3D 프린터는 공상과학 속 ‘스타트렉 복제기’를 현실에서 가장 근접하게 구현한 기술로 평가받고 있다.

1945년에 발표된 머레이 라인스터의 한 단편소설에는 3D 프린터를 묘사한 최초 사례 하나가 등장한다.

이 조립기는 효율적이면서도 유연하다. 자석 전자 플라스틱을 넣으면—요즘 주택이나 선박을 만드는 데 쓰이는 재료다—이 이동식 팔이 도면을 스캔한 후 공중에 그림을 그린다. 그리기 팔 끝에서는 플라스틱이 배출되며 동시에 굳는다… 오직 도면을 따라.

3D 프린터 또는 적층 제조 기술은 1980년대부터 실용화되기 시작했다. 이론적 실험을 거쳐 미국 발명가 빌 마스터스가 여러 기술을 개발하고 특허를 취득하면서 상업용 3D 프린터의 기반이 마련됐다. 그리고 40년이 지난 지금, 3D 프린터는 누구나 관심만 있다면 쉽게 사용할 수 있을 만큼 저렴하고 간편해졌다.

Erik Mclean

빠르게 진화하는 기술

오랫동안 3D 프린터는 최종 디자인을 기존 방식(예 : 사출 성형)으로 제작하기 전, 빠르게 시제품을 만드는 용도로만 사용됐다. 한동안 다양한 플라스틱 소재만 출력할 수 있었으나, 최근 들어 적용 범위와 소재 모두 크게 확대됐다.

게임 개발자이자 기업가인 크리스 포서링햄은 “최근 몇 년 사이에 3D 프린터 기술이 정말 많이 발전했다. 하드웨어와 소프트웨어 모두 좋아졌지만, 무엇보다 생태계 자체가 성숙해졌다. 지금은 폴리에스터 계열 소재, 광경화성 수지, 강철, 케블라, 유기물 등 다양한 소재를 다룰 수 있다. 25년 넘게 이 분야를 지켜봐 왔는데, 특히 최근 2~3년 사이 접근성과 사용 편의성이 크게 높아지며 실질적인 성장세를 보이고 있다. 이제는 전문가 중심에서 산업계와 일반 사용자로 확산되는 전환기다”라고 설명했다. 포서링햄은 현재 3D 프린터와 생성형 AI를 결합한 신생업체를 창업했다.

디자인 컨설턴트 브라이언 루든은 전통적인 기술도 최근 몇 년 사이 크게 진화했다고 밝혔다. 특히 많은 사람이 익숙한 필라멘트 기반 3D 프린터, 즉 열용융 압출 방식의 발전이 두드러졌다고 설명했다.

루든에 따르면, 2009년에 관련 기술의 핵심 특허가 만료되면서 저가형 소비자용 프린터가 급속히 확산됐고, 다양한 취미 활동에도 널리 활용되기 시작했다. 이러한 가격 하락은 소규모 디자인 및 엔지니어링 스튜디오에도 큰 도움이 되었으며, 특히 이 시장에서는 중국 기업 뱀부 랩이 강력한 영향력을 보이며 빠르게 성장했다고 설명했다. 또한, 이 기업은 프린터 진동 등을 활용한 새로운 기술을 통해 출력 속도를 기존보다 여러 배 향상시키는 동시에, 출력물 품질도 유지하는 데 성공했다고 전했다.

Vexma Tech

브라이언 루든은 “예전에는 하루 종일 걸리던 작업이 이제는 한 시간이면 가능하다”라고 말했다. 지금은 아침에 아이디어가 떠오르면 오후에는 설계 모델과 시제품을 확보할 수 있다.

액체 고분자를 활용하는 수지 기반 프린터 또한 출력 속도가 크게 향상됐다.

새로운 소재, 새로운 가능성

브라이언 루든 역시 크리스 포서링햄과 마찬가지로, 현대 3D 프린터가 다룰 수 있는 다양한 신소재가 기술 발전의 핵심이라고 강조했다. 예를 들어, 마크포지드(Markforged)라는 업체는 탄소섬유 복합 필라멘트를 개발해 높은 강도와 내열성이 요구되는 부품까지도 출력한다.

최근에는 금속도 적층 제조에서 점점 중요한 소재로 부상하고 있다. 예를 들어, 예테보리의 찰머스 공과대학교 연구진은 주조나 단조와 유사한 특성을 가진 금속 소재 개발에 상당한 진전을 이뤘다.

콘크리트 역시 주목할 만한 소재다. 현재 세계 여러 기업이 대형 3D 프린터를 이용해 현장에서 건물을 층층이 쌓아 올리는 방식으로 시공하고 있다. 일본의 한 제조사는 여기에 수천 년 된 전통 기술을 융합한 방식도 개발했다. 립워크는 흙, 석회, 천연 섬유를 활용해 건축물을 제작하며, 해당 구조물은 내진 안전도 최고 등급을 획득했다.

2024년, 미국 메인대학교는 세계에서 가장 큰 3D 프린터를 공개했다. 이 프린터는 최대 29미터 길이의 구조물을 출력할 수 있으며, 명칭은 ‘미래 공장 1.0’이다. 주로 역사적 건축물 개보수용 부품 제작에 활용될 예정이며, 시간당 227킬로그램, 하루 최대 5톤 이상의 출력 능력을 갖췄다. 결코 가볍게 볼 수 없는 성과다.

Mikael Wallerstedt

웁살라대학교 세실리아 페르손 교수는 적층 제조 기술 발전이 가져온 또 다른 흥미로운 결과로, 과거에는 구현할 수 없었던 형태와 구조물을 만들 수 있게 된 점을 꼽았다.

3D 프린터로 예전에는 불가능했던 것을 만들 수 있는가?

“물론이다! 보통 두 가지 예를 든다. 하나는 부품 제조 측면이고, 다른 하나는 소재 측면이다. 예를 들어 구조물을 최적화해 소재 사용을 최소화하면서도 동일한 강도를 확보할 수 있다. 내구성 확보뿐 아니라 더 가벼운 부품으로 연료 절감도 가능하다. 즉, 완전히 새로운 수준의 설계 자유도가 생긴 것이다. 또 하나는, 서로 다른 미세 구조를 하나의 소재 안에 계층적으로 구현하거나, 금속 유리처럼 비정질 소재를 개발할 수도 있다. 금속 유리는 전통적으로 얇은 필름이나 실 형태로만 제조됐지만, 이제는 더 크고 복잡한 부품 제작도 가능하다.”

Osman Talha Dikyar

브라이언 루든 역시 3D 프린터를 통해 3차원 구조를 최적화함으로써 더 가볍고 효율적인 부품을 만들 수 있게 됐다고 밝혔다. 특히 기존의 컴퓨터 수치 제어 기계나 사출 성형으로는 제작이 불가능했던 고효율 열교환기 같은 예시를 들었다.

의료기기 분야에서 주도적인 변화

세실리아 페르손 교수는 적층 제조 기술이 의료기기 분야에 어떻게 활용되는지를 연구하고 있다.

“3D 프린터는 주로 세 가지 용도로 사용된다. 하나는 해부학적 모형으로, 수술 전 연습이나 절차 설명에 쓰인다. 둘째는 수술 가이드로, 특정 환자에 맞춘 보조 장치다. 셋째는, 개별 환자 맞춤형 이식물이나 기존 방식으로는 구현할 수 없거나 3D 프린터를 이용하면 훨씬 수월한 특수 기능을 지닌 이식물이다. 지금까지는 주로 두개골이나 턱 관련 수술에서 환자 맞춤형 이식물이 활용되고 있다.”

페르손 교수는 2023년 한 기사를 언급했다. 해당 기사에서는 3D 프린터로 손상된 턱뼈를 재건하고, 그렇지 않으면 이식이 불가능한 환자에게 치아 이식을 가능케 한 사례가 소개됐다. (*수술 장면 이미지 주의*)

페르손 교수가 현재 연구 중인 분야 중 하나는 생분해성 임시 이식물이다. 예를 들어, 신체가 뼈를 재생하는 동안 점차 분해되는 임시 뼈 대체물이다.

Brian Loudon

브라이언 루든 또한 다양한 의료기기를 개발하는 고객과 협업하고 있다. 그는 환자의 신체에 정확히 맞는 여러 형태의 지지대를 만들기 위해 3D 프린터와 3차원 스캐너를 병행해 사용한다고 설명했다.

루든은 글래스고 국가 보조기기 센터와 협업해 관절염 환자용 지지대를 개발하는 과정에서, 여러 소재를 동시에 출력할 수 있는 3D 프린터를 활용한 경험이 있다고 설명했다. 해당 지지대는 딱딱한 코어와 부드러운 외피로 구성된 구조로 최종적으로는 사출 성형 방식으로 제작될 예정이며, 다중 소재 출력 기능을 통해 동일한 설계를 기반으로 한 시제품을 실제로 출력하고 시험할 수 있었다고 밝혔다.

맞춤형 설계와 유연한 생산 방식

브라이언 루든은 10년 이상 3D 프린터를 시제품 제작과 설계 개발에 활용해 왔다. 그는 아이디어에서 실물 시제품까지 거의 즉시 구현할 수 있다는 점을 큰 장점으로 꼽았고, 최근에는 최종 제품 생산에 3D 프린터를 사용하는 경우도 점점 늘고 있다고 밝혔다.

루든은 이러한 흐름이 최근 나타나고 있는 주요 변화 중 하나라고 설명했다. 아직은 대량 생산에 이를 정도는 아니지만, 예를 들어 아디다스와 나이키는 3D 프린터를 활용해 중창을 제작하기 시작했고, 포뮬러1 맥라렌팀은 실제 차량 부품에 3D 출력물을 사용하고 있다고 밝혔다. 특히 최근에는 소비자 브랜드도 예비 부품 제작에 3D 프린터를 적용하는 경향이 뚜렷하며, 필립스는 프루사 리서치와 협력해 필립스 픽서블스 프로그램을 도입하고, 제품 일부 부품이 고장 났을 때 쉽게 교체하거나 수리할 수 있도록 유도하고 있다고 전했다.

Efe Yağız Soysal

크리스 포서링햄은 고유하고 맞춤화된 설계를 직접 제작할 수 있다는 점이 사용자 측면에서 폭발적인 성장 동력이 될 것이라고 본다. 그는 대표 사례로 코스프레 취미에서 정교한 의상 부품을 제작하는 데 3D 프린터가 널리 활용되는 현상을 소개했다.

다양한 취미 분야에서 3D 프린터는 이미 개인이 혼자 할 수 있는 일의 한계를 넘어섰으며, 제조업체의 역할도 변화시켰다. 특히 미니어처 게임이나 모형 철도 분야에서 뚜렷하게 나타난다. 3D 프린터를 통해 제조사가 별도 판매하지 않는 예비 부품과 부속품을 직접 출력할 수 있고, 사용자 스스로 완전히 새로운 구성 요소와 액세서리를 설계해 제작할 수도 있다. 예전에는 종이판, 스티로폼, 셀룰러 패널 같은 재료로 직접 지형을 만들었지만, 지금은 3D 프린터 사용이 일반화됐다.

Privat

“산업 측면에서는 가능성이 훨씬 더 크다. 3D 프린터는 제조를 다시 지역화할 수 있는 방법이라 본다. 각국이 필요로 하는 것을 자국 내에서 직접 제조할 수 있게 될 것이다. 예를 들어, 우크라이나가 자국 방위에 3D 프린터를 어떻게 활용하고 있는지를 보라”라고 분석한 크리스 포서링햄은, 현재 2차원 이미지를 3차원 모델로 변환해 출력할 수 있도록 지원하는 생성형 AI 기반 소프트웨어를 개발 중이다.

Chris Fotheringham

이 소프트웨어는 전문 지식이 없는 사용자도 손쉽게 3D 모델을 제작할 수 있도록 설계되었으며, 테스트 예시로는 강아지 피규어가 출력되었다. 포서링햄은 “장기 목표 중 하나는 출력 가능한 가정용 제품 카탈로그를 구축해, 사람들이 다시 수리 문화로 돌아갈 수 있도록 돕는 것”이라고 밝혔다.

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