2013년 미국 오바마 대통령의 한마디로 전 세계가 요동쳤던 단어가 있다. ‘제3의 산업 혁명’, ‘제조업의 혁신’이라는 단어로 포장된 ‘3D Printing이 바로 그 주인공이다.

Rapid prototyping(RP)라는 단어는 이미 50여 년 전부터 존재해 왔던 단어이지만, 2013년 RP는 ‘3D printing’이라는 단어를 통해 재탄생하게 된 듯하다. 3D printing 용어는 이전에 존재하던 RP 개념이 현대적으로 발전한 것으로 전혀 새로운 개념이 등장한 것은 아니다. 영화 ‘미션 임파서블’에서 정밀한 마스크를 제작하는 장면은 이젠 더이상 영화 속 재미있는 상상이 아닌 현실이 되고 있다.

RP(Rapid Prototyping)는 쾌속 조형이라고 번역되며, 기존의 NC, CNC 등의 조각방식(절삭ㄹ방식)과 3D프린터와 같은 적층방식(첨가방식)을 포함하는 개념이다. 절삭방식(NC, CNC)과 적층방식(3D 프린터)의 가장 큰 차이점은 형상제한의 유무에서 그 차이가 있다.

3D 프린터는 이러한 형상제한이 없기에 기존 절삭방식에서 불가능했던 보다 복잡한 입체 구조물의 제작을 가능하게 해 준다. 3D 프린터란 플라스틱 액체 또는 기타 원료를 사출하거나 적층, 응고과정을 거쳐 3차원의 고체 물질을 자유롭게 찍어내는 기기를 통칭한다.

이 과정은 크게 1) 물체의 3D 도면(설계도)를 만드는 Modeling, 2) Layer를 적층하는 Printing, 3) 적층된 출력물을 다듬거나 표면 처리를 하는 후처리를 하는 3가지 과정으로 구성된다. 이번에는 위의 3가지 과정 중 프린팅 과정에 사용되는 다양한 조형방식과 기술적 특징을 설명하고자 한다.

3D 프린터는 원료에 따라 액체, 파우더, 고체로 나뉘며, 레이저, 열, 빛 등 소스를 기반으로 응고·적층하는 다양한 방식이 존재한다. 방식에 따라 프린터 제작 업체가 보유한 특허 방식에 따라 다양한 용어를 사용하고 있다. 아래 언급한 내용 이외에도 다양한 조형 방식이 존재한다.

◆ 프린팅 과정에서 사용되는 조형방식

SLA (Stereo Lithography Apparatus)
광경화 수지 조형방식으로 액체 형태의 재료를 레이저나 강한 자외선을 이용해서 순간적으로 경화시켜 형상을 제작하는 방식이다. 먼저 조형판 위에 지지대를 조성해 투영되며, 투영과 동시에 모델의 제작 모양에 맞춰 조형판이 하강하여 모델 모형의 윗부분까지 제작되는 방식이다. 레이저를 사용하여 정밀도가 높으며 표면이 매끄럽지만, 장비가 고가이고 조형 속도가 상대적으로 느린 단점이 있다.

DLP (Digital Light Processing)
마스크 투영 이미지 경화 방식으로 SLA 방식처럼 액체 기반의 소재를 사용한다. 이미징 프로세스 칩을 장착, 제작하고자 하는 형상의 이미지를 광경화성 수지에 자외선을 투영하여 경화시키는 방식이다. 일반적으로 조형판이 하강하며 제품을 생산하는 것과 달리 DLP 방식은 조형판이 위로 이동하며 아래 방향으로 제품을 생성한다. 표면 조도가 우수하고 낮은 소음과 별도의 부재료가 필요하지 않으며 사진과 같은 면 단위 조형방식으로 작업속도가 균일하다.

SLS (Selective Laser Sintering)
SLA 방식과 유사한 방식이지만 레이저 종류에 있어 CO2 방식의 강한 레이저를 사용한다. 파우더 원료에 레이저를 조사하여 막을 형성하고, 다시 그 위에 파우더를 도포한 후 레이저를 조사하는 공정을 반복하여 구조를 생성한다. 소결되지 않은 원재료 분말이 지지대 역할을 하므로 타 방식에는 필요한 지지대가 불필요하다. 나일론, 유리섬유, 금속 등 분말로 되어 있는 다양한 재료를 사용할 수 있다. 조형속도가 빠르지만, 레이저 장비와 같은 고가 부품의 사용으로 장비 가격이 높다.

FDM (Fused Deposition Modeling)
용융 수지 압출 조형 방식으로 Scott Crump가 출원한 특허가 2007년 만료되면서 대부분의 3D 프린터들이 채택하고 있는 대중화된 방식이다. X, Y, Z 축을 기반으로 노즐의 움직임을 미세하게 제어하며 막을 형성한다. 소재는 핫플레이트와 노즐을 거쳐 용융되어 통과하며, 노즐을 통과한 소재는 적층과 동시에 경화되며 형태를 만들어 간다. 간단한 구조와 광원 같은 부가 요소를 필요치 않으며 오픈소스 하드웨어 기반으로 대중화에 용이하다. 하지만 소재가 경화되는 시간에 있어 흘러내림을 방지하기 위한 지지대의 필요성으로 부재료의 소모가 크다는 단점이 있다.

Poly Jet (Photopolymer Jetting Technology)
FDM 방식과 유사하지만, 잉크젯과 광조형의 혼합방식이다. 모델 부분과 지지대 광경화성 수지를 잉크젯 프린터처럼 분사함과 동시에 UV 램프를 통한 광원으로 수지를 경화시켜가면서 제품을 제작한다. 치수 정밀도가 0.025mm~0.05mm로 뛰어나 별도의 후처리가 필요 없을 정도의 우수한 표면 조도를 나타내기 때문에 정교한 출력이 가능하다.

PBP (Powder Bed & Inkjet head 3d Printer)
잉크젯 프린터의 원리를 이용한 기술로, 프린터 헤드의 노즐에서 액체상태의 컬러 잉크와 접착물질(바인더)을 분말 원료에 분사하여 조형하는 방식이다. 출력 과정이 완료되면 분말을 제거하고 표면 처리를 한다. 2D 인쇄에 사용되던 컬러 잉크를 그대로 사용할 수 있기에 컬러 표현에 적합하지만, 조형 후에 분말을 제거하고 표면 처리를 해야 하는 번거로움이 있다.

LOM (Laminated Object Manufacturing)
종이, 플라스틱, 금속 라미네이트 층 등의 필름 형태의 재료를 칼이나 레이저로 절단하여 접착제로 접합하여 조형하는 방식으로 마치 합판을 붙여서 조각한 것과 유사한 방식이다. 종이를 이용할 경우 내구성이 약하다는 단점이 있지만, 기타 화학 용제가 필요치 않아 제작 비용이 저렴하고, 실사와 같은 색상을 인쇄할 수 있다는 장점이 있다.

DMT (Direct Metal Tooling)
작업 플랫폼에 한 층에 해당되는 두께만큼 미세한 메탈 파우더를 얇게 도포한 후 도포된 파우더 위에 정밀한 레이저가 조형하고자 하는 영역을 선택적으로 조사하면 조사된 파우더 부분이 용융되며 제품을 만들게 된다. 레이저가 파우더를 용융하고 있는 동안 산화 방지를 위해 불화성 가스(아르곤)가 챔버내에 공급되며, 한층 한층 플랫폼을 내려가면서 위와 같은 공정을 반복하는 방식이다. 순수 메탈 금속 재질의 제품 제작이 가능하다.

다음 칼럼에서는 3D 프린팅 기술을 의학적으로 활용함에 있어 고민되었던 기술 방식과 프린팅 소재를 소개하려 한다.

<글 = 에이치성형외과 백정환 원장 (성형외과 전문의)>