올바른 3D 프린터 사용의 필요성

적층 제조 기술인 3D 프린팅은 항공, 의료, 중공업, 자동차, 금형 등의 제조업을 보다 쉽고 편리하게 만들었다. 그러나 분말 소재로 인한 폭발 사고 및 미세 먼지 형태의 분말 소재(5um)로 인해 중금속의 축적으로 호흡기 질환이 일어날 수 있어 안전 대책 마련이 시급하다. 이에 이번 호에서는 3D 프린팅 소재에 따른 안전 교육 및 사고 대응 방안에 대해 소개한다.

■ 주승환 | KAMUG(Korean Additive manufacturing User Group, 한국 AM 3D 프린팅 유저 그룹) 회장으로 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 네이버 카페 한국 3D 프린터 유저 그룹을 운영하고 있으며 오픈소스 3D 프린터 윌리봇을 개발한 바 있다.
E-mail | jshkoret@naver.com
카페 | cafe.naver.com/3dprinters

최근 산업에서 메탈 프린터가 폭넓게 사용됨에 따라 안전에 대한 부분도 강조되고 있다. 심한 경우 화상이나 폭발, 흡입으로 인한 폐 손상 등을 가져올 수가 있기 때문이다. 아직 폐 손상에 대한 보고가 나오지는 않았지만, 5µm 이하의 분말의 경우에는 공기 중에 호흡기로 흡입되기 때문에 이에 대한 대책이 필수이다. 특히 메탈 소재의 경우는 중금속이 많기 때문에 대책이 시급하다.
적층 제조 기술인 3D 프린팅은 일반 가정과 산업체 현장에서 사용됨에 따라 항공, 의료, 중공업, 자동차, 금형 등의 제조업을 보다 쉽고 편리하게 만들었다. 그러나 이 과정은 안전하지 않으며, 해외에서는 많은 사고가 보고되고 있다.
일부 가정용 3D 프린팅 공정에서 열가소성 플라스틱은 가열되고 노즐을 통해 압출된 후 빌드 플레이트 표면 위에 적층되어 물체를 만든다. 이 공정에서 부산물로 나노입자(1/10,000㎜ 이하의 초미립자)가 방출된다. 저온 PLA(Polylactic Acid) 공급 원료를 사용하는 3D 프린터의 경우, 분당 200억 개의 입자가 방출될 수 있으며 고온 ABS(Acrylonitrile Butadiene styrene) 소재에서는 2000 억 개의 입자가 방출될 수 있다. 방출된 나노입자는 매우 작고 표면이 넓으며 피부, 폐, 신경 및 뇌를 비롯한 신체의 시스템과 상호 작용할 수 있기 때문에 우려의 대상이 된다. 고농도의 나노입자에 대한 노출은 호흡기 사망률, 뇌졸중 및 천식 증상을 비롯한 건강에 악영향을 미친다. PLA 공급 원료는 생체 적합성을 갖도록 설계되었지만, ABS 공급 원료의 열분해 생성물은 실험 결과 설치류에 독성 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이에 따라 가정용 대부분의 3D 프린터에는 배기 환기 또는 여과 장치가 없으므로 프린터 배치와 재료 선택을 신중하게 고려해야 한다.

1. 3D 프린팅 소재에 따른 안전
각각의 3D 프린터는 고유의 재료를 사용하도록 설계되었다. 이러한 물질은 내재된 위험성이 있으며 3D 프린팅 공정을 거치거나 부주의하여 불이 날 경우 매우 위험할 수 있다. 제품 별 정보는 소재 업체에서 제공하는 안전 데이터 시트(MSDS)를 참조해야 한다. MSDS는 제조업체에 요청하면 된다.
열가소성 플라스틱 및 광경화성 수지, 열가소성 플라스틱은 인화성일 수 있으며 자극과 피부 민감성을 유발할 수 있다. 일부는 소량의 독성 성분을 포함할 수도 있다. 광경화성수지는 인쇄 과정에서 UV 빛에 대한 노출을 이용하여 경화시킨다. 이들은 종종 아크릴레이트와 같은 유해한 물질(Monomer)을 포함한다. 또한 자외선은 시력과 피부에 손상을 줄 수 있다.

(1) 서포트 재료
3D 프린팅 공정은 서포트 설계 재료를 사용하여 제조 설계에서 프린트물의 지지에 사용된다. 종종 열가소성 아크릴 폴리머에 포함된 페닐인산염과 같은 유해한 화학 물질이 포함되어 있어 사용 및 폐기 시에는 주의해야 한다.

(2) 금속 재료
반응성이 있고, 불이 나거나 폭발성이 높은 분말 금속은 3D 프린팅의 금속 부품 제조에 사용된다. 티타늄, 알루미늄과 같이 미세하게 분쇄된 금속 분말은 폭발성이 있어, 스스로 발화되어 화재(발화성)를 일으킬 수 있다. 때문에 화기 근처에 두지 말고, 폭발 위험이 있는 곳에 분말 재료를 보관하는 것을 피해야 한다. 또한 소화기는 일반 소화기가 아닌 Class D급 금속 소화기가 필요하다.
일반적으로 제조업체의 지침을 따르고, 전기 설비 및 배선이 작업에 적합한지 점검해야 한다.
또한 3D 프린팅 공정 과정은 레이저, 전자빔 등 매우 높은 열을 사용하기 때문에 사용자가 열에 의한 부상을 입을 뿐만 아니라 중금속 분말 흡입 시에는 폐에 심각한 병을 유발할 수 있다. 이에 3D 프린터 작동에는 표준 공정 절차(SOP)가 필요하다.
공정 위험 평가는 KAMUG(적층제조기술인협회)에 문의하면 된다. 여기에서 안전에 대한 많은 팸플릿을 찾아볼 수 있다.

(3) 생물학적 물질
3D 프린팅은 공학적 조직 생성을 위한 세포와 같은 생물학적 물질의 인쇄를 포함하도록 확대되었다. 에어로졸에 대한 노출로 인한 잠재적 오염과 적절한 공정 관리가 고려될 필요가 있다.