3D Printing에 대하여
흔히 접할 수 있는 필라멘트 3D 프린터입니다.
모형이나 부품, 조형물을 만들때 사용되는 대표적인 프린터입니다. 원리는 간단합니다. 한층 한층 덧붙여 쌓아감으로써 원하는 형상을 만드는 방법입니다.
3d 프린터가 4차 산업 혁명의 주도 기술이 된 것은 형상을 덧붙여 만드는 방법의 변화 때문입니다. 3차 산업혁명까지는 나무 인형을 만드는 것처럼 무엇인가로 깎아내는 방식으로만 형상을 만들 수 있었기 때문입니다.
덧붙임 형상 제조 방법이 혁신적인 이유는 깎아내는 방식으로 만들 수 없는 형상은 옆 사진에서 볼 수 있는 에펠 탑은 수많은 강철판 부품을 조립하여 만들었던 것인데, 3D 프린터로는 일련의 작업으로 같은 형상을 만들어낼 수 있기 때문입니다.
이러한 만듦의 신세계의 시작은 1984년 시작된 개념이기 때문에 불과 40여년 전입니다.
이 개념으로 미국 3D Systems라는 회사가 설립되고, 개념에 맞는 기계가 개발되면서 수많은 엔지니어들이 덧붙임 형상 제조 방법을 여러가지 방법으로 시도해 보면서 다양한 기술들이 개발되기 시작했습니다.
액체를 한층 한층 굳히면서 쌓아가는 방식
프린팅을 하듯이 분말을 녹여서 한층 한층 쌓아가는 방식
위 사진처럼 플라스틱을 녹여서 한층 한층 쌓아가는 방식
분말을 뿌리고, 레이저로 원하는 부분을 녹여서 쌓아가는 방식 등등
여러가지 방식이 나오면서 현재에 이르렀고, 가장 대중화된 3D 프린터는 사진의 필라멘드 압출식 프린터 (FDM - Fused Deposition Modeling) 방식이지만 주얼리 제조에는 조형 정밀도가 많이 떨어지는 방식이기도 합니다.
주얼리 전용 프리터와 레진의 등장
조형 정밀도가 낮은 FDM 프린터의 단점을 보완한 새로운 형식의 프린터가 개발되었고, 오른쪽 사진에서 보는 것처럼 액체 레진(Resin)을 조형재료로 활용해서 얇은 틈새 만큼만 액체가 존재하게 하고, 이 부분만을 굳혀 쌓아가는 방식의 레진 프린터가 출현하게 되었습니다.
1세대, 2세대, 3세대, 4세대를 거치면서 단점과 문제점이 개선되었으나, 주얼리에서는 기존 재래식 공법에서 디자인을 개발하는 단계를 대체하는 기술에 지나지 않았었습니다.
프린터에 따르고 있는 액체를 레진(Resin)이라고 하는데, 이를 광경화성 수지라고 합니다.
광경화(光硬化)라는 말은 빛을 받으면 굳는다는 말인데, 405㎚라는 파장을 갖고 있는 자외선(Ultraviolet)에 굳어지는 화학적 결합물은 UV-Resin이라고 합니다.
이 프린터가 전문 사용자들에게 애용되면서, 많은 화학자들이 여러가지 레진을 개발하게 되었습니다.
어떤 화학자가 생각했겠죠.
이 레진 출력물을 바로 금이나 은으로 주조하여 만들수는 없을까? 하구요.
우리도 바로 출력물을 주조해서 사용할 수 있는 최적의 레진을 구하기 위해 전세계 레진을 수입해 사용해 볼 만큼 매력적인 개념이였거든요.
구태여 기존 주얼리 제조 공법처럼, 3D 프린팅-원형-고무틀-왁스복제-주조-세공의 과정을 거치지 않고, 첨단화된 새로운 공법인 3D 프린팅-주조-세공으로 제품을 만들면 공정도 단순화시키고, 훨씬 정교한 제품을 만들수 있을 것 같았거든요.
그런데, 이 레진이 쉽지 않더라구요.
하지만, 15년전에 비하여 훨씬 좋아진것만은 사실이였고, 제법 문제가 있지만 적용할 수는 있을 것 같아서 점차 직접 프린팅 주조 방식의 제품군을 늘려가기 시작했습니다.
그러던, 2년전에
국내 화학업체의 개발자가 개발한 신제품을 테스트 의뢰를 받게 되었고,
그후 2년동안 서로 끊임없이 소통하면서 레진을 개발하면서 단점을 보완해 이제는 16번째 업그레이드된 레진으로 안정된 제품 생산하고 있습니다.
Direct 3D Printing 제품의 등장
위 그림처럼 프린팅한 출력물을 바로 제품으로 만드는 것을 Direct 3D Printing이라고 합니다.
왜 2년이 넘게 고생하면서 이런 개발을 해서 제품을 만들까요?
먼저 재래시 고무틀 복제 방법의 단점을 살펴보면 아래와 같습니다.
1. 기존 고무틀로 복제하는 것은 마치 원본을 복사한 복사물이 원본의 품질을 뛰어 넘을 수 없는 것처럼 아무리 정성스럽게 작업해도 큰 차이가 납니다.
2. 고무틀로 복제하면 고무가 경화되면서 수축이 일어나는데, 고무마다 수축률이 다르기 때문에 정교한 수치를 반영할 수 없습니다.
3. 고무틀로 복제하면, 복제물을 꺼내기 위해서 중앙 절개선을 추가해야 하는데, 이 부분이 어그러져 형태의 불균형을 만드는 원인이 됩니다.
4. 고무틀로 복제하면, 미세한 부분까지 완벽하게 복제하는 것이 무척 까다롭고, 완벽하게 복제되었는지 확인하기 어렵고, 이런 결과로 완성 품질이 떨어지는 원인이 됩니다.
그러면, Direct 3D Printing은 장점만 있을까요?
1. 호수에 맞게 모든 디자인을 모델링해야 하는 노력이 필요합니다.
2. 각각의 호수에 맞춰 3D Printing을 해야 하는 노력이 필요합니다.
3. 재래식과는 다른 주조 기법으로 별도주조를 해야 하는 노력이 필요합니다.
4. 세공시 재래식 기법과는 다른 약간의 추가 공정 노력이 필요합니다.
이렇듯, 더 많은 노력을 해야하는 단점이 있지만 미세한 표현의 구현, 정교한 출력값, 완벽한 표현등 장점이 더 많습니다.