3차원 프린팅 기술을 사용해 10초 이내의 짧은 시간에 한 변의 길이가 6mm의 작은 수지부품을 제조하는 방법을 미국 로렌스 리버모아 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory、LLNL)등의 연구팀이 개발했다.

액체의 광경화성 수지에 세 방향에서 레이저 빛을 쪼여 만들려는 입체 형상을 한 순간에 제작한다. 대상물의 크기 및 정밀도 등 과제가 남아 있기는 하지만 3D 프린팅의 고속화·저비용화에 새로운 이정표를 열 것으로 기대를 모으고 있다.

현재의 3D 프린터는 레이저에서 한 개층씩 수지를 경화시켜 이들을 중첩해 입체 형상을 제작하는 방식이 주류를 이루고 있다. 절삭가공 및 사출성형에서는 제작하는 것이 어려운 형상을 제품 하나씩 제작할 수 있지만 완성까지는 몇 시간에서 제품에 따라 며칠씩 걸리는 경우도 있다.

이에 대해 이번 ‘볼루메트릭 3D 프린팅’이라는 방법을 취할 경우 감광성액상수지에서 충만된 직방체형의 투명 용기에 정면, 측면, 아랫면 세 방향에서 각각의 투영 이미지에 의한 레이저 빛을 동시에 조사하게 된다.

투명 용기의 우측 측면 및 아래에는 프리즘 거울이 배치되고 정면에서 받은 측면용·하측용 레이저 빛을 각각 90도 구부러진 용기에 입사시킨다.

이 과정에서 용기 내부에 홀로그램과 같은 3D 이미지를 형성하게 되고 세 방향에서의 빛이 교차하는 부분에 강한 빛이 모이게 됨으로써 그 부분이 보다 빨라 굳어 3D 형상이 가능해 진다. 나머지는 잔류 액상 수지를 배출해 부품을 토출하게 된다.

층층히 쌓지 않기 때문에 상당 수준의 고속화나 비용저하가 기대되는 반면 여러 과제도 남기고 있다. 우선 성형 정밀도 이외에도 부품 사이즈가 클 경우 레이저 빛이 액상수지를 통과하는 사이에 빛이 흡수돼 레이저 강도에 있어 균일성 문제가 제기된다. 이처럼 복잡한 형상이 되면 빛이 여러 번 교차되기 때문에 형상 제작이 어려워지게 된다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 연구팀은 실용화를 위해 수지의 재료개발은 물론 빛의 강도 및 투사방법의 엔지니어링 측면에서 개선이 필요했다.

이번 연구는 캘리포니아대학 버클리교, 로체스터대학, 메사추세츠공과대학(MIT)과의 공동연구를 통해 얻은 것으로 그 결과는 온라인 과학지 사이언스 어드밴시스 12월 8일자에 게재됐다.