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Volumetric 3D 프린팅, 초단위로 출력하는 새로운 3D프린팅 방식
2017-12-18 11:16:08

Volumetric 을 번역하면, "용적(체적) 측정의" 로 번역이 되는데, 직역을 하니 영 어색하고, "볼륨(체적)3D프린팅" 이라고 부르면 무난할 것 같긴 한데, 그냥 Volumetric이라는 영어를 그대로 사용하겠습니다.

이 방식은 빛을 받으면 굳는 액체 레진(광경화성 레진) 소재로 10초 이내에 출력물을 만들어냅니다. 
지금까지 나온 3D프린팅 기술들은 점(point)단위 (1D), 면(layer)단위(2D)로 적층을 하지만, 
이 방식은 레이저를 3차원(3D)으로, 세 방향으로 홀로그램같은 3D이미지를 조사하여 1~10초 이내에 레진을 경화시켜서 출력물을 만듭니다. 좀 이상한 표현이 되는데, 3차원 3D 프린팅 이라고나 할까요?
소주 한잔을 원샷하는, 원샷 원킬(one shot, one kill)의 느낌입니다.

전체 출력 프로세스는 
1. 광경화성 레진을 레진통(vat)에 채웁니다.
2. 레이저 빛으로 홀로그램같은 3D이미지를 세 방향에서 조사합니다.
3. 레진이 굳을 때까지 몇 초정도 조사합니다.
4. 굳지 않은 잔여 레진을 빼냅니다.

동영상으로 보시면 이해가 빠르실 겁니다. 개념 설명 후, 실시간으로 출력하는 것을 보실 수 있습니다.

3D Printing in a Fraction of the Time
Additive Manufacturing(AM, 적층제조방식), 일반적으로 3D프린팅이라고 불리는 이 방식은 엔지니어와 디자이너들에게 기존 방식에 비해 많은 자유도를 부여했지만,  레이어기반으로 출력을 해야하고, 출력물의 크기와 복잡성에 따라 몇 시간, 몇 일이라는 출력시간이 걸립니다.

하지만, 이 방식은 LLNL(Lawrence Livemore National Laboratory) 라는 연구소에서 UC Berkeley, the University of Rochester, MIT 와 함께 협업하여 수초 이내에 복잡한 3D 파트를 만드는 방법을 개발했습니다. 이 방식은 Volumetric 3D Printing이라고 불리며, 올 12월  Science Advances 라는 저널에 소개되었습니다.

LLNL의 연구원인 Maxim Shusteff 씨는 말합니다.
"3D프린팅의 주요한 문제를 극복하고 3D 파트 전체를 한번에 출력할 수 있습니다. 우리는 3D 현상 전체를 동시에 출력하려고 노력해왔습니다.
'레이어 층을 한층씩 쌓아서 출력하는게 아니라, 3D형상 전체를 한번에 출력할 수 있을까?' 라는 질문에 대해, 우리는 해냈습니다."

시스템 개요 및 샘플 출력물들
다른 연구원은 이 방식이 3D프린팅의 다음 세대(Next Generation)가 무엇일지에 대한 하나의 사례이고, 이 방식이 영향을 미칠 잠재적인 영향력에 대해 언급을 했습니다.

연구원들은 이 방식으로 길다란 모델, 멋대로 생긴 3차원 모형들, 격자 무늬, 복잡하고 유니크한 커브 모델들을 출력해 봤습니다. 기존 방식으로는 모델의 형태에 따라 서포트를 사용해야 하고, 출력물에 레이어 결이 생기지만, 이 방식으로는 서포트 필요없고, 레이어결도 없다고 합니다.
3D 출력물 전체가 동시에 경화가 되어 형태를 만들기어지기 때문에 출력표면에 대한 이슈가 없다고 합니다.


"나는 이 방식이 다른 연구원들에게도 영감을 주어서 다른 소재를 사용하는 다른 방식을 발견할 수 있기를 바랍니다. 
이 방식은 패러다임의 전환(paradigm shift)이 될 것입니다."


Volumetric 3D 프린팅은 무중력 상태에서 3D프린팅을 더 잘할 수 있는 유일한 기술이므로, 우주공간에서 제조할 수 있는 가능성도 있습니다.

하지만 이 방식도 한계가 있습니다.
각각의 빔들이 변화없이 공간으로 전도되므로, 출력물의 해상도와 형상의 기하학적 모양에 제한이 있습니다. 극단적으로 복잡한 구조는 레이저빔들의 많은 간섭현상이 필요하고 프로세스에 제한이 있다고 연구원들은 말합니다.
또한, 레진 소재 물성을 향상시키고 더 나은 구조를 만들기 위해 소재인 폴리머에 대한 연구도 더 필요합니다.

너무 오래 빛을 비추면 레진 전체가 경화되기 때문에 적절한 시간동안 빛을 조사하는게 중요합니다.
그래서 이 기술은 시간과의 게임(timing game) 이기도 합니다.

3DGURU's Opinion

이 기술은 3D(삼차원)로 3D 프린팅을 한다고나 할까요?^^

지금까지 출시된 모든 3D프린터는 바닥면에서부터 레이어를 하나씩 쌓아올라가는 방식입니다.
노즐이나 레이저를 이용하는 것은 점(point, 1D)을 선으로 만들어서 면(layer, 2D)을 만들고, 
DLP 방식은 한번에 한 레이어 면(layer, 2D)을 만들어서 3D형상을 만들어 갑니다.
적층 제조(Additive Manufacturing)의 원리 자체가 그런 것이니까, 당연한 것이죠.
점(point, 1D)으로 만들던지, 면(layer, 2D)으로 만들던지 결국 최종 목표는 원하는 3D 형상을 만들어내는 겁니다.

이 기술을 Volumetric 3D프린팅이라고 개발한 연구원들이 명명하였지만, 
바닥부터 쌓아나가는 3D프린팅(Additive Manufacturing)의 기본 원리와는 좀 다릅니다.
전통적인 가공방식인 절삭가공 방식과 유사한 점이 있습니다.
왜냐하면, 절삭가공은 덩어리 형태의 소재를 기계기구로 깎아서 원하는 3D형상을 만들어내는데,
이 Volumetric 3D프린팅 기술도 보셨다시피, 레진통에 있는 레진을 가득 부어놓고, 레이저를 기반으로한 홀로그램같은 3D이미지로 원하는 곳 만 경화하여 출력물을 만들어내기 때문입니다.
원하는 3D 형상을 정밀하고, 빠르고, 저렴하게 만들어내는 것이 중요한 것이지 
그 방식이 3D프린팅이든, 절삭가공이건 기술적인 구분이 중요한 건 아닙니다.

SLS(Selective Laser Sintering)방식도 분말가루를 한층씩 쌓아가면서 원하는 부분만 레이저를 조사하여 원하는 형상을 만들고, 나머지 부분도 분말가루가 같이 쌓여올라가면서 서포트 역할을 해 주기 때문에 서포트가 필요없습니다. 이 방식도 레진을 가득찬 상태에서 3D 이미지를 조사하니 서포트가 필요없는 점도 좋네요.

홀로그램 같은 3D 이미지를 조사하여 레진을 경화한다는 발상이 참신하네요.
스타워즈 영화를 보면 다른 행성에 있는 동료들과 회의를 할때 홀로그램 이미지로 회의하는 동료들의 모습이 나타납니다. 홀로그램은 360도 모든 각도에서 대상물을 재현합니다.
홀로그래피(holography)는 두 개의 레이저광이 서로 만나 일으키는 빛의 간섭 현상을 이용하여 입체 정보를 기록하고 재생하는 기술입니다. 홀로그램(hologram)은 그 기술로 촬영된 것입니다.

<영화 스타워즈에서 홀로그램을 이용하여 회의하는 모습>


3차원 형상을 3차원으로 만든다는 건 어찌 보면 당연한 생각인데, 왜 지금까지 생각을 못해봤을까 싶습니다. 물론, 이 방식을 봤으니까 이런 생각이 드는거겠죠. ^^;

이 연구원들이 언급한데로 아직은 극본해야 할 제약사항들이 있습니다. 아마도 이 외에도 더 많은 해결해야할 도전적인 사항들이 많을 겁니다.
이 방식이 상용화가 될때까지 여러가지 장애를 극복하고 시간이 걸리겠지만, 이 방식은 잠재력이 있는것 같습니다. 
이 방식이 상용화되면 재밌을 것 같네요. 그리고, 이 방식을 응용한 다른 유용한 기술들이 출현하길 기대해봅니다. 

논문자료가 궁금하신 분은 아래 링크를 참조하세요. 
One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures

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