가 흐를 수 있도록 내부가 미끄러운 레이싱카의 기어박스를 프린트했다. 그 박스는 기어 변속을 더 빠르게 할 수 있을 뿐만 아니라 기존 기어박스보다 30%나 가볍다고 최고경영자 Ian Halliday가 말했다. 비슷한 이유로 보잉사의 F-18 전투기는 통풍구와 같은 3D 프린트된 수많은 부품들을 장착하였다.

Weight savings are part of the attraction of 3D-printed parts. With objects being built up layer by layer, it is possible to use just enough material to make the part work. Building things in a traditional factory requires adding flanges and brackets so that objects can be handled, milled and moulded by machine tools, and to provide surfaces for the parts to be bolted or welded together. A 3D printer is likely to print the item as a complete part that requires no assembly. It can even make mechanical objects with moving parts in one go.

경량화는 3D 프린팅된 부품이 가지고 있는 매력 중 일부이다. 층층이 쌓아 올려지는 부품들 때문에, 해당 부품이 제 역할을 하기 위해 재료들을 충분히 활용하는 것이 가능하다. 기존의 공장에서 부품을 만들려면은 부품을 옮기고, 가공하고, 기계도구로 주조하기 위한 테두리와 받침대를 추가하는 과정이 필요하다. 그리고 부품들을 서로 접합하고 용접시키기 위한 작업대도 제작해야 한다. 3D 프린터는 조립이 필요하지 않은 완벽한 부품으로 프린트한다. 게다가 한꺼번에 부품을 옮기는 기계장치를 만드는 것이 가능하다.

This promises big savings in material costs. In the aerospace industry metal parts are often machined from a solid billet of costly high-grade titanium. This can mean that 90% of the material is cut away, and the swarf is of no use for making aircraft. However, titanium can be used to print things like a bracket for an aircraft door or part of a satellite. These can be as strong as a machined part but use only 10% of the raw material, according to researchers at EADS, the European aerospace consortium which is the parent of Airbus.

이것은 제조원가의 대폭적인 절감을 보장한다. 항공우주 산업 내의 금속 부품들은 보통 고비용의 티타늄 강편으로 만들어지는데 여기에 들어가는 티타늄의 90%가 절감된다는 것을 의미하는 바일 수 있다. 그리고 이 금속 강편은 항공기 제작 시에 그다지 활용되지 않는다. 그러나 티타늄 가루는 인공위성의 부품과 항공기 도어를 위한 받침대 같은 것들을 프린트하는데 사용될 수 있다. Airbus의 모회사로써 유럽 항공우주 컨소시엄인 EADS의 연구원에 의하면, 이것들은 튼튼하게 제작될 뿐만 아니라 원재료의 10%만 사용된다고 한다.

The ability to produce highly complex designs with powerful computer software and turn them into real objects with 3D printing is creating a new design language. 3D-printed items often have an organic, natural look. “Nature has come up with some very efficient designs, and often it is a good idea to mimic them,” says Wim Michiels, vice-president of Materialise, a Belgian firm that uses additive manufacturing to make a range of products, including medical devices. By incorporating the fine, lattice-like internal structure of natural bone into a metal implant, for instance, it can be made lighter than a machined one without any loss of strength, integrate more easily with the patient's own bones and can be crafted precisely to fit the intended patient. Last year surgeons in the Netherlands printed a new titanium jaw for a woman suffering from a chronic bone infection.

매우 효과적인 컴퓨터 소프트웨어로 상당히 복잡한 디자인을 설계하고 난 뒤 그것을 3D프린팅을 이용해 실제 사물로 만드는 능력이 새로운 디자인 언어를 창조하였다. 3D프린팅된 제품들은 대게는 자연스러워 보인다. 의료 장비를 포함하여 광범위한 제품들을 첨삭가공을 사용해 만드는 벨기에 기업 Materialise의 부사장 Wim Michels는 “자연은 몇몇 매우 효율적인 디자인을 창조해냅니다. 그리고 자연을 흉내 내는 것이 좋은 아이디어일 때가 많습니다”라고 말했다. 한 예로, 촘촘한 창살 모양을 한 치아의 내부구조에 금속임플란트를 결합하면, 내구성의 손실 없이 기계로 만든 것보다 훨씬 더 가볍게 만들 수 있다. 그리고 더욱 쉽게 환자의 치아와 결합시킬 수 있고 해당 환자에게 적합하도록 정확하게 제작할 수 있다. 지난해 네덜란드에서 외과의사들은 만성적인 bone infection에 시달리는 여성들을 위한 새로운 티타늄 턱을 프린팅 했다.

Many companies are now wondering about the effect that additive manufacturing will have on their business. Some are taking the technology very seriously; GE, for one, is exploring how it might use 3D printing in all its operations. It already has one product in the pipeline, in the form of a small ultrasound scanner. Such scanners are used by doctors to produce an image of features inside the body, such as unborn babies. The size, weight and cost of the imaging consoles has shrunk, but the transducer probe which is placed on the body has remained largely unchanged and is now the most costly part of the system. The probe transmits pulses of high-frequency sound and receives signals back, using the reflections to produce images. It contains tiny piezoelectric structures that are made by painstakingly micro-machining a brittle block of ceramic material.

오늘 날 많은 기업들이 첨삭가공이 자신들의 사업에 미칠 효과에 대해 궁금해한다. 일부는 이 기술을 매우 진지하게 받아들인다. 한 가지 예를 들자면, GE는 자신들의 모든 사업 부문에서 3D 프린팅을 어떻게 이용할 것인지 연구하고 있는 중이다. 이미 크기가 작은 초음파 스캐너의 형태로 된 제품이 한창 개발 중에 있다. 이 같은 스캐너는 의사들이 인체 내부에 대한 (태어나지 않은 아기 같은) 이미지를 생성해내기 위해 사용된다. 크기와 무게 그리고 이미징 기기 비용은 줄어들고 있지만, 인체의 일부에 대고 검사해보고자 하는 장기에 초음파를 내보내는 장치인 탐촉자(transducer probe)는 거의 변하지 않은 상태로 남아있다. 그리고 이것은 현재 이 시스템에서 가장 비싼 부품이다. 이 탐촉자는 고주파 신호를 보낸 뒤 다시 그 신호를 받으며, 이러한 반향(reflections)을 이용하여 이미지를 생성한다. 또한 이것은 세라믹 물질을 미크론 단위로 미세 가공하여 만들어진 매우 작은 압전기 구조물이 들어있다.

Now GE has developed an additive system to print the transducer. This will greatly reduce production costs and allow new, inexpensive portable scanners to be developed, not only for medical use but also to inspect critical aerospace and industrial structures for cracks.

현재 GE는 이러한 탐촉자를 3D프린팅 하기 위한 첨가 시스템(additive system)을 개발했다. 이것은 제품 생산비용을 상당히 줄일 것이고 새롭고, 비싸지 않은 휴대용 스캐너가 개발될 수 있도록 가능하게 만들 것이다. 의학용뿐만이 아니라 항공우주산업 분야에서 우주선 균열여부를 점검하는데 사용될 것이다.

Repeat after me

나를 복제하길

How far could this technology go? Mr Idelchik, of GE Global Research, has his sights set high: “One day we will print an engine.” But a number of manufacturers, such as GE and Rolls-Royce, believe that some form of hybrid printing system will emerge. This would produce the outline of a shape, thus saving on material, which can then be machined for precision.

이 기술이 어디까지 발전할 수 있을까? GE 글로벌 리서치 부서의 Idelchik은 이 기술을 높게 평가하고 있고 “언젠가 우리는 엔진을 프린트할 것입니다”라고 말하였다. GE와 롤스-로이스 같은 수많은 제조업체들은 혼합된 프린팅 시스템의 형태가 등장할 것이라 믿는다. 이 혼합 3D프린팅 시스템으로 정밀하게 제작된 외형 윤곽을 만들어 내면은 원가를 절감하게 될 것이다.

The Replicator, a robotic rapid-manufacturing system made by Cybaman Technologies, a British firm, already gets close. The size of a large refrigerator, it is capable of both subtractive and additive manufacturing. It uses a laser-based deposition system to build a basic shape which is finished by machining. The Replicator, as befits its name, is also capable of reverse engineering by digitally scanning an object placed inside it to produce the data needed to build an exact replica.

영국 기업 Cybaman Technologies가 제작한 로봇식의 빠른 제조 시스템을 장착한 복제기(The Replicator)는 이미 출시되었다. 대형 냉장고만한 크기에다가, 가감(subtractive and additive) 제조가 가능하다. 이 복제기는 기계로 최종 마감 처리한 기본 모형을 만들기 위해 레이저 침천 시스템(deposition system)을 사용한다. 복제기라는 이름에 걸맞게, 정확한 복제품을 제작하기 위해 필요한 데이터를 산출하고자 대상 물체 내부를 스캐닝해내는 역설계(reverse engineering)가 가능하다.

The Replicator is as near as current technology can get to the teleporter of science fiction. It could scan an object in one place and tell another machine on the other side of the world how to build a copy. That means, for instance, that urgently needed spares could be produced in remote places without having to ship anything. Even parts that are no longer available could be replicated, by scanning a broken item, repairing it virtually and then printing a new one. The chances are, though, that digital libraries will appear online for parts and products that are no longer available. Just as the emergence of e-books means books may never go out of print, components could always remain available. Service mechanics could have portable 3D printers in their vans, or hardware stores could offer part-printing services.

이러한 복제기는 정확히 현재 과학기술이 공상과학 소설에서 나오는 순간이동장치를 만들어 내는 것과 거의 동일하다. 이것은 어느 한 장소에 있는 물체를 스캔할 수 있고 다른 기계에게 세계의 다른 지역에 스캔한 것을 어떻게 복제하는 지 알려줄 수 있다. 예를 들자면, 긴급히 요구되는 스페어 타이어를 운송수단으로 실어 나르지 않고도 멀리 떨어져 있는 지역에서 만들어 낼 수 있다. 심지어 파손된 부품을 스캐닝하고, 가상으로 수리한 뒤에 새롭게 프린팅함으로써, 더 이상 사용할 수 없는 부품들을 복제할 수 있다. 그렇지만, 부속품과 관련된 디지털 도서관이 온라인에 등장해야만 더 이상 이용할 수 없는 제품들을 생산해낼 수 있을 것 같다. E-book의 출현이 책은 절대 절판되지 않을 것이다라고 의미한 것처럼, 부품들은 항상 이용 가능한 상태가 될 수 있을 것이다. 서비스 정비공들이 자신들의 차에 휴대용 3D프린터를 싣고 다니거나 하드웨어 상점들이 부품 프린팅 서비스를 제공하게 될 것이다.

3D printers would also be invaluable in remote areas. Deon de Beer of Vaal University of Technology near Johannesburg is working on a project called the Idea 2 Product Lab which uses low-cost 3D printers for training and to spark an interest in design and manufacturing among students. When setting up a similar lab at one of the college's satellite campuses at Upington, a largely rural area in the Northern Cape, his team found itself short of a particular type of flat spanner. Rather than waiting days for the correct tool to be delivered, it printed one and completed the job.

또한 3D 프린터는 멀리 떨어져 있는 지역에서 매우 유용할 것이다. 요하네스버그 근처에 있는 발 기술 대학교의 Deon de Beer교수는 학생들 사이에서 제조업과 디자인에 대한 흥미를 불러일으키기 위한 저가의 교육용 3D 프린터를 이용할 수 있는 The Idea 2 제품 실험실이라 불리는 프로젝트에 착수하고 있는 중이다. 북부 시골지역에 있는 어핑톤의 위성 캠퍼스들 중 한 곳에서 이와 비슷한 실험실을 구축했을 때, 그의 팀은 특정한 타입의 스패너가 부족하다는 것을 발견했다. 똑같은 스패너가 도착하길 기다리는 대신에, 이들은 그것을 프린트했고 해당 실험을 마쳤다.

Instead of a spanner this could have been a small plastic part, perhaps to fix a piece of equipment in a local hospital or to repair an agricultural machine, says Mr de Beer. He believes 3D printers could “produce a new breed of mechanical engineers”, especially in rural regions.

스패너 대신에, 지역 병원에서 의료 장비를 수리하기 위해서나 농기계를 고치기 위해서 작은 플라스틱 부품이 프린팅될 수도 있었다고 de beer가 말했다. 그는 3D프린터가 새로운 기계 엔지니어부류를 만들어 낼 수 있다고 믿는다. 특히 시골 지역에서 말이다.

Some people already have 3D printers at home. Industrial 3D-printing systems start at about $15,000 and go up to more than $1m, says Mr Wohlers. But cheaper desktop machines are creating an entirely new market (see chart 5). This is made up of hobbyists, do-it-yourself enthusiasts, tinkerers, inventors, researchers and entrepreneurs. Some 3D-printing systems can be built from kits and use open-source software. But big producers of 3D printers are also entering the market.

몇몇 사람들은 이미 가정에서 3D프린터를 사용하고 있다. Wohlers는 산업용 3D프린팅 시스템은 15,000달러부터 시작하고 100만 달러 이상까지 가기도 한다고 말했다. 그러나 저렴한 데스크탑 기계들이 완전히 새로운 시장을 창출하고 있다. 이 시장은 취미 애호가들, DIY에 열광하는 사람들, 땜장이들, 발명가들, 연구원들 그리고 기업가들로 구성되어있다. 일부 3D 프린팅 시스템은 조립이 가능하고 개방형 소프트웨어를 이용한다. 그러나 3D 프린터 대형업체들도 이 시장에 진입하고 있다.

3D Systems, which produces a variety of prototyping and industrial machines, is now launching a consumer range of small 3D printers, called the Cube, which can make things like toys, chess pieces and ornaments. They have been developed along with an online platform called Cubify to provide services for a community of users. Priced at $1,299, the Cube prints by depositing a thin layer of material from cartridges, which come in different colours. This cures as a hard plastic. They can produce parts up to 5.5 inches (140mm) cubed at a typical cost in materials of about $3.50. The quality is not up to that of industrial printers, but it is good enough for many people. Higher-quality creations can be uploaded to Cubify's online printing service.

다양한 프로토타입과 산업용 장비를 생산하고 있는 3D Systems는 현재 소비자용 소형 3D 프린터를 출시하였다. 이른바 The Cube라고 불리는 이 프린터로 장난감, 체스 말, 장신구 같은 것들을 만들 수 있다. The Cube는 사용자 커뮤니티를 위한 서비스를 제공하기 위해 Cubify라 불리는 온라인 플랫폼과 함께 개발되었다. 가격은 1,299달러이고, 다양한 색이 들어 있는 카트리지에서 나오는 얇은 막의 물질을 겹겹이 쌓아서 프린트한다. 그 후에 단단한 플라스틱으로 보존 처리된다. 또한 이 제품은 약 3.50달러 재료비로 5.5인치에 달하는 네모로 된 부품을 만들어 낼 수 있다. 품질은 산업용 프린터에 미치지 못하지만 많은 일반 이용자들에게는 충분히 좋다. 고품질의 창작품들을 Cubify의 온라인 프린팅 서비스에 업로드 시킬 수도 있다.

The new range is not just about printing things, says Abe Reichental, 3D Systems' chief executive. It is also about simplifying the process of making products and letting people use the power of the web to share ideas. “This is a personal manufacturing revolution,” he says.

이렇게 새로운 종류의 프린터는 제품을 프린팅하는 것에만 국한된 것이 아니라고 3D Systems의 최고 경영자 Abe Reichental이 말했다. 이것은 제품을 만드는 과정을 단순화시키는 것에 관한 것이고 사람들이 아이디어를 공유하기 위해 웹파워를 사용하도록 허락하는 것에 관한 것이기도 하다. 그는 이렇게 말했다 “이것은 개인적인 제조 혁명이다”.

Layer by layer

How 3D printers work

어떻게 3D프린터가 작동할까

Apr 21st 2012 | from the print edition

USING A 3D PRINTER is like printing a letter; hit the print button on a computer screen and a digital file is sent to, say, an inkjet printer which deposits a layer of ink on the surface of a piece of paper to create an image in two dimensions. In 3D printing, however, the software takes a series of digital slices through a computer-aided design and sends descriptions of those slices to the 3D printer, which adds successive thin layers until a solid object emerges. The big difference is that the “ink” a 3D printer uses is a material.

3D 프린터를 사용하는 것은 문자를 인쇄하는 것과 비슷하다. 후자에서는 컴퓨터 스크린에 있는 프린트 버튼을 누르면 디지털 파일이 2차원 공간에서 이미지를 생성하기 위해 용지 표면에 잉크를 찍는 잉크젯 프린터로 보내진다. 그러나 3D 프린팅에서는, 소프트웨어가 컴퓨터를 활용해 설계된 일련의 디지털 조각들을 얻어낸 뒤 이러한 조각들에 대한 정보를 3D프린터로 보낸다. 그 뒤 이 3D 프린터는 단단한 물체가 생성될 때까지 얇은 층들을 연속적으로 쌓는다. 따라서 3D프린터에서 사용하는 잉크가 물질이라는 것이 가장 큰 차이점이다.

The layers can come together in a variety of ways. Some 3D printers use an inkjet process. Objet, an Israeli 3D-printer company, uses the inkjet head to spray an ultra-thin layer of liquid plastic onto a build tray. The layer is cured by exposure to ultraviolet light. The build tray is then lowered fractionally and the next layer added. Another way is fused deposition modelling, a system used by Stratasys, a company based in Minneapolis. This involves melting plastic in an extrusion head to deposit a thin filament of material to build the layers.

이러한 얇은 층은 다양한 방식으로 합쳐진다. 어떤 3D프린터에서는 잉크젯 프린터 방식을 사용한다. 이스라엘 3D 프린터 회사인 Objet는 지지대(build tray)위에서 아주 얇은 액체 플라스틱의 막을 뿌리는 잉크젯 헤드를 사용한다. 그리고 해당 층을 자외선에 닿게 해 굳어지게 만든다. 그 다음 지지대가 아주 약간 낮아지고, 그 위에 다음 층이 쌓인다. 또 다른 방식은 미니애폴리스에 본사를 둔 Stratasys 기업이 사용하는 시스템인 fused deposition modeling(FDM)이다. 겹겹이 층을 쌓기 위해 고온에서 녹는 열경화성 플라스틱을 실처럼 자아내 실타래처럼 칭칭 감는다.

Other systems use powders as the print medium. The powder can be spread as a thin layer onto the build tray and solidified with a squirt of liquid binder. It can also be melted into the required pattern with a laser in a process called laser sintering, a technology which EOS, a German firm, uses in its additive-manufacturing machines. Arcam, a Swedish company, fuses the powder in its printers with an electron beam operating in a vacuum. And these are only some of the variations.

For complicated structures that contain voids and overhangs, gels and other materials are added to provide support, or the space can be left filled with powder that has not been fused. This support material can be washed out or blown away later. The materials that can be printed now range from numerous plastics to metals, ceramics and rubber-like substances. Some machines can combine materials, making an object rigid at one end and soft at the other.

다른 시스템은 파우더를 프린트 매체로 사용한다. 파우더를 지지대 위에 얇은 막으로 흩뿌려진 뒤 바인더라는 액체 접착제를 뿌려서 굳어지게 한다. 이 파우더는 독일 기업 EOS가 첨삭가공 기계를 사용할 때 쓰는 기술인 레이저신터링이라 불리는 단계에서 특정한 모양에 맞춰 녹여질 수 있다. 스위스 기업 Arcam은 파우더를 진공상태에서 작동하는 전자빔 방식의 프린터로 녹인다. 빈 공간, 돌출부, 젤, 그리고 기타 다른 물질들이 포함된 복잡한 구조물이 제조공정을 지원하기 위해 추가 되거나 아직 녹여지지 않은 파우더로 가득 찬 공간이 남아 있을 수 있다. 이러한 지원 물질들은 그 후에 씻겨 없어지거나 날아가버린다. 현재 프린트 될 수 있는 물체들은 수많은 플라스틱에서부터 금속, 세라믹, 고무까지 그 범위가 다양하다. 어떤 프린터들은 여러 재료들을 혼합하여 대상 물체를 한쪽은 단단하게 그리고 다른 한쪽은 부드럽게 만들 수 있다.

Some researchers are already using 3D printers to produce simple living tissues, such as skin, muscle and short stretches of blood vessels. There is a possibility that larger body parts, like kidneys, livers and even hearts, could one day be printed—and if the bio-printers can use the patient's own stem cells, his body would be less likely to reject the printed organs after a transplant.

벌써부터 몇몇 연구원들은 3D 프린터를 피부, 근육 그리고 짧은 혈관과 같이 살아있는 인체 내 조직을 만드는데 사용하고 있다. 어느 날 콩팥과 간 그리고 심지어는 심장과 같은 장기들이 프린트 될 수 있는 가능성도 존재한다. 그리고 이러한 바이오 프린터를 환자의 줄기세포에도 활용할 수 있게 된다면, 환자의 몸은 이식수술을 한 프린트된 장기에 대해 거부반응을 덜 보일 가능성이 높다.

Food can be printed too. Researchers at Cornell University have already succeeded in printing cupcakes. The “killer app” with food, almost everyone agrees, will be printing chocolate.

음식 또한 프린트 될 수 있다. 코넬 대학의 연구원들은 이미 컵케이크를 프린트하는데 성공했다. 그리고 초콜릿을 프린트하는 것이 거의 모든 사람들이 동의하는 일종의 “킬러 앱”일 것이다.

(by 그녀생각)