3D 프린터로 제작 가능한 모듈형 수직농장 설계법

전 세계적으로 기후 위기와 식량 불안정성이 심화되면서, 농업도 빠르게 기술 기반으로 전환되고 있습니다. 특히 도시 인구의 급증과 가용 토지의 감소는 실내 농업, 즉 수직농장(Vertical Farming)의 필요성을 높이고 있으며, 이에 따라 ‘모듈형’이라는 키워드가 떠오르고 있습니다. 모듈형 수직농장은 필요에 따라 구조를 확장하거나 축소할 수 있는 유연성을 가지고 있어, 좁은 공간에서도 높은 생산성을 낼 수 있는 형태입니다.

 

 

이러한 수직농장 시스템에 3D 프린터를 접목하면, 생산비용을 대폭 절감하고, 설계 유연성은 물론 DIY 구현력까지 크게 향상됩니다. 기존에는 수직농장을 구성하기 위해 값비싼 철제 프레임이나 특수 구조물을 구매해야 했지만, 이제는 누구나 개인 3D 프린터로 커스터마이징된 부품을 출력하여 자신만의 농장 구조를 설계하고 제작할 수 있는 시대입니다. 이번 글에서는 3D 프린터를 활용한 모듈형 수직농장의 설계 구조, 제작에 필요한 장비와 소프트웨어, 그리고 실전 설계 팁까지 순차적으로 안내해드리겠습니다. 이 콘텐츠는 단순 이론이 아니라 실제 제작 가능한 수준까지 안내드리는 실용 중심 가이드입니다.

 

3D 프린팅을 활용한 모듈형 수직농장의 기본 구조 및 설계 원리

모듈형 수직농장은 기본적으로 상하로 적층되는 구조를 기반으로 합니다. 각각의 층은 작물을 재배하는 ‘배양부’, 물과 영양액을 공급하는 ‘급수부’, 그리고 이 모든 구조를 지지하는 ‘프레임’으로 구성됩니다. 3D 프린터를 활용하면 이 모든 부품을 사용자 정의 형태로 제작할 수 있다는 점이 가장 큰 강점입니다.

예를 들어, 기존의 플라스틱 트레이나 화분은 고정된 규격으로 나와 활용도에 제약이 많았습니다. 하지만 3D 모델링 툴을 이용하면 작물의 종류, 뿌리 길이, 물 공급 방식에 따라 맞춤형 트레이나 지지대를 직접 설계할 수 있습니다. 상추와 같이 수분이 많은 작물과, 바질처럼 잎이 넓은 작물은 각기 다른 재배 환경이 필요하기 때문에, 유연한 설계를 통해 성장률을 극대화할 수 있습니다.

또한 3D 출력물은 볼트나 나사 없이 조립이 가능한 ‘클립형 조립 구조’나 ‘슬라이드 체결 구조’로 설계할 수 있어, 도구 없이도 쉽게 조립과 분해가 가능하며, 확장성과 휴대성까지 확보할 수 있는 구조물 제작이 가능합니다.

프레임은 주로 PLA(폴리락트산) 또는 PETG 소재로 출력하게 되며, 이들은 내수성, 내열성이 높아 실내 환경에 적합한 3D 프린팅 필라멘트입니다. 구조적 안정성과 동시에 환경친화적인 소재를 사용할 수 있다는 점에서 지속가능한 농업을 실현하는 데도 도움이 됩니다.

 

제작을 위한 필수 장비와 소프트웨어 안내

모듈형 수직농장을 3D 프린터로 제작하기 위해서는 크게 3가지 요소가 필요합니다.
바로 출력 장비(프린터), 설계 도구(3D 모델링 툴), 그리고 출력 필라멘트입니다.

① 3D 프린터 장비

• 초보자에게는 Creality Ender-3 시리즈나 Anycubic Kobra 시리즈와 같은 보급형 FDM 프린터를 추천드립니다.
• 최소 출력 크기는 220mm × 220mm × 250mm 이상이면 충분하며, 중형 이상의 구조물을 출력할 경우 조각 출력 후 조립 방식으로 구성하면 됩니다.

② 3D 설계 프로그램(모델링 툴)

• 완전 초보자라면 Tinkercad(무료, 웹 기반)를 추천드리며,
• 중급 이상 사용자라면 Fusion 360, FreeCAD, Blender 등의 툴을 사용하면 더 정밀한 설계가 가능합니다.
• 실제로 수직농장 설계에는 측정 정확도와 조립 적합성이 중요한데, Fusion 360은 이러한 요구에 매우 적합한 CAD 프로그램입니다.

③ 출력 필라멘트(재료)

• 일반적인 구조물에는 PLA가 적당하지만, 물 접촉이 많은 급수 구조물에는 내습성이 강한 PETG나 ASA 필라멘트를 추천드립니다.
• 실제로 영양액을 순환시키는 부품은 장기적인 내구성이 요구되므로, PETG 필라멘트를 사용하시는 것이 좋습니다.

또한, 급수 시스템은 별도의 펌프, 타이머, 호스를 외부 부품으로 연결하게 되는데, 이 부품과 3D 출력 구조물이 정밀하게 결합되도록 설계하는 것이 중요합니다. 실제로 모델링 시 1mm 단위의 간극 또는 결합 여유를 확보하여 출력물 뒤틀림이나 오차로 인한 결합 불량을 방지하셔야 합니다.

 

실제 설계 예시: 4단 모듈형 수직농장 구조 설계

이제 실제로 출력 가능한 설계 예시를 바탕으로 4단 구조의 수직농장을 구성해 보겠습니다. 이 구조물은 다음과 같은 구성 요소로 이루어집니다.

[모듈 구성 요소]

1. 베이스 플레이트 – 바닥 고정용 판 (두께 5mm 이상, 배수구멍 포함)
2. 지지 기둥 – 4개의 수직 프레임 (클립 결합 구조)
3. 트레이 홀더 – 작물 배양 트레이가 얹히는 부분 (물받이 홈 포함 설계)
4. LED 조명 고정 브라켓 – 각 층별로 생장등 부착 가능
5. 급수 분배기 어댑터 – 외부 펌프와 연결되는 입수부 구조

위의 구조는 각 부품을 따로 설계하여 출력하고, 조립 후 각 모듈을 위로 적층하는 방식으로 설치됩니다. 각 부품은 스냅핏(Snap-fit) 방식으로 결합되도록 설계하면 나사나 접착제 없이 조립과 해체가 가능하므로 공간 이동이 잦은 환경에서도 유용합니다.

또한 조명 브라켓에는 USB 전원 기반의 생장등을 설치하고, 타이머 스위치를 연결하여 LED를 자동으로 제어할 수 있게 하면 효율적인 관리가 가능합니다. 급수는 미니 수중펌프를 활용하여 상단에서 아래로 중력순환 방식으로 흘러내리게 설계하면 간단하면서도 안정적인 급수 시스템을 완성할 수 있습니다.

설계 시 꼭 지켜야 할 포인트는 다음과 같습니다.

• 각 부품의 두께는 최소 3~5mm 이상 확보
• 연결 부위는 자체 텐션으로 고정 가능한 형상 사용
• 급수 구간은 내경 8mm 이상의 튜브와 호환되도록 설계

이러한 기준을 지켜 설계하면, 출력 후에도 오차 없이 조립이 가능하며 장시간 사용에도 구조 안정성이 유지됩니다.

 

유지관리 및 장기적 활용 팁

3D 프린터로 제작한 수직농장은 유지관리 측면에서도 많은 장점을 가지고 있습니다. 무엇보다 필요한 부품을 언제든지 다시 출력할 수 있기 때문에 교체 비용이 거의 들지 않으며, 원하는 구조나 기능을 추가로 설계하여 계속해서 시스템을 업그레이드할 수 있다는 점이 큽니다. 예를 들어, 처음에는 2단 구조로 시작했다가 공간이 허락되면 상단을 더 추가하거나, 조명 시스템을 확장하거나, IoT 센서를 부착하여 스마트 농장으로 발전시킬 수도 있습니다. 또한, 설계 도면(.stl 파일)을 백업해두면 추후 다른 사람과 공유하거나 재출력 시 유용하게 활용할 수 있습니다. 실제로 3D 수직농장 커뮤니티에서는 자신이 만든 부품 설계를 오픈소스로 배포하거나, 공동 프로젝트를 진행하는 사례도 많습니다. 한 가지 주의할 점은, 장기간 사용 시 출력물이 직사광선에 노출되면 PLA 소재가 약해질 수 있으므로, 직광보다는 실내 간접광에서 운용하시거나 PETG 소재를 활용하시는 것을 추천드립니다.

 

3D 프린터는 단순한 출력 장비를 넘어서, 도시형 실내 농업을 누구나 실현할 수 있도록 democratize(민주화)하는 강력한 도구가 되고 있습니다. 모듈형 수직농장을 직접 설계하고 제작하는 경험은 단순한 식물 재배를 넘어 자급자족, 기술 습득, 환경 실천, 부업화까지 이어질 수 있는 매우 창의적인 활동입니다. 여러분도 이제 직접 손으로 ‘기술 기반 농업’을 실현해 보시는 것은 어떠신가요? 시작은 작지만, 결과는 놀라울 것입니다.