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제조업분야 응용(Manufacturing applications)
3D 프린팅은 한개를 제작하는 비용을 수천개를 제작하는 비용만큼 싸게 만듦으로써, 규모의 경제의 토대를 무너뜨린다. 3D 프린팅은 공장이 등장했을 때만큼 세계에 심각한 영향을 미칠 수 있다.... 1750년에 증기엔진의 양향을 아무도 몰랐고, 1450년대의 인쇄기계나 1950년대의 트랜지스터가 미칠 영향을 몰랐던 것 처럼, 3D 프린팅의 장기적인 영향을 전망하기는 불가능하다. 그러나, 기술은 도래했고, 관련되는 모든 분야를 흔들어놓게 될 것이다.
— 2011년 2월 10일자 이코노미스트
적층식 제조법의 초기 응용분야는 제조공정중 맨끝단 공구실이었다. 예를 들어, 래피드 프로토타이핑은 가장 일찍 시작된 3D 프린터 응용분야로서, 새로운 부품이나 기계의 모형를 개발하는 시간과 비용을 줄이기위한 목적이었다. 이전에는 절삭식(매우 느리며 비용도 많이 듦)으로만 가능하였다. 그러나, 적층식 제조 기술이 발전하고 이러한 기술이 비즈니스 세계에 전파된에 따라, 적층식 제조는 생산공정에 창조적으로, 때로는 기대하지 못했던 방법으로 파고들기 시작하였다. 예전에는 절삭식 제조만으로 만들 수 있던 부품도 이제 경우에 따라서는 적층식 제조법으로 보다 효과적으로 제작할 수 있게 되었다.
표준적인 응용분야로는 디자인의 시각화, 프로토타이핑/CAD, 금속 사형제작, 건축, 교육, 공간정보, 건강보건, 오락/소매 등이 있다.
화학
2012년 영국 글래스고 대학교에서 수행한 "원리 증명 프로젝트"에서는 3D 프린팅 기술을 사용하여 화합물을 생성할 수 있음을 보여주었다. 새로운 화합물을 생성할 수도 있다. 먼저 화학반응조를 프린트 한후, 프린터를 사용하여 반응물을 "화학 잉크"로 살포하여 반응을 시켰다. 이 공정의 유효성을 입증하기 위해 새로운 화합물을 생성하였지만, 특정한 응용분야를 대상으로한 것은 아니었다. Cornell Creative Machines Lab에서는 3D Hydrocolloid Printing을 사용하여 맞춤식 식품을 생산할 수 있음을 확인시켰다. 글래스고 대학의 레로이 크로닌 교수는 TED 에서 언젠가는 화학잉크를 프린트 기계에 사용할 수 있을 것이라고 주장했다. 3D 음식 프린터는 현재 초콜릿, 사탕, 파스타 등의 음식물을 한층씩 쏘는 방식으로 개발되고 있다.
분산식 제조
적층식제조가 클라우드 컴퓨팅 기술과 결합되면, 분산화된, 지역적으로 독립적인 생산이 가능하다. 분산 제조는 이미 몇몇 기업에서 수행중으로, 3D 프린팅이 필요한 사람들을 프린터 소유자와 연결해 주는 서비스도 있다.
일부 기업은 상업적 고객 및 개인 고객에게 온라인 3D 프린팅 서비스를 제공하고 있다.이 서비스는 호사 홈피에 3D 모델을 올리는 것으로부터 시작된다. 3D 프린트된 제품은 고객에게 배송되거나, 서비스 제공자에게 방문 수령할 수 있다.
대량 맞춤식생산(Mass customization)
어떤 회사는 간단한 웹기반 수정 소프트웨어를 사용하여 물건을 맟춤식으로 주문할 수 있는 서비스를 제공한다. 이러한 서비스를 활용하면 고객들이 맞춤식 휴대폰 케이스를 제작할 수 있다. 노키아에서는 휴대폰 케이스용 3D 모델을 제공하고 있는데, 고객들은 이를 원하는대로 수정하여 3D로 출력할 수 있다.
신속 제조(Rapid Manufacturing)
래피드 프로토타이핑 기술이 진전하여 최종 제조에 적합한 재료가 도입되면서, 직접 최종 부품을 생산할 수 있는 가능성이 열렸다. 신속제조를 위한 3D 프린팅의 이점중 하나는 소량 부품의 생산비가 상대적으로 절감되는 것이다.
신속 제조는 새로운 제조방법으로 아직 적용할 수 있는 공정이 많지 않다. 3D 프린팅은 이제 신속제조 분야로 들어가고 있는데, 2009년 보고서에서 많은 전문가들이 "다세대" 기술이라고 언급한 바 있다. 가장 장래성이 있는 공정은 선택적 레이저 소결(SLS, selective laser sintering)을 적용하거나, 직접 금속 레이저 소결법(DMLS, direct metal laser sintering) 을 적용하는 것이다. 그러나, 2006년 현재 이러한 기술은 아직 극히 태동기에 불과하여 신속제조로 들어가기에는 아직 많은 장애가 있다.
신속 프로토타이핑(Rapid Prototyping)
산업용 3D 프린터는 1980년대 초부터 존재해 왔으며, 신속 프로토타이핑과 연구 목적으로 널리 사용되어 왔다. 이러한 3D 프린터는 독점적인 금속분말, 주형재료(예: 모래), 플라스틱, 종이나 카트리지 등을 사용하는 대형 프린터로, 대학교나 상업적 기업에서 신속 프로토타이핑 목적으로 사용되고 있다.
산업적 응용(Industrial applications)
의복
3D 프린팅은 3D 프린팅 비키니, 신발, 의복등, 실험적 패션 디자이너에 의해 비교적 일찍부터 적용되었다. 상업적 생산에서는 나이키가 3D 프린팅을 이용하여 미국 축구선수를 위해 2012 Vapor Laser Talon 축구화의 모형 및 제조를 하고 있으며, New Blance에서는 운동선수를 위한 맞춤식 신발을 제조하고 있다.
3D 프린팅은 주문식으로 일반 고객용 선글라스를 프린트하는 회사가 생겨나는 정도이다. 렌즈에 대한 주문식 맞춤생산은 신속 프로토타이핑으로 가능하다.
자동차
2014년 초, 스웨덴 슈퍼카 제조업체 Koenigsegg에서 One:1 을 발표하였다. 이 슈퍼카는 3D 프린팅된 부품을 많이 사용하였다. Koenigsegg에서 생산중인 차량중 한정판으로서, 사이드미러 내부, 에어덕트, 티타늄 소비부품 및 심지어 터보차져 어셈블리 전체를 생산 공정의 일부로서 3D 프린팅을 적용하였다.
미국의 Local Motros는 Oak Ridge National Laboratory 와 Cincinnati Incorporated 와 공동으로 차체 전체를 프린트하는데 적합한 대규모 적층식 제고 공정을 개발하였다. 이 회사는 2014년 9월 국제 제도기술쇼에 참가한 관중앞에서 자동차를 실시간으로 프린트할 계획이다. " 새로운 섬유 강화 열가소성수지로부터 자동차 응용에 사용하는데 적합한 강도를 생산하고, 동력전달장치, 휠과 브레이크는 제외한 차대와 몸체 는약 450파운드로서, 완성된 차는 단지 40개의 부품으로 이루어지는데, 매번 새버전이 나올때마다 부품수가 줄어든다."
Urbee는 3D 프린트 기술을 사용한 최초의 자동차이다. 미국 엔지니어링 그룹 Kor Ecologic과 Stratasys가 공동으로 2010년에 생산된 이 자동차는 초현대식 외관을 가진 하이브리드 자동차이다.
건축
현재 개발중인 또다른 응용분야는 건물을 3D 프린터로 짓는 것이다. 이를 활용하면 적은 비용으로 훨씬 빨리 건축할 수 있으며, 우주인을 위한 건축 가능성을 타진중이다. 예를 들어, Sintahab 프로젝트에서는 달기지를 월면 지표토를 사용하여 3D 프린팅으로 짓는 것을 연구중이다. 월면토(regolith)에 결합재를 추가하는 대신, 초음파 소결을 사용하여 직접 고체 블럭을 생산하는 것을 시험중이다.
전기모터 와 발전기
전기기계(모터와 발전기)의 자석코어는 특별하게 선처리한 전자 금속 박판을, 손실을 방지하기 위해 서로 절연시켜 제작하게 된다. 제조공정중에 재질의 밀도, 비결정구조 혹은 나노 결정 원자구조 등 혹은 물질 분리와 같은 특별한 성질이나 형태를 유지해야 하는 핵심물질이 필요한 제품을 3D 프린팅할 경우, 소결, 융해, 퇴적 등과 같은 핵심 물질 대체 변경을 사용하지 않는 3D 프린팅 방법을 적용해야 한다. 전통적으로, 비정형 혹은 나노 결정 금속 리본을 매우 얇은 박층으로 분리할 경우, 최대 80%의 전자 기계 핵심 손실이 발생하므로, 잘 알려진 박층물체제조(LOM : Laminated Object Manufacturing) 법이 전자 기계를 3D 프린팅하는데 적합할 뿐 만 아니라, .....
총기
2012년 미국의 Defence Distributed 그룹에서는 "3D 프린터를 가진 사람이라면 누구나 다운로드 받아 생산할 수 있는 작동가능한 플라스틱 총[을 설계]"하는 계획을 공개하였다. Defence Distributed 는 아울러, 3D 로 출력가능한 AR-15 타입 라이플 lower receiver(650발까지 가능)와 30발까지 사용할 수 잇는 M16 탄창을 설계하였다. AR-15는 수신기가 여럿(위쪽 및 아래쪽) 있지만, 법적으로 제어를 받는 부품은 일련번호가 있는 것이다(아래쪽). 2013년3월 3D로 출력가능한 플라스틱 총 설계도가 최초로 공개되자, 미국 국무성은 웹사이트에서 제작방법을 제거하도록 요구하였다.Defence Distributed 에서 계획을 공표한 후, 3D프린팅의 영향에 관한 많은 의문이 제기 되었으며, 일반 사용자수준의 CNC 기기도 총기 규제 효과성의 논란을 일으켰다.
2014년 일본인 한명이 전세계 최초로 3D 프린팅으로 제작된 총기를 제작하였다. 요시토모 이무라는 비이도와 총의 설계도를 온라인으로 올린 후, 2년형을 선고받았다. 경찰은 그의 집에서 총알을 발사할 수 있는 총을 최소 2정 찾아내었다.
의학
3D 프린팅은 환자 맞춤형 임플란트나 의학용 기기를 제작하는데 사용되고 있다. 지금까지 영국 환자에게 티타늄 골반을 이식하고, 네덜란드 환자에게 티타늄 아래턱 뼈를 이식하였으며, 미국에서는 아기에게 플라스틱 기관 지지대를 삽입하는 등, 여러가지 수술이 성공적으로 이루어졌다. 보청기와 치과분야는 향후 맞춤식 3D 프린팅 기술이 가장 널리 발전될 것으로 기대되고 있다. 2014년 3월 영국 스완지의 외과의사가 사고로 인해 심각한 부상을 입은 오토바이 애호가의 안면을 복구하는 수술이 이러여졌다. 아울러 관절염이나 암으로 인해 손상된 조직을 바이오 프린트 방식으로 대체하는 방법이 연구되고 있다.
2014년 10월 왼쪽 손 손가락이 완전하게 형성되지 못한채 태어난 5세 여아가 3D 프린팅 기술로 만들어진 의수를 받은 영국 최초의 환자가 되었다. 이 손은 미국 E-nable에서 설계되었다. E-nable은 주로 아이들을 위한 보철기구를 설계하고 제작하는 자원봉사자로 구성된 오픈소스 설계 기관이다. 이 의수는 그녀의 부모가 제작한 석고 보형물을 기초로 제작되었다.
3D 프린팅 보철물은 장애 동물의 재활에도 사용되었다. 2013년에는 다리가 잘린 새끼오리에 적용되었으며, 2014년에는 앞발이 없이 태어난 치와와에게 3D 프린터로 제작한 멜빵과 바퀴를 장착시켰다. 집게의 집을 3D 프린터로 제작한 경우도 있었다.
2012년 현재, 3D 바이오 프린팅 기술은 바이오기술 회사와 학계에서 연구를 하고 있다. 주요 가능분야는 잉크젯 기술을 이용하여 조직이나 기관을 제작하는 조직 공학분야이다. 젤이나 설탕망 기반의 매체위에 살아있는 세포 층을 천천히 도포하여 혈관을 포함한 3D 구조를 형성한다. 최초의 3D 조직 인쇄 시스템은 2009년 등장했는데, NovoGen 바이오프린팅 기술을 기반으로 하였다. 이 분야 연구는 조직인쇄(organ printing), 바이오프린팅(bio-printing), 몸체 인쇄(body part printing), 컴퓨터 조직 엔지니어링(computer-aided tissue engineering) 등 여러가지 용어가 사용되고 있다. 3D 조직 인쇄기술을 사용하여 부드러운 조직구조를 생성하기 위한 가능성이 타진중이다.
중국은 국가 3D 프린팅 개발연구소의 설립에 거의 5억 달러를 투자하였다. 2013년 중국의 과학자들은 퀴, 간, 콩팥 등을 살아있는 세포로 프린팅하기 시작하였다. 중국 연구자들은 플라스틱 대신 세포를 사용할 수 있는 특별한 3D 바이오 프린터를 사용하여 인간의 조직을 성공적으로 인쇄해 왔다. Hangzhou Dianzi 대학교에서는 Regenovo라고 하는 복잡한 작업작업을 위한 3D 프린터를 자체적으로 개발하는 수준까지 발전하였다. Regeonovo의 개발자인 Xu Mingen에 따르면, 작은 간 샘플이나, 4-5인치 귀 연골 샘플을 생산하는데, 약 한시간 정도 걸린다고 한다. Xu는 또한 향후 10년에서 20년안에는 완전히 작동되는 바이오프린터가 가능할 것으로 예측하였다. 또 같은해, 베를린의 Hasselt 대학교 연구자들은 벨기에인 83세 할머니를 위해 새로운 턱뼈를 성공적으로 인쇄하였다. 이 할머니는 현재 씹을 수 있고 말도 하고 숨도 숨을 쉴 수 있는 상태이다.
컴퓨터
3D 프린팅은 Novena 그리고 VIA 오픈북 표준 랩탑 케이스와 같이 여러가지 랩탑 및 컴퓨터를 제작하는데 사용될 수 있다. 즉, Novena 마더보드를 구입한 후, VIA 오픈북(VIA OpenBook) 케이스를 프린트하는데 사용할 수 있다.
우주
2014년 9월 SpaceX에서는 최초의 무중력 3D 프린터를 국제우주정거장(ISS)에 보냈다. 2014년 12월 19일 NASA에서는 렌치용 캐드 도면을 이메일로 송부하였고, 우주인은 이를 성공적으로 프린트하였다. 이러한 응용은 망가진 부품이나 도구를 현장에서 직접 제작할 수 있어, 달이나 화성 등에 식민지를 건설할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.