3D펜 필라멘트에 대한 고찰이라고까지 하기에는 거창하고 장황한 이야기

3D프린팅이 미래를 바꿀 혁신 기술 중 하나라고 이미 2013년부터 회자되었는데, 벌써 내년이면 2020년임에도 불구하고 아직 가가호호 3D 프린터가 대중화되지 않았다는 사실이 의아하다. 실용화는 진행중인데 다만 대중화되지 않아서 모르고 있을지도 모른다. 고급형 모델이 얼른 가격이 내려왔으면 좋겠다. 

오바마가 2013년 연두교서에서 신성장산업으로 3D프린팅을 강조한 내용을 3D프린터로 음성파형을 만들어 재생하는 영상

가정에서 쉽게 쓸 수 있는 프린터는 플라스틱 수지로 만들어진 필라멘트를 가열해서 유연해진 상태에서 적층하는 방식으로 작동하는 FFF, 또는 FDM (Fused Filament Fabrication)이 대표적인데 글루건을 생각하면 된다. 글루건을 쏘아서 굳게 만드는데 작동과정을 프로그래밍으로 처리해서 정교하게 쏘아내는 것이 FDM프린터라고 할 수 있다. 

그리고 글루건에서 글루스틱을 3D프린터에 사용하는 플라스틱 필라멘트로 바꿔 적용한 것이 3D 펜이다. 프린터의 종류는 방식이나 사용하는 재료에 따라 다양하게 나뉘지만, 일단 펜은 그 다양한 재료 중 필라멘트를 동일하게 사용하는 도구이니까 필라멘트에 대해서만 우선 자세히 알고 있으면 좋을 것 같으니 일단 여기에 정리해 두기로 했다. 

TMI : 프린터도 당장 구매해서 써 보고 싶지만 적층방식 보다는 금속 분말을 사용하는 방식의 프린터가 더 궁금하고 정교한 작업을 하고 싶은데, 금속 분말 사용하는 SLS Selective Laser Sintering 프린터는 아직 산업형이 겨우 볼 수 있을랑말랑한 상태인데다가 금속 분말을 사용하니 일반 가정에서 사용하기에는 어렵고, 물론 가격도 어마무시하게 고가라서 구경도 못할 것 같다.

제품 디자인에서는 재료의 특성에 대한 이해가 반드시 필요해서 플라스틱에 대한 지식은 교과서에도 자주 등장한다. 책을 놓은지 한참 지나서 가물가물하지만, 플라스틱은 크게 열경화성과 열가소성 수지로 나눌 수 있다. 

수지에 대한 내용은 링크에서 확인할 수 있다. 

열경화성 플라스틱

열을 가해서 부드럽게 되면 성형을 하고 식으면 형태가 단단하게 잡히는 것이 일단 플라스틱 재료의 전반적인 특성인데 단단하게 되었을 때 다시 열을 가해서 형태를 바꿀 수 있는 것이 열가소성 수지, 형태가 더이상 바뀌지 않는 것이 열경화성 수지이다. 3D펜과 프린터에 사용되는 것은 열을 가해서 형태를 만들 수 있는 수지를 노즐의 규격에 맞게 가공해서 만든 열가소성 수지이다. 열경화성이면 이미 필라멘트로 가공된 이상 프린터나 펜에 넣어 가열해도 형태가 그대로 유지될테니 다른 형태로 만들 수는 없게 되는 것이 당연하다. 

그 중 일반인들이 사용할 수 있는 필라멘트는 ABS와 PLA정도이고 목재나 청동으로 만든 필라멘트도 있으니 노즐 사이즈만 맞으면 재료 특성에 맞게 녹는 온도를 설정해서 3D펜에서도 사용할 수 있다. 필요한 부분만 다시 중점적으로 확인하며 다음과 같다. 

ABS

• 일반인이 가장 많이 사용한다.
• 튼튼하고, 적당히 열에 견딜 수 있고, 비싸지 않다.
• 재사용 가능하지만, 재사용할 경우 내구성은 떨어진다.
• 녹는 온도는 210도~260도
• 착색이나 광택처리, UV코팅이 가능하고 도금까지 할 수 있다. 
• 식을 때 열 수축 현상이 있어 수치안정성이 낮다. PLA보다 정밀한 모델 조형이 어렵다.
• 가열할 때 냄새가 심해서 반드시 환기가 필요하다. 

PLA

• ABS보다 많이 사용될 것으로 예상되는 재료이다. (3D펜은 이미 거의 PLA를 사용하고 있다.)
• 내구성이 떨어지고, ABS보다 비싸다.쌌지만 이제는 비슷한 가격이다.
• 녹는 온도는 180도~230도
• 가열할 때 냄새가 없고는 편이고(냄새가 난다!), 옥수수 전분 추출물을 수지 형태로 가공한 재료로 자연분해되는 친환경 재료다.  
• TMI : 사용환경에 따라 갈라지기도 하도 일정 온도 이상이면 녹아 내리기도 한다. (그래서 내구성이 떨어진다는 것인가?)

WOOD

• 나무톱밥과 복합재료를 조합한 목재 원료 필라멘트, Kai Parthy의 Laywood가 최초
• 보통 40%정도 재활용 목재를 사용하고 무공해 화학제로 접착(한다는데 실제 판매되고 있는 우드 필라멘트의 목재 함유율은 얼마나 되는지 모르겠다.), 구리와 주석을 섞은 청동 재료도 가능하다. 
• PLA와 비슷한 유지력을 갖고, 인테리어 분야에 적합하다. 
• 녹는 온도는 175도~250도

아직은 연습용으로 사둔 필라멘트가 많아서 추가 구매할 필요는 없지만, 나무 필라멘트는 제대로 된 제품으로 찾아 사보고 싶어서 일단 찾아 보니 레이우드사의 필라멘트는 직구 아니면 일단 국내에서 별도로 취급하는 업체는 없어 보이고, 레이우드의 필라멘트는 비싸다. 뭔 대단한 작품을 하겠다고 비싼 필라멘트 사서 쓰나, 반짝이는 펄이 들어간 필라멘트와 실크 느낌의 피라멘트가 아무리 유혹한다 하더라도 일단 연습이 먼저인것 같다. 

뭐라도 제대로 만들수 있게 연습해야 한다. 일단 공룡 도면부터 시작!

+) TMI 

환경호르몬이 배출되지 않는 폴리카보네이트 역시 필라멘트로 사용할 수 있는데, 일반적인 노즐로는 불가능하고 고온으로 녹여내야 해서 고온 노즐이 필요하다고 한다. 펜은 이미 노즐이 고정되어 나온 제품이라 교체하기 어렵고, 3D프린터의 경우는 노즐 굵기나 온도에 따라 적합한 노즐로 교체해서 사용할 수 있다. 고온 노즐로 바꾸면 폴리카보네이트는 물론 카본이 섞인 금속 재질 느낌의 필라멘트로도 출력이 가능하다. 

여기까지 보고 있으려니, 프린터를 사고 싶은 마음도 든다. 펜과 프린터를 적당히 혼합해서 사용하고 후가공까지 잘 하면 더할 나위 없이 좋겠지만, 일단 후가공은 무서운 작업이다. 먼지 흡입과 고강도 사포질 중노동을 수반하는 과정이니까 기계의 도움 없이는 불가능한 영역이고, 기계의 도움이란 또 경제적 여건이 마련되어야 가능한 것이니 일단 미지의 영역으로 남겨 두자. 

그리고, PLA라 하더라도 가열할 경우 발암물질이 미미한 정도라도 발생한다. 특수 필라멘트나 ABS 등의 필라멘트에서 발암물질로 분류되는 스티렌이이나 카프로락탐이 발생하는데, PLA가 그 중 제일 적게 발생하는 것이지 전혀 발생하지 않는 것은 아니다. 반드시 환기해야 하고, 장시간 노출되지 않도록 주의해야 한다. 되도록이면 PLA를 사용하고, 프린터 역시 공기 차단이 가능한 챔버형 프린터를 사용하는 것이 좋다고 한다. 주의사항 백만개쯤 되는 것 같은데 아무리 저온이고, 전용 필라멘트를 사용한다 해도 초등학생때부터 노출되는 것이 괜찮은 일인지 모르겠는데 요즘 은근히 3D펜 교육이 늘어나고 있는 것 같아서 마음이 불편하다. 그냥 새로운 것이니 덮어놓고 돈벌이삼아 만들어내는 교육과정인것만 같다. 조카가 3D펜은 아니고 프린팅 수업을 신청했다고 했는데, 프린팅 역시 제한이 많은 영역이라 조카는 수업이 즐겁지 않은 것 같았다. 하고 싶은대로 다 할 수 없고 선생님이 컨트롤하는 대로만 해야 하니 불만일 수밖에 없다. 교실에서 여럿이 함께 하기에는 아직 물리적 제약이 너무 크다.