3D 프린팅의 미래: 산업을 형성하는 트렌드

3D 프린팅 개발 동향

(1) 데이터 측면

3D 프린팅 기술은 디지털 기반의 제조 공정으로, 데이터 개발 트렌드를 두 가지 영역에 반영하고 있습니다:
첫째, 레이어링 방법의 진화입니다. 초기 디지털 레이어링 기술과 경로 계획은 후속 물리적 레이어링의 효율성과 정밀도를 직접적으로 결정합니다.

현재 3D 프린팅은 주로 단순한 평면 슬라이싱을 사용하지만 데이턴 대학교와 스탠포드 대학교와 같은 대학에서는 레이어링 방식에 중점을 두고 데이터 처리 연구를 수행하여 기존의 2차원 평면 슬라이싱에서 컨포멀 곡면 슬라이싱으로 전환을 시도하고 있습니다.

중국에서는 2018년 과학기술부의 '적층 제조 및 레이저 제조에 관한 중점 특별 프로젝트'에 이 연구 계획이 포함되었습니다.

둘째, 데이터 소스의 다양화입니다. 3D 모델링이나 리버스 엔지니어링 방법을 통해 프린팅용 3D 모델을 얻을 수 있으며, 3D 프린팅에 점점 더 많이 사용되고 있는 모델 재구성을 위해 CT 스캔 및 디지털 카메라의 데이터를 활용할 수도 있습니다. 그러나 일부 데이터 왜곡이 있어 추가 연구가 필요합니다.

(2) 물질적 측면

3D 프린팅의 발전은 소재의 개발에 점점 더 의존하고 있으며, 두 가지 중요한 트렌드가 있습니다:
첫째, 조직 공학 소재입니다. 혈관 및 세포가 탑재된 바이오 소재를 기반으로 살아있는 조직과 장기를 제작하는 것은 3D 프린팅 소재 개발의 가장 중요한 방향이자 가장 기대되는 응용 분야입니다.

둘째, 특수 기능성 소재입니다. 초전도체 및 자기 저장 매체와 같은 특정 전기 및 자기 특성을 가진 소재와 그라데이션 기능성 소재도 3D 프린팅 소재 연구 및 개발의 초점이며 산업 분야의 최첨단 응용 분야를 대표합니다.

(3) 구조적 측면

3D 프린터의 기계적 구조는 정밀도, 효율성 및 응용 범위를 결정하는 핵심 요소로, 두 가지 중요한 개발 동향이 있습니다:
첫째, 업사이징. 프린트 크기의 제한은 항상 3D 프린팅 장비의 약점이었습니다.

3D 프린터의 기계 구조 크기를 늘리면 정밀도를 유지하면서 전체 제조 능력을 향상시키고 모델 세분화를 방지하여 인쇄 효율성을 개선하며 응용 분야를 크게 확장할 수 있습니다. 최근 몇 년간 주요 기업의 제품 라인을 분석해 보면 제조 규모가 대형화되는 추세를 확인할 수 있습니다.

추가 조사에 따르면 이들 회사의 다양한 유형의 3D 프린터의 최대 인쇄 크기는 1m 이내로 제한되어 있습니다. 중국의 일부 기업들은 대형 프린터 개발을 시도하고 있으며 이미 시장에서 좋은 반응을 얻고 있습니다.

둘째, 기존 제조 방식과의 통합입니다. 여기에는 성형, 주조, 단조, 전기화학 정밀 가공과 같은 전통적인 방법과의 효과적이고 심도 있는 통합이 포함됩니다.

2018년 과학기술부의 '적층 제조 및 레이저 제조 중점 특별 프로젝트'에는 이러한 연구 프로젝트가 포함되어 있으며, 전통 제조 산업에서 3D 프린팅의 강력한 발전을 촉진하고 3D 프린팅 자체의 응용 분야를 확대하는 것을 목표로 하고 있습니다.

(4) 제조 모델

첫째, '분산 제조' 모델의 등장입니다. 3D 프린팅의 비용 효율성과 기술 접근성이 향상됨에 따라 모든 가정에서 3D 프린터를 소유하고 사용할 수 있게 되면서 3D 프린팅이 사회 혁신, 크라우드 펀딩, 크라우드 소싱을 위한 도구이자 플랫폼으로 널리 보급되는 추세입니다. 이는 새로운 형태의 사회적 행동과 "분산형 제조"의 도래로 이어지고 있습니다.

본질적으로 분산형 제조는 전체 생산 프로세스를 재구성하여 소비자 패턴을 포함한 공급 및 수요망을 근본적으로 변화시킵니다.

둘째, '기능 우선' 디자인 철학이 부상하고 있습니다. 부품의 복잡성으로 인해 제약을 받았던 기존 제조 방식에서는 설계자가 실현 가능성과 비용을 고려해야 했습니다. 하지만 3D 프린팅 디자인은 제품의 복잡성을 무시하고 필요한 기능에만 집중할 수 있어 이전에는 상상할 수 없었던 산업 제품을 만들 수 있습니다.

이러한 기술이 축적되면 특히 항공우주, 조선, 자동차 등의 산업에서 복잡하고 정밀한 부품 제조에 혁신을 가져올 것입니다.

3D 프린팅의 "기능 우선" 디자인 철학은 전통적인 프로세스와 제조 자원에 얽매이지 않는 제품 디자이너의 창의적이고 혁신적인 가능성을 확장하고 "디자인 = 생산", "디자인 = 제품"이라는 패러다임 아래 무한한 창작을 추구합니다.

따라서 가공 문제에 대한 걱정 없이 최적의 구조 설계를 적용할 수 있어 하이엔드, 복잡한 정밀 부품의 제조 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 3D 프린팅에서 디지털 설계, 제조, 분석이 고도로 통합되어 있기 때문에 신제품 개발 주기를 크게 단축하고 R&D 비용을 절감하여 "오늘 설계, 내일 제품"을 실현할 수 있습니다.

셋째, '마이크로 및 나노 제조'가 크게 촉진됩니다. 3D 프린팅 응용 분야가 매크로에서 마이크로 및 나노 제조로 확장됨에 따라 이러한 형태의 제조가 중요한 역할을 할 것입니다. 현재 센서를 만드는 데 사용되는 마이크로 전자 공정에는 금형 제작과 웨이퍼 가공이 필요하며, 이는 생산 라인에 수백억 원은 아니더라도 수십억 달러의 투자가 필요하다는 것을 의미합니다.

수백 개만 필요한 맞춤형 센서의 경우 이러한 막대한 초기 투자로 인해 소규모 생산이 불가능합니다. 3D 프린팅은 이러한 마이크로 및 나노 제조의 수요를 완벽하게 충족할 수 있습니다. 캐나다 웨스턴 대학교의 연구원들은 3D 프린팅 기술을 사용하여 환자의 심장 상태를 모니터링하는 이식형 장치를 개발했습니다.

이 무선 이식형 시스템은 혈압 센서와 심혈관 혈압 모니터(스텐트 포함)를 통합한 부피가 2.475cm³에 불과하고 무게는 4g이 조금 넘습니다.

(5) 자기 진화

앞으로 3D 프린팅은 4D 및 5D 프린팅으로 발전할 것입니다. 3D 프린팅을 기반으로 하는 이러한 방법은 시간의 경과에 따른 변화를 고려하여 모델의 모양과 기능을 점진적으로 변경할 수 있으며, 이를 4D 및 5D 프린팅이라고 합니다.

첫째, 4D 프린팅을 사용하면 인쇄된 모델이 시간이 지남에 따라 모양이 변할 수 있습니다. 일반적으로 모델은 인쇄할 때는 평평하지만 온도, 자기장 및 기타 환경 요인의 영향을 받아 서서히 변형됩니다. 3D 프린팅 프로세스를 간소화하고 프린팅된 모델을 기기에 쉽게 통합할 수 있다는 장점이 있습니다.

둘째, 3D 프린팅을 사용하면 모델이 인쇄된 후 시간이 지남에 따라 기능과 모양을 모두 변경할 수 있습니다. 이미 동물 실험에서 3D 프린팅 뼈를 이용한 실험이 성공적으로 이루어졌습니다. 이 기술이 성숙하고 널리 보급되면 지능형 제조, 3D 프린팅 또는 4D 프린팅보다 훨씬 더 큰 사회적 영향을 미칠 것입니다.

(6) 적용 전망

3D 프린팅은 완전히 개인화되거나 소량으로 생산되는 애플리케이션에 더 큰 잠재력을 가지고 있음은 분명합니다.

첫째, 바이오 의학 분야는 개인 맞춤형 애플리케이션의 대표적인 예입니다. 2016년 국무원 총서에서 발표한 '제약 산업의 건전한 발전 촉진에 관한 지침'에서는 이식형 제품에 바이오 프린팅 기술과 데이터 칩의 적용을 촉진할 필요성을 강조했습니다.

국무원이 발표한 '제13차 국가 전략 신흥 산업 발전 5개년 계획'에서는 조직 및 장기 복구와 이식형 의료 기기 분야의 혁신과 산업화를 가속화하기 위해 적층 제조(3D 프린팅) 및 기타 신기술을 사용할 것을 강조했습니다.

2021년 2월 9일, 공업정보화부는 새로운 "3D 프린팅 + 의료 건강" 제품 개발을 장려하는 의료기기 산업 발전 계획(2021-2025) 초안을 발표했습니다. 이 계획은 의료 기기, 재활 장비, 임플란트 및 연조직 복구 분야에서 개인 맞춤형 맞춤화의 발전을 지지하고 다양한 분야에서 3D 프린팅 기술의 적용을 강조합니다.

이 계획은 또한 혈관 스텐트, 정형외과 임플란트, 치과 임플란트와 같은 제품의 생체 적합성과 기계적 특성을 향상시키기 위해 첨단 소재와 3D 프린팅 기술을 적용할 것을 요구합니다.

5G, 인공지능, 산업 인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 3D 프린팅과 같은 신기술과 전통적인 의료 장비를 통합하여 독창적인 스마트 의료 장비 개발을 촉진하고 스마트 의료 및 건강 클라우드 서비스를 촉진하기 위해 부문 간 협업을 지원합니다.

이는 국가 정책적 관점에서 볼 때 '3D 프린팅 + 의료'가 최근 몇 년간 뜨거운 연구 주제이며, 상당한 관심과 지원을 받고 있으며 엄청난 발전 잠재력을 보여주고 있음을 보여줍니다. 또한 국민의 건강과 복지에 대한 중국의 의지를 반영하는 것이기도 합니다.

둘째, 항공우주 산업은 다품종 소량 생산을 대표합니다. 항공우주 부품은 일반적으로 상용 제품보다 소량으로 생산되며, 고강도, 가공하기 어렵고 비용이 많이 드는 합금으로 만들어진 복잡한 구조를 갖는 경향이 있습니다.

3D 프린팅은 이 분야에 상당한 영향을 미칠 것이 분명합니다. '13차 5개년 규획' 기간에 시행된 '적층 제조 및 레이저 제조 중점 특별 프로젝트' 연구 계획에서 알 수 있듯이 국내외에서 이 두 분야에서 3D 프린팅에 대한 기대가 높습니다.

(7) 기초 과학

적층 제조의 기본 원리를 바탕으로 한 기초 이론 연구는 3D 프린팅 기술의 발전을 지속적으로 견인하고 있습니다. 다음 다섯 가지 과학 분야는 점차 국내외 학자들로부터 폭넓은 관심을 받고 있습니다.

첫 번째는 강한 비평형 응고에 대한 연구입니다. 금속 성형. 3D 프린팅 과정에서 재료와 에너지원 간의 상호 작용 시간이 매우 짧아 순간적인 용융-고형화 주기가 이루어집니다.

금속 재료의 경우 이러한 비평형 응고 메커니즘은 기존의 평형 응고 이론으로는 완전히 설명할 수 없기 때문에 강력한 비평형 조건에서 금속 응고 이론을 확립하는 것은 3D 프린팅 분야에서 해결해야 할 중요한 과학적 과제입니다.

두 번째는 극한 조건에서 3D 프린팅을 위한 새로운 메커니즘의 개발입니다. 우주 탐험에 대한 인류의 절실한 요구가 계속 증가함에 따라 3D 프린팅 기술은 우주 탐사 분야에서 점점 더 많이 적용되고 있습니다.

심지어 우주 공간에서 현장 3D 프린팅을 구현하고자 하는 욕구도 있어 이러한 극한 조건에서의 3D 프린팅 메커니즘과 이러한 서비스 환경에서 부품의 수명과 고장 메커니즘에 대한 연구가 특히 중요해졌습니다.

세 번째는 그라데이션 소재와 구조의 3D 프린팅 메커니즘입니다. 3D 프린팅은 구조와 기능을 통합하는 제조 기술로, 다음과 같이 연속적인 그라데이션 변경이 가능합니다. 재료 구성 그리고 동일한 구성 요소 내에서 여러 구조의 조합. 이러한 설계를 실현하려면 재료 역학 및 구조 역학에 대한 도전이 필요합니다.

넷째, 조직 및 장기의 개인 맞춤형 3D 프린팅과 기능 재생의 원리입니다. 제조 과정에서 생명체의 생명력을 유지하거나 사용 중 장기 기능을 재생하는 메커니즘을 연구하는 이 연구는 아직 초기 단계에 있으며 여러 분야와 학계의 전문가와 학자들의 공동 노력이 필요합니다.

다섯째, 통합 형상 및 속성 3D 프린팅의 제어 메커니즘입니다. 3D 프린팅은 형상 제어 제조에서 통합 형상 및 속성 제어 제조로 전환되고 있습니다. 예를 들어 금속 부품을 프린팅할 때 부품의 형상뿐만 아니라 복잡한 내부 구조를 단조 부품에 근접하거나 그 이상으로 높은 정밀도와 강도로 제어할 수 있습니다.

미래에는 항공기 엔진용 블레이드를 프린팅하면 설계자가 미리 정해진 방향으로 쌓아 올린 원주형 결정이 형성되어 단조보다 전반적인 성능이 우수한 최종 제품을 만들 수 있습니다.

요약하자면, 3D 프린팅의 미래 역할은 제조의 보조적인 형태에서 스마트 제조의 중추로 진화하면서 큰 변화를 겪을 것으로 예상됩니다. 3D 프린팅은 제조 프로세스를 재정의하여 전문가들이 3D 프린팅 사고방식으로 현장의 기존 관행을 재평가하도록 유도할 것입니다.

3D 프린팅으로 생산되는 부품의 양은 금형 제조 및 CNC 가공과 비교할 수 없지만, 3D 프린팅이 창출하는 가치는 이러한 전통적인 방법을 훨씬 능가할 수 있습니다. 따라서 3D 프린팅의 트렌드와 적용 전망은 매우 유망합니다.