코로나19가 부각시킨 3D 프린팅의 의료 분야 핵심 역할

코로나19 팬데믹 초기에 3D 프린팅은 단연 돋보이는 기술로, 연일 헤드라인을 장식했습니다. 마치 모든 사람이 지역 병원을 위해 무언가를 프린팅하는 듯했습니다.

수개월이 지나자 3D 프린팅으로 개인 보호 장비(PPE)와 인공호흡기 부품을 제작하는 사례를 다룬 기사는 줄어들었습니다. 하지만 이 기술이 바이러스와의 싸움에서 수행하는 역할은 지속적으로 진화해 왔습니다.

코로나19가 닥쳤을 때 미국을 비롯한 전 세계는 준비되지 않은 상태였습니다. PPE 수요가 폭증하면서 안면 보호대, 인공호흡기, 마스크 재고가 바닥났습니다.

이러한 위기 상황에서 개인과 기업은 상황을 완화할 방안을 고심했습니다. 3D 프린터를 보유한 이들에게는 선택이 단순했습니다. 장비를 가동해 부품을 생산하는 것이었습니다.

며칠 만에 취미 생활자, 작업장, 위탁 제조업체, 대기업 할 것 없이 적층 제조 장비를 가동해 PPE를 프린팅하기 시작했습니다. 인공호흡기 분배기부터 대체 마스크 설계, 안면 보호대까지 수많은 CAD 파일이 빛의 속도로 전 세계에 공유되었습니다. 설계는 주로 프린팅 공정에 최적화되어 사전 및 사후 처리 시간과 노력을 줄였습니다.

설계는 3D 프린팅을 통해 거의 즉각적으로 실물 제품이 되었습니다. 이 기술은 인더스트리 4.0 전환의 대표 주자입니다. 기계가 설정 시간을 거의 필요로 하지 않기 때문입니다. 적절한 재료를 장착하고 잘 설계된 CAD 또는 슬라이스 파일을 업로드한 뒤 매개변수를 입력하고 프린트 버튼을 누르면 몇 분에서 몇 시간 만에 부품이 완성됩니다.

하지만 3D 프린팅으로 PPE 부족을 해결하는 데에는 한계도 있었습니다. 많은 병원이 기증받은 프린팅 부품을 필요한 사양을 충족하지 못해 폐기해야 했습니다. 예를 들어 일부 3D 프린팅 공정은 기밀 부품을 제작할 수 없어 특정 마스크 부품을 사용할 수 없었습니다.

이에 대응해 국립 적층 제조 혁신 연구소, 국립 보건원, 식품의약국, 보훈부가 협력해 실행 가능한 설계를 신속하게 검증하고 승인하는 체계를 구축했습니다. 이 노력으로 프린팅 작업이 표준화되었습니다. 그럼에도 많은 제작자가 이 설계 클리어링하우스의 존재를 알지 못했을 가능성이 큽니다.

코로나19 초기 3D 프린팅 대응의 또 다른 한계는 완제품 조립이 아닌 부품에 집중했다는 점입니다. 예를 들어 안면 보호대용 헤드밴드 프린팅 설계는 승인되었지만, 투명 차단막과 고무줄 같은 보완 부품은 기존 조달 채널을 통해 구해야 했습니다. 이러한 소재도 3D 프린터로 프린팅할 수 있지만, 일반적으로 비용이 많이 들고 일부 산업용 장비에서만 처리 가능해 대량 생산에는 부적합했습니다. 시간이 지나면서 더 비용 효율적인 솔루션이 등장하자 이러한 제한적 적용조차 밀려났습니다.

그렇다면 3D 프린팅의 코로나19 대응 영향력이 일시적인 현상에 그쳤을까요? 결코 그렇지 않습니다. 사실 이 기술은 더 비용 효율적인 생산 기술을 지원하는 이면의 핵심 입력 요소로 전환되었습니다.

기능적 프로토타이핑에서 툴링 지원으로

PPE 대응이 보여주듯 3D 프린터는 설계 컨셉을 신속하게 반복 검증하고 실체화된 기능성 제품을 손에 넣는 데 탁월합니다. 초기 속도와 낮은 진입 비용 덕분에 기능적 프로토타이핑에 이상적입니다. 그러나 설계가 확정되면 다른 기술이 일반적으로 더 나은 선택지가 됩니다. 첫 3D 프린팅 제품의 비용은 사출 금형 제작 비용보다 낮지만, 금형이 완성되면 개별 단위당 시간과 가변 비용이 매우 낮아져 대량 생산 시 3D 프린터를 능가하게 됩니다. 결국 3D 프린팅이 코로나19 대응에 미친 영향은 기존 공정을 지원하는 데 있습니다.

그 한 가지 방식이 툴링, 즉 제조 공정을 보조하는 맞춤형 기구 제작입니다. 툴링 적용 범위는 공작물 고정부터 심미적 특징의 정확한 위치 보장까지 다양합니다. 일반적으로 소비자용 소재 압출 데스크톱 프린터로도 툴링을 제작할 수 있습니다. 다양한 프린팅 툴링 응용 중 코로나19 대응에서 가장 유용했던 사례는 사출 금형용 3D 프린팅 인서트 제작입니다. 특히 이는 분말 소결 방식 3D 프린터로 상업적 맥락에서 수행됩니다. 이러한 시스템은 사출 금형에 사용되는 고도로 복잡한 금속 인서트를 프린팅할 수 있습니다. 내부에 내장된 컨포멀 냉각 채널을 통해 액체 냉각수(일반적으로 물)가 흐르며 성형 부품을 압축하는 뜨거운 금속을 적극적으로 냉각시킵니다. 과거에는 이러한 채널을 직선으로 뚫는 데 그쳤지만, 프린팅 툴링으로는 기존 방식으로는 불가능한 방식으로 채널을 구부리고 꼬을 수 있습니다. 그 결과 이러한 인서트를 사용하는 사출 금형이 더 빠르게 냉각되어 사이클 타임이 단축되고 부품 생산량이 늘어납니다.

코로나19는 3D 프린팅에 스포트라이트를 비추었습니다. 신속한 설계 반복과 부품 제조로 PPE 부족을 해소하며, 이 기술은 초기 대응 노력에서 가치 있고 유연한 부분임을 입증했습니다. 선호 설계가 승인되고 확정됨에 따라 3D 프린팅은 프린팅 툴링을 통해 기존 제조 공정을 지원하는 방향으로 점점 더 전환되었습니다. 과거에도 지금도 PPE 제조와 코로나19 대응에서 귀중한 역할을 수행해 왔습니다.

컬렌 힐킨은 3Diligent의 창업자 겸 CEO입니다.