프린팅의 개념은 오랫동안 평면적이었습니다. 그런데 이제 프린팅으로 집을 지을 수 있는 세상이 도래했다는 사실, 알고 계시나요? 똑같이 ‘찍어내는’ 개념이지만 입체로 이루어지는 기술, 바로 3D 프린팅입니다. 비금속을 금으로 만드는 연금술처럼, 평면의 설계도가 입체적인 형상으로 나타난다고 해서 현대의 연금술로 불리기도 하는데요. 이처럼 신비로움을 가진 3D 프린팅의 세계로 들어가 보시죠. 

 무궁무진한 3D 프린팅의 영역 

최근 영국의 한 소년에게 기적과도 같은 일이 일어났습니다. 선천적으로 팔이 없이 태어난 아이가 늘 바라던 강력한 아이언맨 팔을 선물 받은 것인데요. 기존 의수와 달리 아이들이 장착해도 될 만큼 가볍고, 최대 8kg까지 들어 올릴 수 있는 힘을 지닌 이 팔의 장점은 무엇보다 각자 신체에 꼭 맞게 제작되었다는 점이죠. 

이는 모두 3D 프린팅 기술이 있었기에 가능한 일입니다. 실제로 귀, 코, 두개골 등 각종 신체 기관을 바이오 프린터로 맞춤 제작해 이식에 성공했다는 소식은 국내외에서 꾸준히 들리고 있습니다. 활용 범위도 무궁무진해 식물성 단백질을 활용해 소고기의 맛과 질감을 재현하기도 하고, 집도 마법처럼 뚝딱 지어냅니다. 지난해 미국의 건설사 레나(Lenner)와 3D 프린팅 스타트업 ICON은 텍사스 조지타운에 침실 3개, 화장실 2개 규모의 주택을 일주일 만에 지은 데 이어, 100채 규모의 단지 분양에 나섰습니다. 더 나아가 최근 미국 항공우주국(NASA)은 2040년까지 3D 프린팅을 이용해 달에 건물을 짓겠다는 프로젝트를 발표하기도 했는데요.  

이렇듯 3D 프린팅을 활용하지 않는 산업을 찾는 일이 더 어려울 만큼 의학, 과학, 건설, 예술 등 3D 프린팅의 영역은 계속해서 더 넓어지고 있습니다. 이를 뒷받침 하듯 전세계 3D 프린팅 시장 규모는 2022년 183억3000만 달러에서 2030년 1059억9000만 달러*로, 6배가량 성장할 것으로 예측됩니다. 

*자료 출처: Fortune Business Insights

[ 3D 프린팅으로 만든 ‘히어로 암’을 착용한 아이들의 모습. 손가락으로 물체를 집거나 글씨도 쓸 수 있어 일상생활에 크게 도움을 줍니다. (사진 출처: 오픈바이오닉스 홈페이지) ]

 층층이 쌓아 올리는 3D 프린팅 원리 

4차 산업혁명과 함께 중요한 키워드가 된 3D 프린팅의 역사는 생각보다 오래됐습니다. 40여 년 전인 1981년 일본 나고야 시립연구소의 히데오 고마다가 처음 개발하고, 1984년 미국의 엔지니어 찰스 헐(Charles W. Hull)이 특허 출원을 하며 세상에 알려졌는데요. 특허권이 만료되는 시기였던 2014년을 기점으로 비약적인 발전을 이룩했습니다. 이 기술이 획기적인 이유는 기존의 자르고, 붙이고, 깎아서 물건을 만들던 전통적인 방법과 다르게 한층 한층 쌓아 올려 3차원의 물체를 만들기 때문인데요. 이를 ‘적층 제조’라고 합니다. 하나의 물건을 제작하는 데 비용과 시간이 적게 들어 더 경제적이고, 보다 정교한 제작이 가능합니다.

기본 원리는 프린트하고자 하는 오브젝트를 CT(단층) 촬영하듯 얇은 레이어로 나눠서 분석하는 것에서 시작합니다. 이렇게 3차원 CAD 모델링으로 분석한 데이터를 토대로 고체, 액체 등 다양한 재료를 층층이 쌓아 올려 결과물을 만들어 낼 수 있는데요. 재료를 공구로 깎아 완성하는 것이 아니라, 데이터에 입력된 형태대로 재료를 바닥부터 꼭대기까지 차곡차곡 쌓기 때문에 비정형의 복잡한 디자인도 손쉽게 제작할 수 있는 것이죠. 

가장 대표적인 3D프린팅 방식은 FDM(Fused Deposition Modeling)·SLA(Stereolithography Apparatus)·SLS(Selective Laser Sintering) 등으로 꼽을 수 있는데요. 열에 녹는 재료를 가래떡처럼 뽑아 조금씩 녹여가며 모양을 잡아가는 FDM에 반해 SLA는 열경화성(가열하면 가교 구조가 형성되어 딱딱하게 굳는 성질) 광경화 수지를 활용하는 것이 특징입니다. SLA가 디지털 프로젝터 광원을 이용해 광경화성 플라스틱을 판 위에 얇게 분사하며 완성한다면, SLS는 고분자의 분말 형태를 이용해 레이저나 접착제로 융합하면서 결과물을 얻는 방식입니다.

[미국의 3D 프린팅 전문기업 ICON이 콘크리트를 치약처럼 짜내는 방식(FDM)으로 주택을 짓고 있는 모습]

 건설산업에서 활약하는 3D 프린팅 

3D 프린팅은 전통적인 건설산업에도 변화를 불러일으키고 있습니다. 필요한 재료만 쌓아 완성품을 구현하는 ‘적층 제조’ 방식이 최첨단 기술과 만나 시공자동화, 시간 단축 등 뛰어난 효율성을 보이는 것인데요. 특히 비정형 모양을 기존 방식보다 손쉽게 구현할 수 있는 것이 강점으로 꼽힙니다.  

게다가 건설의 핵심 자재가 되는 콘크리트 등을 활용한 3D 프린팅 기술 덕분에 건설 현장에서의 역할이 점차 커지고 있습니다. 구조적, 기능적으로만 인식되었던 콘크리트가 3D 프린팅 기술을 통해 다채롭게 변신할 수 있게 된 것입니다. 여기에 다관절 로봇에 노즐을 매달거나 프린터의 크기를 대형화해 출력 형상과 규모의 한계마저 극복할 수 있게 되었습니다. 

또한 디지털 설계에 따른 자동화 프로세스는 거푸집 등 가설 자재의 낭비와 폐기물을 줄여주기 때문에 그만큼 비용 절감에 도움을 줍니다. 이는 3D 프린팅 건축을 지속 가능한 기술로 볼 수 있는 이유가 되기도 합니다. 

3D 프린팅 건축물을 인허가할 수 있는 법적인 제도나 장치가 마련되어 있지 않은 국내와 달리 미국, 유럽 등에서는 3D 프린팅 기술을 이용한 3D 프린팅 주택사업이 상용화 단계에 접어들었습니다. 앞서 언급한 미국 텍사스의 주택단지를 비롯해 2020년, 독일 발렌하우젠에는 3층 규모의 신축 아파트가 3D 프린팅 기술로 탄생했습니다. 특히 높은 기온과 모래바람이 부는 중동 국가들은 최소 인력으로 건물을 지을 수 있는 3D 프린팅 기술에 관심이 높습니다. 두바이 정부는 "2030년까지 모든 미래 건물의 25%를 3D 프린팅 기술로 짓겠다"고 발표하고, 세계 최초로 3D 프린터를 이용한 사원을 짓는 프로젝트를 진행 중입니다. 

전 세계 3D 프린팅 건설 시장규모는 2021년 12억 달러에서 2031년 33억 달러로 연평균 40.3%의 성장률*을 기록할 것으로 예상됩니다. 물론, 초기 시스템 구축 비용, 공법 및 재료 개발 등 해결해야 할 과제들도 존재하지만 3D 프린팅이 가진 사회·경제적 효과가 뛰어난 만큼 건설산업에 혁신적인 바람을 일으킬 것으로 보입니다.  

*자료출처: transparency Market Research

 현대건설의 3D 프린팅 기술 개발 히스토리 

현대건설은 이런 산업의 흐름을 읽고 2019년부터 본격적인 적용에 나섰습니다. 자체적으로 3D 프린팅 장비를 도입해 실용화 연구를 거듭한 결과, 2019년 12월 국내 최초로 3D 프린팅 비정형 조경구조물의 현장 적용에 성공했습니다. 이 구조물은 외형의 아름다움은 물론 품질도 인정받아 Q마크를 획득했는데요. 제작비가 높고, 다양한 형태로 만들기 어려워 현장 적용에 한계가 있었던 기존 방식을 극복한 사례로 기록됐습니다. 현대건설의 독자적인 비정형 조경구조물 제작 방법은 2020년 7월 특허 출원됐습니다.   

현대건설은 여기서 또 한발 나아갑니다. 2020년, 국내 건설사 최초로 대형 복합소재 플라스틱 3D 프린팅으로 비정형 거푸집을 구현하는 기술 개발에 성공한 것인데요. 3D 프린팅을 활용한 거푸집은 인력 투입을 최소화하면서도, 고난도의 비정형 형상 제작이 가능해 제작의 효율성과 경쟁력을 높였다고 평가받습니다. 2021년 거푸집 활용 기술의 특허 출원이 이를 증명합니다. 

무엇보다 현대건설의 3D 프린팅 기술력이 인정받는 이유는 연구소에서 자체적으로 개발한 다양한 3D 프린팅 출력물을 여러 현장에 적용해 상용화에 성공했다는 점입니다. 현대건설은 도입 첫해 비정형 조경구조물 7개를 현장에 적용하고, 지금도 다양하게 영역을 넓혀가고 있습니다. 그중 하나가 2022년 상용화에 성공하여 ‘세계 최초’를 기록한 어린이 놀이시설물입니다. Q마크 획득으로 안전성과 품질을, 각종 디자인 어워즈 수상을 통해 아름다움까지 인정받았습니다.

또한 최근에는 다관절로봇을 이용한 콘크리트 3D 프린팅 기술을 확보하며, 건설 현장의 시공 자동화에 앞장서고 있는데요. 구체적으로는 3D 프린팅 출력물의 품질을 좌우하는 수많은 변수를 자동으로 제어할 수 있는 '인공지능 모델을 이용한 콘크리트 3D 프린팅 최적 출력 조합 추론시스템’을 특허 출원 중입니다. 또한 2층 이상의 높은 구조물을 출력할 수 있도록, 충분한 강도를 확보할 수 있는 시공법 개발에 박차를 가하고 있습니다.

 현대건설의 3D 프린팅 시공 사례 톺아보기 

현대건설은 3D 프린팅 기술 연구개발 기간이 5년도 되지 않은 기간 동안 많은 성과를 이루었는데요. 비정형 조경구조물을 시작으로 비정형 거푸집, 콘크리트 3D 프린팅 등 그 범위를 계속해서 확대해 나가고 있습니다. 각각 어떤 특징이 있는지 자세히 살펴보겠습니다.

① 최초의 기록, 3D 프린팅 비정형 조경구조물과 놀이시설물 

힐스테이트 리버시티와 디에이치 자이개포에는 푸른 잔디와 대비되어 더욱 눈에 띄는 빨간색 긴 조형물이 눈길을 끕니다. 바로 현대건설이 3D 프린팅 기술로 국내 최초 비정형 조경구조물 상용화에 성공한 벤치입니다. 주민들에게 휴식을 제공해 주고 있는 이 조형물은 다양한 컬러와 형상으로 제작이 가능합니다. 탄성 기능과 표면 마감성도 우수해 국토교통부가 주관한 ‘2022 스마트건설 챌린지’에서 ‘3D 프린팅 기술을 활용한 비정형 시공 프로세스 선진화’ 기술로 혁신상을 수상한 데 이어 미국 ‘디자인 어워드(2021 Architizer A+ Product Award)’에서도 수상의 영광을 안았습니다.  

 현대건설은 또 한 번의 ‘최초’를 기록합니다. 바로 세계 최초로 3D 프린팅 어린이 놀이시설물을 개발한 것입니다. 2022년 11월, 이 놀이시설물은 ‘힐스테이트 홍은 포레스트’에 설치되었는데요. 단순한 기능과 형태가 아닌 복잡한 기능과 형태를 정교하게 구현해 뛰어난 조형미를 인정받았습니다. 어린이들이 이용하는 시설물인 만큼 놀이기구의 재료, 설계, 안전 등의 심사 기준을 모두 통과하고, 역시 성능과 품질면에서도 뛰어나 Q마크를 획득했습니다. 또한 ‘부천 일루미스테이트’의 ‘달 놀이터’는 아이들이 적극적으로 이용할 수 있는 대형 구조물로, 주변 조명과 어우러져 어린이들에게 상상 속 달나라 여행을 제공하고 있는데요. 정확한 입체 좌표를 기반으로 제품을 직접 출력하는 3D 프린팅 기술 특성상, 기존 공법 대비 30% 이상의 재료와 공기 투입 절감 효과를 거뒀습니다. 

② 작업 효율성의 혁신, 3D 프린팅으로 만든 비정형 거푸집  

거푸집은 콘크리트를 부어서 원하는 모양을 잡기 위해 일시적으로 설치하는 틀을 뜻하는데요. 현대건설은 3D 프린팅 비정형 거푸집 활용 기술을 개발했습니다. 특허 출원이 된 이 기술은 기존 거푸집의 주요 소재였던 합판, 스틸 등으로는 구현하기 어려웠던 비정형 형상을 정교하게 만들 수 있는데요. 출력과 동시에 표면 가공을 할 수 있어 가공 오차 0.001mm 내로 정밀한 구현이 가능합니다. 

경기도 마북에 있는 현대건설 기술연구원 입구에는 가로 3.8m, 세로 1.8m, 높이 3m가량의 비정형 소형 구조물을 만나볼 수 있는데요. 3D 프린팅의 거푸집을 활용해 일반 스틸 거푸집 대비, 약 60%의 비용 절감은 물론 제작 기간도 절반이나 단축한 것으로 나타났습니다. 

여기서 끝이 아닙니다. 현대자동차 연구개발 과정에서 수거된 폐플라스틱를 활용한 플라스틱 거푸집도 최근에 선보였죠. 경기도 부천의 일루미스테이트 아파트 단지 내에 주민들이 쉴 수 있도록 만든 ‘H Wave Bench’는 비정형의 곡선이 돋보이는데요. 최첨단 기술과 폐플라스틱이 만나 탄생한 이 조형물은 국내 건설사 최초로 미국 친환경 디자인상인 ‘그린 굿 디자인 어워드 2023’에서도 수상의 영광을 안았습니다.  

③ 건설현장의 시공자동화, 다관절로봇 3D 프린팅 출력 시스템

3D 프린팅의 가장 큰 장점은 다양한 재료를 활용할 수 있다는 것인데요. 현대건설은 건축의 중요한 자재인 콘크리트를 이용해 조형물을 만들어내는 데 성공했습니다. 힐스테이트 용인 둔전역의 비정형 조경구조물 플랜터가 바로 그 주인공입니다. 이 구조물은 다관절로봇 3D 프린팅 출력시스템을 활용한 것이 특징인데요. 이미 2020년에 숙련공을 대체할 수 있는 다관절로봇을 개발한 현대건설은 이를 콘크리트 3D 프린팅 개발 시스템에 적용해, 시공 자동화 기반을 구축했습니다. 

이 시스템은 재료를 배합하기 위한 믹서기, 재료를 압송하는 펌프, 재료를 일정하게 압출할 수 있는 노즐, 위치를 정밀하게 제어하는 다관절로봇 등으로 구성됩니다. 무엇보다 사람 대신 로봇이 현장에 투입되기 때문에 건설현장의 인력난 등의 문제를 해소하는 것을 물론, 안전사고 예방에도 도움을 줄 것으로 예상됩니다. 현재 다관절로봇 3D 프린팅은 다양한 비정형 형상과 패턴을 출력하며 발전을 거듭하고 있는데요. 현대건설은 시공 자동화의 혁신을 위해 출력시스템 고도화, 일정하게 적층이 가능한 재료와 그에 맞는 구조 공법 같은 연구를 이어갈 계획입니다.

평면 설계도가 단시간에 거대하고 정교한 조형물로, 폐플라스틱이 아름다운 작품으로 변신하는 3D 프린팅! 21세기의 연금술이라 불리며 의료, 과학, 예술 등 전 산업에 걸쳐 활약하고 있는 3D 프린팅이 앞으로 어떤 활약을 펼칠지 자못 궁금한데요. 현대건설 역시 3D 프린팅 기술 개발과 안정적인 시공자동화 시스템 구축 등에 앞장서며, 건설산업의 패러다임 전환에 앞장서겠습니다.