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3D프린터에 대한 특허는 생각보다 찾기 쉽습니다. 구글에서 미국 특허 정보를 제공하기 있기 때문인데요. 3D프린터특허를 통해 그 원리를 알아보면 조금 더 쉽고 근본적으로 찾아 볼 수 있을 것 같아 한번 살펴봤습니다.

FDM 방식의 특허명은 Apparatus and method for creating three-dimensional objects 입니다. 한국어로 하면 '3차원 물체 생성을 위한 기구와 방법' 정도로 해석됩니다. 말 그대로 3D프린터원리와 기구 정도인데요.

영어로 블라블라 작성된 특허 내용은 이해하기도 힘들고 너무 많은 말들이 있으니 이미지로 간단히 FDM방식 3D프린터원리를 알아보겠습니다.

<출처: 미국 특허청>

처음에는 전체적인 기구와 원리에 대한 설명이 있습니다. 컴퓨터에 연결된 장비가 구성된 다양한 장비들과 그 구성 요소 정보도 세부적인 내용은 구글에 특허를 검색하면 바로 나오니 직접 확인 하실 수 있습니다.

<출처: 미국 특허청>

2번 그림에는 과정에 대한 이야기가 있는데요. 캐드(CAD)로 만든 파일을 레이어 소프트웨어, 흔히말하는 슬라이싱 소프트웨어를 사용해 변환하고 모델러 콘트롤러 흔히 노즐이라고 불리는 부분을 움직여 만든다는 내용입니다.

<출처: 미국 특허청>

핵심 부분인 압출기와 노즐에 대한 부분도 별도로 다루고 있는데요. 기본적인 원리는 지금 사용하는 FDM 3D프린터와 일치합니다. 필라멘트가 압출되고 노즐에 녹아 내리면 노즐이 원하는 방향을 움직이는 FDM 방식 3D프린터원리가 지금까지 그대로 사용되고 있다는 것을 알 수 있네요.

생각보다 단순하게 특허가 있지만 이 원리는 특허가 풀린 2012년부터 본격적으로 사용됬습니다. 어떻게 보면 단순하기 때문에 더 이런 특허를 완벽하게 회피하기 어려운 것 같은데요.

3D프린터원리가 더 궁그하신 분은 한번 3D다아라 사이트에 방문하셔서 다양한 출력 사례를 한번 살펴보시면 더 이해가 잘 되실꺼 같네요!

3D프린터원리 라고 하면 조금 어렵게 느껴지시나요?

하지만 3D프린터원리는 생각보다 단순합니다. 쉽게 생각하면 재료를 녹여서 층층히 쌓아 올린다고 그대로 굳게 만든다고 생각하면 되는데요. 블럭 만들듯이 아래부터 한층한층 쌓아 원하는 모양을 만드는 것입니다.

이런 3D프린터원리는 3D프린터활용 사례를 통해 보면 조금 더 쉽게 보실 수 있습니다.

<출처: 3D다아라>

3D프린터는 모형을 만드는데 제한이 매우 적기 때문에 이렇게 피규어를 만드는 분야에도 활발하게 적용되고 있습니다. 보통은 FDM방식이라고 불리는 녹여서 굳히는 방식을 이용해 모양을 만들고 도색을 통해 색상을 구현하는 방식을 사용하거나 아니면 석고 가루와 같은 분말을 접착제를 첨가해서 덩어리로 만들고 잉크를 분사해 색상을 만들기도 합니다.

<출처: 3D다아라>

특히 요즘은 이렇게 방송 분야에서 매우 활발하게 사용되고 있는게 3D프린터인데요. 3D프린터원리는 이렇게 소량으로 만들어 사용하고 지속적이기 보다는 사용이 많지 않은 분야에서 3D프린터활용 사례가 많은 편입니다. 하지만 이렇게 방송용으로 사용될 정도로 수준이 높은 출력을 하기 위해서는 단순히 3D프린터만 다룰 수 있는게 아니라 조금 예술적인 감각도 필요해요.

<출처: 3D다아라>

가장 많은 사람들이 기대하고 있는 3D프린터활용 분야가 바로 지금 보고 있는 기계산업 분야 입니다. 사실 기존에 사출성형이나 금속가공 등 전통적인 방법은 대량생산을 하면 단가가 낮아지지만 소량 생산의 경우 초기에 투입되어야하는 최소 비용이 매우 높기 때문에 쉽게 부품이나 제품을 만들기 어려웠지만 3D프린터원리를 활용한 이런 방식은 아주 적합합니다.

또 다른 분야는 바로 이런 설계분야 입니다. 기존에는 설계한 디자인이나 기계를 실제로 구현하기 위해서는 많은 금액이 필요하기 때문에 아무래도 그냥 컴퓨터나 가상 시뮬레이션을 통해 대략적으로 판단하고 실제 제품을 만드는 경우가 많아 설계를 변경하기도 어렵고 변경시 위험 요인이 아주 많았는데요. 3D프린터는 디자이너나 설계자가 생각한 제품을 바로 출력해 다양한 실험을 하고 실제 제품을 생산하기 때문에 이런 과정을 통한 문제점들을 해결할 수 있습니다.

어려워 보이는 3D프리터원리도 활용 사례를 통해 살퍄보니 조금 쉽지 않으신가요?

간혹 3D 프린터라고 하면 최신 기술로 알고 있으신 분들이 은근히 많은데요. 공식적인지는 모르지만 일반적으로 3D프린터의 시초는 1981년 일본의 '히데오 코다마'라는 사람이 광경화수지에 빛을 조사해서 모형을 만드는 기술에 대한 연구 보고서로 보고 있습니다. 하지만 이 보고서는 당시에 큰 관심을 보이지 못했고 무엇보다 내용이 조금 부실했다고 하는데요. 

실제 최초 3D프린터 특허는 1986년 미국의 척 헐(Chuck Hull)을 통해 출원합니다. 척 헐은 가구 회사를 다니다가 가구회사의 공정 중 자위선을 이용해 플라스틱을 경화시키는 공정에서 3D프린터를 처음으로 생각했다고 합니다. 그래서 가장 먼저 출원된 특허 역시 레이저를 빛에 조사해 모형을 만드는 SLA방식으로 1988년 상용화 제품을 처음 만들었는데요. 지금을 기준으로 하면 무려 27년 전 일이네요.

<FDM 3D프린팅 방식>

3D프린터는 절대 최신 기술이 아닙니다. 그럼 3D프린터원리와 3D프린터기술은 어떻게 될까요? 보통 3D프린터기술은 어떤 원리를 사용했는지에 따라서 FDM, FFF, DLP, SLS, DMP 등 다양한 용어로 불리고 있지만 사실 3D프린터기술과는 다른 것이 3D프린터원리는 아주 간단합니다. 참고로 이번에 알려드리는 3D프린터원리 수준은 아이들이 이해하기 쉬운 수준입니다. 무슨 압출이니 경화니 하는 전문적인 내용은 다음에 각 전문 방식별로 정리할 예정입니다.

<광경화 방식 3D프린터>

국내에서는 그냥 편의상 3D프린팅방법이라고 하는 것은 외국에서는 보통 적층가공 즉 additive manufacturing 라는 용어를 사용하는데요. 말 그대로 층을 하나씩 쌓아서 만드는 기술이라는 뜻입니다. 가장 흔하게 사용되는 3D프린터기술인 FDM의 경우만 봐도 플라스틱을 녹여서 한 층 한 층 쌓는 방식이고 가장 고가 3D프린터방법인 SLS같은 경우도 레이저를 사용해 재료를 녹여서 한 층 한 층 모양을 만든 것인데요. 지금까지 공개된 3D프린터 기술 대부분은 이렇게 층층히 쌓아서 올리는 원리를 사용합니다.

<종이를 잘라 붙이는 방식의 3D프린터> 

그래서 사용 가능한 소재도 보면 녹아서 쌓을 수 있거나 화학적인 반응을 통해서 유동체를 고체로 만들 수 있는 소재에 한정적으로 사용되고 있고 나무와 같이 녹는다는 개념이 불가능한 재료는 사용되지 않고 있습니다. 

3D프린터는 비록 오래된 기술이지만 당시에는 3D프린터 자체보다는 기반이 되는 IT기술과 3D 데이터 처리기술, 무엇보다 부품들의 정밀도와 가격 문제들로 인해 시장이 확대되지 못하고 있었는데요. 2013년을 기반으로 3D프린터 시장은 단순히 기계를 넘어 의료분야와 일반 생활분야까지 급격하게 팽창하고 있습니다. 앞으로 3D프린터가 우리 생활에 어떤 변화를 불러 올 수 있을지 궁금합니다.