Why? 3D 프린팅

Why? 3D 프린팅 ㅣ Why? 초등과학학습만화 74
조영선 지음, 이영호 그림, 이낙규 감수 / 예림당 / 2017년 6월

도라에몽의 사차원 주머니처럼 원하는 물건이 뚝딱 나오게 하는 신비한 물건을 가지고 싶은 꿈은 누구든 가지고 있을거에요. 만화나 영화에서 미리 보는 미래의 신기술, 신제품이 하나 하나 현실이 되고 있는 오늘날이네요. 이미 개발되어 현실에서 볼 수 있는 물건일지라도 어마어마한 가격때문에 특별한 사람들만이 접할 수 있던 물건들도 이젠 상용화되어 가고 있기도 합니다. 그런 물건중 하나인 3D 프린팅이 이제 우리의 현실이 되었네요. 3D 프린팅으로 만들어진 물건에 감탄만 할게 아니라 이제 어떤 원리로, 어떻게 활용되는지 아이와 함께 알아보는 시간을 가져봐야겠어요. 몇년전 S방송사의 스타킹이라는 프로그램에서 사람의 얼굴을 스캔하여 3D 프린팅 되는 모습을 보며 놀랐던 적이 있네요. 이젠 원하는 물건의 형태에 대한 정보만 있다면, 발명의 아이디어만 있다면 3D 프린팅은 우리 아이의 미래에 상상을 현실로 가져다 줄 거에요.

꼼지 아빠가 만든 만능 로봇인 프린티와 아빠처럼 발명가를 꿈꾸는 소년 꼼지, 꼼지의 단짝 엄지와 함께 3D 프린팅의 세계를 들여다 봐요.

3D 프린터는 컴퓨터 프로그램에 설계도를 입력하면 설계에 따라 주어진 원료로 3차원의 입체적인 고체 물체를 만들어 내는 기계입니다. 2D 프린터의 잉크대신 3D 프린터는 플라스틱이나 금속 같은 원료를 사용하지요.

3D 펜을 써 보면 3D 프린터의 원리를 이해할 수 있어요. 색깔이 있고 유연한 플라스틱 필라멘트를 펜에 넣고 내부의 작은 히터로 필라멘트를 녹여 펜 끝으로 녹아서 나오는 끈적해진 액체 플라스틱이 식으면서 단단하게 굳어지면 자신의 디자인 제품을 완성할 수 있어요. 히터 대신 빛을 받아 굳는 플라스틱인 광경화성 수지를 이용하기도 합니다.

보통의 3D 프린터도 3D 펜의 원리와 크게 다르지 않아요. 고체 필라멘트를 녹여 액체로 만든 뒤 가느다란 노즐을 통해 판 위에 분사해서 쌓아 올리는 방식입니다. CAD 같은 컴퓨터 프로그램으로 만들 3D 모델을 디자인하고, 디자인한 모델을 프린트하여 연마와 채색의 후가공을 거치면 완성되지요.

1984년 발명가 '찰스 헐'에 의해 최초의 3D 프린터가 만들어지고 비싼 가격때문에 대중들의 관심을 받기 시작한것은 겨우 10여 년 전부터이지요. 현재 3D 프린팅은 산업용 기계, 항공 우주, 소비재, 전자 부품, 자동차, 의료 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있고 빠르게 발전하면서 그 활용 범위가 넓어져 미래지향적인 산업으로 주목받고 있어요.

3D 프린팅에 사용되는 플라스틱 종류는 다양하며 인쇄하는 방법에 따라 고체 기반 방식의  3D 프린터- FDM, 액체 기반 방식의 3D 프린터-SLA, DLP, 파우더 기반 방식의 3D 프린터-SLS가 있어요.  

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3D 프린터는 기본적으로 압출기, 베드, 프린터 제어보드로 이루어져 있어요. 그래서 가장 많이 사용되는 FDM 방식의 3D 프린터는 부품만 있으면 누구든 만들 수 있지요.

실제로 3D 프린팅으로 만든 소품들이 다양한 영화에 사용되고 있어요. <아이언맨 2>의 슈트, <리얼 스틸>의 로봇, 우주나 바닷속 같이 직접 가기 어려운 장소나 상상의 세계를 정교하게 만든 축소 모형, 미니어처 등 3D 프린팅으로 영화에 필요한 배경 건물과 인물들을 만들수 있지요.

3D 프린터를 작동하려면 출력물에 대한 정보가 필요한데 3D 프린팅에 필요한 3차원 정보를 얻는 것을 3D 스캐닝이라고 해요. 사물을 중심으로 주변에 수 십대의 카메라를 설치하여 한 번에 촬영하는 방법, 사물을 제자리에서 회전시키며 고정된 카메라로 촬영하는 방법 등을 주로 사용하지요.

3D 프린터로 건축물을 만들 수도 있어요. 이탈리아의 한 기업은 진흙, 물, 짚 등을 혼합한 재료를 이용해 집을 짓는 '빅델타 프로젝트'를 진행중이며, 3D 프린터로 출력한 자연냉각 벽돌인 쿨브릭은 무더운 지역의 건축물에 유용하게 쓸 수 있고, 일본의 한 건설사는 수심 2-4천 미터의 해저 해수면까지 닿는 미래 도시를 3D 프린팅으로 만드는 계획인 '오션스파이럴'을 발표했어요. 또한 우주 식민지를 세우기 위해 행성의 자원을 직접 채굴하여 3D 프린터로 필요한 장비, 생활용품, 건물 등을 만드는 방법이 연구되고 있어요.

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음식 프린트는 오래전부터 완성된 음식에 평면적인 그림을 넣는 방법으로 시작되었어요. 지금은 재료를 분사하는 노즐을 여러 개 만들어 한 번에 두 가지 이상의 재료를 사용한 음식을 만들 수도 있어요. 3D 프린팅으로는 음식의 질감이나 요리 과정 등을 과학적으로 분석해 새롭게 변형시키거나 다른 형태의 음식으로 만들어 내는 분자 요리를 만들 수 있어요. 3D 푸드 프린팅으로 배달 음식을 집에서 뽑아 먹고, 조리법만 다운받으면 전 세계의 음식을 맛볼 수 있고, 식재료는 다양한 성분이 담긴 카트리지가 대신하고, 식물과 곤충을 식재료로 사용하는 미래의 모습을 상상할 수 있어요. 또한 네덜란드의 한 푸드 디자이너는 3D 프린팅으로 출력한 쿠키에 이스트 포자를 넣어 쿠키에서 새싹과 버섯이 자라도록 하는 '에디블 그로스'라는 프로젝트를 선보였어요. 정말 3D 프린팅의 세계는 무궁무진하네요.

이스라엘 출신의 한 디자이너는 구매자가 의류 디자인 데이터를 내려받아 자신이 가지고 있는 3D 프린터로 옷을 출력하는 유통 방식을 구상하면서 3D 프린팅으로 만든 옷을 발표했어요. 머지않아 신체를 스캔한 정보를 이용하여 맞춤형 옷을 제작하고, 스스로 디자인한 옷을 집에서 자신의 3D 프린터로 출력해 입는 시대가 올거라 예상되는군요.

3D 프린팅의 의학적 활용은 정말 무궁무진합니다. 의족, 의수를 만들고, 약물을 제조하기도 하고, 인공 치아, 3D 모형 장기를 이용한 환자 맞춤형 수술, 생체 조직을 이용한 장기 만들기까지 가까운 미래에 성공하기만 한다면 건강하게 오래살 수 있는 세상이 되겠어요.

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3D 프린팅이 무엇이든 만들 수 있다는 점 외에도 친환경적이라는 장점이 있어 미래를 이끌어 갈 기술로 더욱 주목받고 있어요. 원하는 만큼만 재료를 사용하기 때문에 재료의 낭비가 없고, 다시 녹여 바로 사용할 수 있는 재료를 사용하여 쓰레기를 줄이고, 사용할 수 있는 재료의 범위가 넓어 자연친화적인 소재 사용이 가능하고, 공장 방식보다 더 적은 에너지가 들고 이산화탄소도 적게 나오기 때문이지요.  또한 바이오 3D 프린팅 기술을 통해 환경과 식량 문제를 모두 해결할 수 있어요.

3D 프린터는 누구나 사용할 수 있다는 장점이 있어요. 구조가 간단해 공개된 설계도를 바탕으로 직접 조립을 하는 경우 원리를 쉽게 이해하고, 자신이 만든 3D 프린터로 원하는 물건을 직접 인쇄할 수 있기 때문에 학생들의 교육용으로나 3D 프린터를 처음 접하는 사람에게도 적합하고, 사용 방법을 가르쳐 주면 필요한 것을 스스로 만들고 그 과정에서 더 좋은 제품도 발명해 낼 수 있으니 저개발국을 돕기에 알맞은 적정 기술이기도 하지요.

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3D 프린팅을 이용하면 움직일 수 있는 재료로 인쇄할 수 있어요. 3D 프린터를 사용하더라도 형상기억 합금과 같은 재료로 인쇄한 물체의 경우 스스로 열이나 진동, 중력, 공기 등의 주변 환경이나 에너지원의 자극을 받아 변할 수 있고 이러한 물체를 인쇄하는 기술을 4D 프린팅이라고 불러요. 4D 프린팅 기술에 앞으로 물체가 스스로 조립할 수 있는 '자가 조립' 원리가 적용된다면 우주 개발은 쉬워질거에요.

4D 프린팅 기술의 미래는 찌그러져도 물만 부으면 다시 펴지는 자동차, 환경에 따라 성능이 바뀌는 자동차, 물의 양과 속도에 따라 자유롭게 팽창하거나 수축하는 수도관, 스스로 파손 부위를 복구하는 벽, 상황에 따라 디자인이 바뀌는 옷 등 그 끝이 무엇일지 궁금해집니다.

3D 프린팅 초보라도 오픈소스를 활용하면 짧은 시간에도 누구나 좋은 제품을 만들 수 있어요. 오픈소스를 통해 유용한 기술을 많은 사람과 공유하고 더 우수한 결과물을 만들 수 있어요.

복잡한 과정 때문에 개인이 사업을 시작하는 것은 매우 어렵지만 3D 프린팅의 등장으로 복잡한 과정을 생략하고 제품을 생산할 수 있게 되었어요. 3D 프린터로 시제품을 만들어 인터넷에 공개한 후 투자금을 얻어 창업하는 '소셜 제조업'이 가능하기 때문에 자본보다는 아이디어가  우선인 시대가 되었어요.

3D  프린팅의 완성도를 높이기 위해 다양한 후가공이 필요해요. 1차적으로 출력한 출력물을 채색, 코팅, 용접 등으로 정교하게 다듬는 작업을 말하지요.

하지만 3D 프린팅이 정말 미래 산업의 주역이 되려면 해결해야 할 큰 문제가 있어요. 대규모 생산에서의 에너지 낭비, 유해한 공기 배출, 저작권 문제, 규제된 제품의 복제, 안전사고시 책임 논란, 일자리 문제 등 앞으로 나아가야 할 길이 멀군요.

아이와 함께 최근 이슈가 되고 있는 3D 프린팅에 대하여 알아보는 값진 시간이었네요. 원리와 활용 분야, 재창조성, 문제점까지 꼼지와 엄지, 프린티와 함께 하는 여행을 통해 쉽고 재미있게 배울 수 있었어요. 아직도 갈 길이 멀고 그 가능성이 어디까지일지 모르지만 아이의 상상을 현실로 만들어줄 수 있는 미래 산업의 한 분야로 아이의 미래의 꿈을 실현하기 위해 꼬옥 한 번은 읽어봐야할 책으로 추천하고 싶네요.