27. 3D 프린팅 생산 방식과 이해

최근에는 3D 프린터를 활용해 MVP(Minimum Viable Product, 최소 기능 제품)를 만드는 작업이 널리 이용되고 있습니다.

제품 전체는 아니라고 하더라도 필요한 부분의 부품을 3D 프린터로 출력해 미리 조립해 봄으로써 실제로 제품을 만들었을 때의 상황을 살펴 보고 필요하다면 손쉽게 계속 수정한 후 제품이 충분히 작동 가능하다고 판단되면 시제품으로 소량만 생산하거나, 양산을 위한 금형을 제작하는데 출력했던 3D 데이터를 활용하는 것이 가능하기 때문에 산업 분야에서는 다양하게 활용성을 넓혀가고 있는 생산 방식입니다.

3D 프린팅 방식

3D 프린터는 재료와 적층 방식에 따라 몇가지로 나눌 수 있는데 자주 사용되는 방식으로는 필라멘트 압출 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling: 용융 적층 모델링), 액체 레진을 빛을 이용해 경화시키는 SLA(Stereolithography Apparatus, 입체적인 광경화 방식) / DLP(Digital Light Processing, 디지털 광 처리), 분말인 재질을 레이저로 결정화시키는 SLS(Selective Laser Sintering, 선택적 레이저 소결 방식) 방식으로 나뉩니다.

FDM은 플라스틱 일종인 ABS 수지정식 명칭은 Acrylonitrile Butadiene Styrene copolymer resin 이다 일반 플라스틱보다 충격에 강한 성질을 지닌 합성 수지로 모형 분야에서는 주로 에어건의 바디에 많이 쓰인다. ABS 부품은 도료가 스며들어 부품을 파손시키는 경우도 있으므로 도색을 할 때 도료를 신중하게 선택해야 한다. 용제계 도료인 미스터 컬러 (Mr.Color) 도료는 대표적으로 부품 속으로 침투해 부품을 약하게 하므로 이런 류의 작업을 해야 할 필요가 있다면 미스터 하비 아크리전 (Acrysion) 도료를 이용하도록 하자. 안심하고 도색해도 괜찮은 미스터 하비 아크리전 (Acrysion) 도료 더 보기, 혹은 PLA 재질의 필라멘트를 녹여서 노즐로 분사해가며 한 층 한 층 쌓는 방식이고 프린터나 재료 수급이 용이하다는 장점이 있어 가장 대중적으로 사용됩니다¹⁾.

SLA/DLP는 빛으로 액상의 레진을 굳혀 만드는 방식으로 한 층의 두께가 빛의 노광 두께정도이므로 정밀한 출력에 적합합니다. 다만 액상 레진이 상대적으로 비싼데다 한 번 부어놓으면 공기중에서 서서히 변질되기 때문에 재료의 관리에 신경을 써야만 합니다. 또한 제품을 출력한 이후에 후처리하는 과정을 거쳐야 해서 상당한 번거로움이 있습니다. 하지만 빛의 노광 두께가 한 층을 이루기에 표면을 더욱 매끈하게 뽑을 수 있다는 장점이 있습니다.

SLS는 레이저로 분말을 녹여 구조를 만드는 방식이며, 최근에는 금속 재료를 쓰는 SLM(금속 분말 소결) 등 다양한 기술이 발전하고 있습니다. 무게를 버티거나 가동하면서 마모되기 쉬운 플라스틱을 대체하기 위해 가동 기믹같은 것을 만들 수도 있는 장점이 있는 반면 개인이 취미로 구매해 사용할 수 있는 범위는 아니기 때문에 가까이 하기에는 너무 먼 그대입니다.

이외에도 최근 동영상으로 소개된 확장 버전을 보자면 FDM 방식에 시멘트를 활용해 집을 프린팅 하는 경우도 있습니다. 다만 주요 구동 방식은 FDM 방식을 따르고 있다는 점이 특징인데 위에서 말한 방식들을 포함해 작동 방식을 기준으로 분류하면 아래와 같이 분류할 수 있을 것 같습니다.

1. FDM (Fused Deposition Modeling) – 적층 모델링
   • 원리: 열로 녹인 플라스틱 필라멘트(PLA, ABS 등)를 노즐로 압출하며 한 층씩 쌓아 올립니다.
   • 특징: 저렴하고 친환경 소재 사용 가능, 입문용으로 적합, 표면이 거칠 수 있음²⁾.
   • 주요 소재: PLA, ABS, TPU, PVA 등.
2. SLA (Stereolithography Apparatus) & DLP (Digital Light Processing) – 광경화 방식
   • 원리: 빛(레이저 또는 프로젝터)을 쏘아 액체 상태의 광경화성 수지(레진)를 굳혀 형상을 만듭니다.
   • 특징: 매우 정밀하고 표면이 매끄러움, SLA는 레이저³⁾, DLP는 빔프로젝터⁴⁾ 사용 (DLP가 속도 빠름), 재료 가격이 비쌈.
   • 용도: 치과, 보석 등 정밀한 출력에 활용⁵⁾.
3. SLS (Selective Laser Sintering) – 선택적 레이저 소결
   • 원리: 레이저로 분말(나일론, 금속 등)을 녹여 붙여 구조를 형성합니다.
   • 특징: 서포트 구조 없이 복잡한 형상 제작 가능, 높은 강도와 기능성.
4. SLM (Selective Laser Melting) & EBM (Electron Beam Melting) – 전자빔 용융
   • 원리: 금속 분말을 레이저나 전자빔으로 완전히 녹여 적층하는 방식.
   • 특징: 금속 부품 제작에 특화, 매우 높은 정밀도와 강도.
5. PolyJet & Material Jetting – 소재 분사 방식
   • 원리: 잉크젯 프린터처럼 액체 재료(광경화성 폴리머)를 분사하고 UV로 경화시킴.
   • 특징: 여러 색상/재료 동시 사용, 부드러운 재질 등 다양한 물성 구현.

이 외에도 DED(직접 에너지 증착), Binder Jetting(접착제 분사) 등 다양한 산업용 기술이 있으며, 사용 목적과 예산에 따라 적합한 방식이 달라집니다.

모형 작업에 적합한 3D 프린팅 방식의 선택

주변에서 그나마 흔히 볼 수 있는 방식을 두 가지 뽑으라면 역시나 가장 대중적인 FDM 방식과 SLA 방식이 있습니다.

가장 쉽게 구분하는 방식은 필라멘트를 사용하는지 액상 레진을 사용하는지 확인해 보는 것이지만 그게 아니라도 하더라도 생산되는 제품이 바닥면에서부터 적층되느냐, 아니면 고드름처럼 윗쪽에서 아랫쪽으로 성장하면서 만들어지느냐를 확인해 보시면 됩니다.

첫 번째 사진은 자세히 보시면 가운데 윗부분에 필라멘트 유도 호스가 보여지므로 FDM 이 확실하지만 바닥면에서부터 한 층 한 층 쌓아가는 방식으로 적층되는 방식으로 만들어지는 것을 확인할 수 있고, 두 번째 사진은 액상 레진은 보이지 않지만 사진의 중앙에 있는 리프트에 출력물이 매달려 있는 것을 확인할 수 있습니다. 모형이 더 출력될 수록 고드름이 성장하는 것처럼 보이는 이 방식이 SLA 방식입니다.

그리고 같은 빛을 사용하는 방식이라고 하더라도 어떻게 사용하느냐에 따라 표면의 해상도가 달라지게 되므로 제품을 구매하게 된다면 이는 고려해봐야 할 요소중의 하나입니다. 최고의 결과물을 바란다면 DLP 방식을 선택하는게 바람직합니다. 관련 기술 특허들이 풀려서인지 중국 온라인 샵에서 40만원대 정도면 충분히 제품을 구매할 수 있는 것으로 보이는데 제품의 성능이 어느정도인지는 모르겠지만 그래도 접근성이 좋아진 것은 분명해 보입니다.

SLA 방식과 DLP 방식의 레이저 조사 방식에서 오는 표면의 차이를 비교해 보자면 아래와 같습니다.

이런 여러가지 사항들을 고려해 비교하자면… 대충 보기에는 비슷해 보이지만 정밀 모형을 만드는데 FDM 방식은 꽤나 적당하지 않다는 것을 확인하실 수 있을 겁니다. 어디까지나 빠르게 확인해서 모델 데이터를 수정하는데에는 사용할 수 있지만 어마어마한 사포질과 반복되는 퍼티영문 : Putty 구멍을 메우거나 또는 어떤 일정한 형태로 조형할 때 쓰이는 도구로서 다음과 같은 종류가 있습니다. 래커 퍼티 (플라스틱 퍼티) 가장 일반적인 퍼티로서 튜브에 들어있는 것을 짜서 쓰게 되어 있습니다. 주로 그리 크지 않은 틈새를 메우는데 사용되고, 건조하면서 수축이 심하게 되므로 2 ~ 3 일 이상 충분히 건조시킨 후에 다시 작업을 해야 합니다. 에폭시 퍼티 주제와 경화제를 같은 비율로 섞어 지점토처럼 쓸 수 있는 퍼티. 주로 큰 구멍을 메우거나 플라판으로 만들기 힘든 곡면이 많은 부품을 조형해서 만드는데 쓰인다. 래커 퍼티처럼 수축이 심하지는 않지만 수축이 아주 없는 것은 아니다. 폴리에스터 퍼티 래커 퍼티가 경화하면서 수축하는 결점을 보완한 제품으로 에폭시 퍼티와 마찬가지로 주제, 경화제를 혼합하게 사용되어 있습니다. 점도는 래커 퍼티와 에폭시 퍼티의 중간 정도입니다. 더 보기 작업을 생각하면 최종 제품을 만드는데는 적당하지 않다는 것입니다.

모델 출력을 잘하기 위해서는 온도, 습도 등 신경써야 할 것들이 있긴 하지만 제품을 혹시라도 구매하게 된다면 챔버 안에서 출력 과정을 진행하는 제품을 선택하면 이런 문제도 어느정도 컨트롤되기 때문에 제품 선택할 때 제품 부착면이 상온에 노출되지 않는 제품을 선택하면 여러모로 좋겠습니다⁶⁾.

그리고 FDM 의 경우 노즐의 두께, 각 재료의 녹는점과 같은 특성들도 나중에는 신경써야 할 부분이겠지만 처음부터 이런 골치아픈 수치들은 고민하지는 않아도 될 것 같습니다. 오히려 3D 프린터를 선택할 때 작업 공간의 크기 (베드⁷⁾ 사이즈)를 신경쓰고 구매하시는 것이 작업 확장성 면에서 유리합니다. 기본적으로 베드보다 큰 모델은 출력할 수 없기 때문에 불필요한 분할을 해야 하고 이것은 나중에 다시 접착하고 접착면을 수정해야 하는 작업으로 연결되기 때문입니다.

ef7021 (이동훈) 님께서 올려주신 1:1 Ironman mark 85 statue 를 보시면 부품이 얼마나 분할되어야 할 것이며, 마감 작업을 위해 어느정도나 노력하셨을지 짐작할 수도 없는 지경입니다.

3D 프린팅을 위한 3D 데이터

어찌 저찌 3D 프린터를 구했다거나 사용할만한 곳을 수배했다고 가정하더라도 다른 문제는 무.엇.을… 출력할 것인가 하는지 결정하고 이에 맞는 3D 데이터를 준비해야 한다는 것입니다.

처음 3D 프린터를 구매하고 나면 싱기버스 (https://www.thingiverse.com/)와 같은 곳에서 관심있는 3D 데이터를 다운로드 받아 출력하며 재미있게 놀 수 있을 겁니다. 하지만 이것도 정작 내가 원하는 것과는 거리가 있을 것이고, 어쨌거나 3D 그래픽 애플리케이션⁸⁾ 을 이용해서 모델링을 할 수 있어야만 뭐라도 마음에 드는 것을 출력해 볼 수 있을 것입니다. 문제는 3D 그래픽 애플리케이션을 배우는 것은 꽤나 난이도가 있는 완전히 별개의 작업이라는 점입니다. 특히 캐릭터 모델을 만들고자 한다면 난이도는 더 올라갈 겁니다.

그래서 대안으로 적합한 것을 소개하자면 3D 데이터를 판매하는 온라인 모형점에서 데이터를 구매해 프린팅하는 것입니다⁹⁾.

물론 개인적으로 데이터를 만들어 출력하는 것도 재미있는 일이지만 새로운 프로그램을 배우는 것 외에도 프린팅 방향을 어떻게 설정하느냐에 따라 실패할 수도 있는 실수마저도 수정해 놓은 데이터를 구매하는 것이 온라인 데이터를 구매하게 되는 꽤나 이유있는 변명중의 하나이기 때문입니다.

이런 방식은 3D 데이터를 생성할 수 있는 창작자들에게는 새로운 기회가 되기도 합니다. 예전으로 치면 직접 스컬피나 클레이를 주무르고 원형을 만든 후 복제해서 판매하던 원형 제작자들의 작업 또한 디지털화되서 3D 모델링 데이터를 만들고 데이터 자체를 판매하면 소비자가 해당 데이터를 직접 출력하는 시절로 변화해갈 수 있다는 것입니다.

즐겨찾기 공유 게시판을 통해서도 몇 군데 소개하겠지만 이런 데이터를 전문적으로 판매하는 곳들도 눈여겨 살펴보시기 바랍니다. 프린터가 내 손에 있으니 출력하고자 하는 크기는 내가 스스로 정할 수 있어 레진 키트와 달리 조금은 새로운 시도가 가능할 것입니다. 예를 들어 1/35 스케일실물을 모형으로 축소시킨 축적을 말합니다. 모형용으로 널리 사용되는 스케일은 대표적으로 미터스케일과 인치스케일이 있는데, 미터스케일은 미터법을 기준으로 한 축척으로 AFV 모형의 주류인 1/35 스케일이 이에 속합니다. 이에 비해 인치 스케일은 1/12, 1/24, 1/32, 1/48, 1/72 등 분모가 4 의 배수로 되는 것이 큰 특징인데, 이것은 '1 피트 = 12 인치' 단위를 주로 사용하는 서양에서부터 발달된 스케일이기 때문입니다. 자동차 모형의 1/24, 비행기 모형의 1/32, 1/48, 1/72 스케일이 인치 스케일의 주류라 할 수 있습니다. 더 보기 아스카와 레이를 뽑아서 제3신동경시 어딘가에 세워 놓는 것과 같이 만들고자 하는 작품의 크기를 임의로 설정할 수 있는 가능성이 생기는 것처럼 말입니다. 밀리터리 작업을 주로 하시는 분들이라면 디오라마를 구성할 때 더 재미있는 이야기를 만들 수도 있을 것입니다.

결정적으로 제 개인적으로는 절대로 불가능한 디자인 작업물을 만들어 내는 능력자들이 세상에 많다는 것을 알게 해 주어 항상 겸손하게 만들어 주는 선기능이 있기도 합니다.

결론적으로 말하자면 3D 프린터를 가지고 있는데 데이터를 만들 능력이 된다면 원하는 것을 출력해서 제작하는 새로운 도구가 될 것이고, 데이터를 만들 수 있는 능력이 없더라도 시중에 양산품으로 판매되지 않는 제품을 출력해서 만들어 볼 수 있는 새로운 모형 작업의 대상이 늘어날 수 있다는 장점이 있습니다.

덧붙이자면…

이 시점에 한가지 고민해 봐야 할 것은 위에서 말한 3D 데이터는 저작권 규정상 데이터를 구매한 사람이 뽑는 것은 몇 개를 뽑건 제한이 없지만 이를 출력해서 판매하는 것은 금지하고 있는 것이 일반적인 판매 방식입니다.

하지만 이상하게도 대륙에서는 이 데이터를 구매해서 다양한 스케일로 출력한 후에 판매하기도 합니다. 문제는 중국에서 출력해서 판매하는 가격이 온라인 데이터보다 결코 저렴하지 않다는 것인데 좋은 프린터를 사용하기 어려운 상황이라면 어쩔 수 없겠지만 프린터를 장만하신다면 온라인 샵에서 데이터를 구입해 출력하는 것이 훨씬 저렴한 방법이기도 합니다. 필요한 부분이 있다면 조금은 수정할 수도 있을 거구요.

어쨌거나 좀 큼직한 제품을 선택하면 생각보다 비싸긴 하지만 프린터가 없는 상태라면 그것마저도 고맙게 느껴질 때가 있는 것 같습니다.

지역별로 조금 다를 수는 있겠지만 ‘시제품 제작소’나 각 지역의 대학에는 3D 프린터가 엄청나게 많이 설치되어 있으므로 그곳에 문의하면 원하는 모형을 약간의 재료비는 지불하더라도 출력할 수 있는 방법이 있으니 이런 방법도 활용해 보시면 도움이 될 것 같습니다. 이런 공공 성격이 강한 시설 외에 출력을 대행해 주는 민간 기업도 많이 있습니다. 다만 비용은 생각하신 것보다 비쌀 수 있습니다.

1. 바꿔말하면 상대적으로 저렴합니다.[↩]
2. 사실 이 표면 처리를 하려다 보면 FDM 방식으로 캐릭터 모형을 출력하는 것은 못할 짓이라는 것을 확인하게 됩니다.[↩]
3. 선[↩]
4. 면[↩]
5. 우리가 관심있어 하는 모형은 ‘정밀 모형’입니다.[↩]
6. 필라멘트를 녹일 때 발생하는 가스나 액상 레진의 보존을 위해서도 챔버 방식이 좋습니다.[↩]
7. Bed[↩]
8. 3DS MAX, Rhino, Autodesk 패밀리… 하다못해 Sketchup 이라도…[↩]
9. 실제로 저는 3D 모델링 작업은 스케치업 정도밖에 하지 못하는 관계로 캐릭터 모델링은 물건너 갔고, 제가 정작 원하는 것은 3D 모델링으로 출력된 제품을 다듬고 색칠하는 작업이기에 이 방식이 저에게는 더 적한한 것 같습니다.[↩]