동대문 디자인 플라자는 건물 외관이 아주 특이하다. 일반 건물과 달리 전체가 곡선으로 휘감긴 비정형이다. 건물을 덮고 있는 외장 재료는 알루미늄 판재인데 모두 4만5133장이나 된다. 하지만 건물의 형상이 일정하지 않아서 외벽을 둘러싼 패널이 모두 다른 형상이다. 이 알루미늄 패널을 프레스로 가공하려면 4만5000개가 넘는 각기 다른 금형이 필요하다. 건설사는 이 문제를 해결하기 위해서 다점성형프레스 기술을 채용했다. 판의 위치별로 좌표를 주고 펀치의 가공 깊이를 위치별로 모두 다르게 조절해서 임의의 곡면을 완성하는 방법이다. 말이 쉽지 모든 패널을 각기 다른 곡면으로 하나씩 성형해주는 방식이니 보통 어려운 기술이 아니다. 그런데 만약 그런 곡면을 가진 판을 3D 프린팅 방법으로 제작해 준다면 아주 손쉽게 제작이 가능해진다.

두바이의 통치자이며 아랍 에미리트공화국(UAE)의 수상인 셰이크 모하메드(Sheikh Mohammed)는 모래사막 위에 상상을 초월한 호화빌딩들과 아름다운 인공 섬을 건설해서 두바이를 세계에서 가장 부자들이 모여 사는 도시로 만들었고, 중동 자본의 중심도시로 바꿔 놓은 전략가다. 도시 곳곳에 환상적인 첨단 건축물들이 즐비하여 어느 곳을 둘러봐도 미래도시라는 느낌이 물씬 난다. 작년 초에는 1.36억달러를 투자해서 ‘미래박물관(the Museum of the Future)’을 짓기로 했다. 세계인이 찾는 관광명소로 만들고 어린 학생들의 미래 학습장이 되기를 바란다. 이곳을 방문하면 자연스럽게 첨단기술에 대해서 생각할 기회를 제공하고 과학기술의 장벽을 뛰어넘을 아이디어를 상상하게 해준다는 목표를 내세웠다. 건물 외관도 독특한 타원형 고리 모양으로 디자인한 미래박물관은 2017년까지 완공시킬 예정이다. 전시품이나 내부구조도 미래형으로 디자인하여 미래 교육, 의료, 에너지, 교통, 도시의 모습을 상상할 수 있도록 만들겠다고 한다. 특히 흥미로운 점은 건물 구조 및 외관을 모두 현장에서 3D 프린팅 기술을 이용해서 건설하겠다고 공표한 점이다. 물론 일부 소형 건축물이나 일부 구조체를 시범적으로 3D 프린팅한 사례는 있지만 디자인부터 독특한 첨단건축물을 3D 프린팅으로 완성한 사례는 없기에 건설기술의 새로운 이정표가 될 것 같다.

디자인 건축물을 프린팅하는 시도가 있다

3D 프린팅은 주로 자동차 부품 등을 개발하는 과정에서 시제품을 만들기 위한 쾌속금형 제조에 오래 전부터 많이 활용되었던 쾌속조형(Rapid Prototyping)기술이다. 2차원 데이터를 이용해서 얇은 판을 한 층씩 쌓아가다 보면 복잡한 3차원 형상을 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다. 시제품을 만들 때는 쾌속조형이지만 최종제품을 만드는 경우엔 적층해서 제조한다는 의미로 적층제조(Layered Manufacturing) 또는 첨삭제조(Additive Manufacturing)라 부르며 포괄적으로 3D 프린팅에 속한다.

3D 프린팅은 컴퓨터를 이용한 3D 형상설계기술이 발달하면서 급속하게 응용 범위가 확장되고 있다. 박물관에 보관된 희귀한 골동품의 3차원 형상을 데이터로 표현해 주면 진품과 똑같은 형상의 모조품을 3D 프린팅으로 재현할 수 있다. 박물관 전시실에는 3D 프린팅한 모조품을 진열하고 진품은 별도로 보관하는 진풍경이 벌어지고 있다. 엔지니어가 필요한 조건을 소프트웨어에 입력만 하면 컴퓨터가 자동으로 가장 효율적인 3D 골격구조를 설계해 준다. 예를 들면 기계부품을 설계하는 경우, 부품의 무게를 줄이기 위해 하중을 받는 부분을 제외하고 필요 없는 부분은 모두 제거해 전혀 새로운 부품구조로 컴퓨터가 설계해낸다. 또 3D 설계 소프트웨어는 부품의 냉각 효율을 높이기 위해 부품 속을 관통하는 냉각 채널을 얇게 하여 열 교환 표면적을 넓혀주는 설계를 한다. 이런 복잡한 내부구조를 갖는 부품은 전통적인 주물이나 선반가공법으로 도저히 제작할 수 없다. 하지만 3D 프린팅 기법은 내부구조가 아무리 복잡해도 전혀 문제가 되지 않는다. 보통 부품을 디자인하는 단계에선 가공과정에 발생할 수 있는 모든 제약조건들을 고려해야만 한다. 그러나 3D 프린팅 기술은 설계엔지니어나 컴퓨터 소프트웨어가 미리 고려해야 할 제약 조건들이 없다. 디자인이 전혀 다른 부품으로 발상전환이 가능하다는 점에서 3D 프린팅법은 창의적이고 미래지향적이다.

3D 프린팅 기술이 개발된 지 30여년이 넘는데도 불구하고 크게 발전하지 못했던 이유는 3D 프린팅 기술이 갖는 태생적 단점이 많기 때문이다. 그래서 3D 프린팅 기술이 미래사회에 미칠 영향이 매우 제한적일 것이라는 의견이 많았다. 단점들을 살펴보면 첫째, 프린팅할 수 있는 소재가 한정적이다. 공급되는 소재(미세 입자 또는 가는 선)에 열을 가하면 쉽게 액체로 녹았다가 열을 식히면 곧 바로 고체로 변해야 한다. 녹았던 소재가 쉽게 굳지 않는다면 인쇄 속도를 높일 수 없다. 이 말은 녹는 온도가 서로 크게 다른 소재들을 섞어서 인쇄하기가 매우 힘들고, 금속소재의 경우 (액체+고체) 공존온도영역이 넓은 합금은 3D 프린팅용 소재로 사용하기 힘들다는 의미다. 둘째로 인쇄 속도가 느리므로 대형제품을 제조하는 시간이 너무 길다. 이를 극복하는 방법으로 여러 개의 인쇄노즐을 병렬로 배치해서 동시에 넓은 면적을 인쇄하는 방법이 있기는 하지만 대형 제품이나 대량생산에는 부적합하다. 특히 인쇄품의 거칠기를 반으로 줄이려면 제작시간은 세 곱절로 증가하는 문제가 있다. 셋째, 인쇄된 제품의 강도가 높지 않고 특히 질긴 성질이 부족하다. 특히 얇은 층을 적층하는 방식이라 물성이 방향에 따라 다른 이방성을 지니고 있다.

반면 장점도 많다. 가장 큰 장점은 첫째 아무리 복잡한 구조라도 거리낌 없이 제조할 수 있다는 점이다. 둘째, 3D 데이터 파일만 있으면 전문가가 아니더라도 쉽게 데이터를 바꿔주어 얼마든지 제조품에 변화를 줄 수 있다는 점이다. 각자의 기호에 맞게 변형이 쉬워서 특히 인체에 착용하거나 삽입하는 의료용 장비나 임플란트를 착용자의 체격조건이나 사용 환경에 맞게 맞춰주기에 안성맞춤이다. 셋째, 항공기나 우주선 같이 부품의 수가 적은 경우엔 3D 프린팅법이 가장 절차가 단순하고 제작비가 적게 드는 공법이다.

3D 프린팅은 맞춤용에 특화될 기술이다

3D 프린팅 기술이 관심을 끌면서 프린팅 장비들이 교육기관, 연구기관, 그리고 다양한 산업분야에 많이 팔렸다. 3D 프린팅 기술의 가능성이 널리 퍼졌지만 정작 소비재 시장에서 판매되는 제품들은 주로 장식물, 공예품, 피규어 등 기념품, 디자인을 입힌 패션용품 등이다. 프린팅된 제품보다 오히려 스스로 제품을 만들어볼 수 있는 프린터나 소재 시장이 형성됐다. 급기야 최근에는 조립용 장난감을 가정에서 쉽게 만들어볼 수 있는 유아용 3D 프린팅 기계까지 등장했다.

레스토랑에선 음식 접시 위에 여러 가지 무늬나 그림을 음식용 3D 프린터로 장식해 주는 일이 있다. 음식 위에 그림도 그리고 고객만을 위한 독특한 조형물을 요리 위에 인쇄해서 올려주는 서비스다. 산업계에서도 제조용 장비보다 시제품 제작용이 더 많다. 주로 벤처기업들이 시작품 제작에 3D 프린팅 기술을 활용하고 있다. 항공기나 우주선의 부품들은 제작대수가 많지 않기 때문에 3D 프린팅 기술의 혜택이 크다. GE의 항공사업본부는 2016년부터 상당수 엔진부품을 3D 프린팅으로 제작하기로 했다. 연료노즐 같은 경우 무게가 25% 정도 줄어들고 디자인이 간단해져서 부품 수가 1/18로 줄어들었으며, 냉각성능이 높아져서 부품 수명이 5배 정도 증가하는 효과가 있다고 한다. 2020년까지 10만개의 부품을 3D 프린팅법으로 제조하겠다는 계획이다.

재활의료산업에 의외로 가능성이 열려있다

지난 3~4년 사이에 3D 프린팅 기술이 가장 획기적으로 발전한 분야는 의료산업이다. 예를 들면 프린스턴 대학 연구진들은 전자기술과 생체조직 프린팅 기술을 결합해서 보통 사람이 들을 수 없는 주파수 영역의 소리를 들을 수 있는 인공 귀를 3D 프린팅 기술로 개발 중이다. 인체가 가진 생물학적인 능력을 넘어서는 새로운 기능이나 역량을 심어줄 수 있는 장기를 개발하는 연구도 하고 있다. 많은 병원에서 장애인들에 꼭 맞는 보철장비를 제작해서 정상인과 같은 능력을 갖게 하는 데 성공하고 있다. 또한 골반, 무릎, 그리고 발목뼈 등을 환자의 치수에 맞춰 제작해서 교체하고 재활 치료를 해주는 세상이 되었다. 지금까지와 달리 콩팥이나 폐 등이 손상되면 콜라겐으로 장기의 틀을 콜라겐으로 프린팅하고, 환자에게서 채취한 줄기세포를 그 위에 성장시켜 인체면역작용이 없는 인공장기를 만들어 교체해주는 의술이 가능해진다.

산업적으론 3D 프린팅 기술은 시제품 개발 과정을 단축시키고 다양한 시도를 쉽게 하는 장점이 있다. 하지만 가상현실 기술이나 증강현실 기술이 3D 설계기술과 조합하여 널리 활용되면 컴퓨터상에서 모든 상품의 설계와 시험이 가능해진다. 따라서 시제품을 제작하는 횟수가 줄어들 가능성이 높다. 그러나 소비재 시장에선 거의 모든 상품이 가정에서 개인용 3D 프린팅 장비로 제작되는 양상으로 바뀔 수 있다. 3D 홀로그램이나 가상현실 소프트웨어로 3D 설계가 가능하고 최종 형상을 3D 데이터로 변환하여 3D 프린터에 바로 제작 명령을 내릴 수 있게 된다. 대부분의 공예품이나 기념품 또는 소지품은 집에서 인쇄해서 사용하게 되고 웬만한 공산품도 집에서 데이터 파일을 만들어 직접 3D 형상으로 제작하는 일이 별로 어렵지 않게 된다. 3D 프린팅 기술은 개인들의 차별화된 상상력을 구체화해보는 좋은 도구 역할을 하게 되며, 일상생활 속에서 사용하는 소품들과 생활용품들을 직접 제작해 보는 취미생활도구로 발전해나갈 전망이다.