Embed Size (px)
Citation preview
3D Printing 기술 현황 및 응용 개요
3D Printing 기술의 나노/마이크로분야응용
3D Printing 기술의 교육분야응용
3D Printing 기술의 금형산업분야응용
3D Printing 기술의 바이오분야응용
3D Printing 기술 현황 및 응용 활용●담당위원 : 박형욱 교수(울산과기대)
Journal of the KSME
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지30 DK
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지31 DK
박 형 욱 울산과학기술대학교 기계 및 신소재공학부 부교수 ㅣ e-mail : [email protected]
최근 3D 프린팅(3D printing) 기술은 기존의 산업적 응용을 넘어서 현재 제조업의 혁명을 가져올 차세대 기술로 주목
받고 있다. 이 글에서는 국내외 3D 프린팅 기술 현황에 대한 개략적인 소개와 다양한 산업계에의 응용 사례에 대해
소개하고자 한다.
32 ● 기계저널
현재 제조업에서 주로 이용되는 생산방식은 큰 원재료를 자르거나 다듬는 절삭가공방식이다. 그러나 고객들의 요구가다양해지고제품 생산경향이기존의대량생산이 아닌 다품종 소량생산으로 변화됨에 따라서,3D 프린팅기술의 산업적 응용을 넘어서 기계나 부품생산뿐만 아니라 의료, 식품, 패션에 이르기까지 3D 프린팅기술을 이용한 시제품들이 언론상에 보도되고 있다. 이에 따라서 전 세계적으로 3D 프린팅기술은 3차제조업혁명을주도할기술로주목받고있다. 3D 프린팅 기술은 간략하게 정의하면 3차원의 입체물을 만들어내는 기술이다. 이 기술은 그 역사가 오래된 기술로서 30년 전인 1984년에 미국의 Charles W.Hull이 설립한 회사 3D systems에서 발명된 기술로, 이미 항공/자동차산업에서제품의대량생산전에디자인평가를 위해서 시제품을 만드는 용도로 사용되고 있었다. 그런 측면에서 쾌속 조형(Rapid Prototyping)을 의미하는 RP가 3D 프린팅기술동의어로종종사용되기도한다.2013년 초에 미국 버락 오바마 대통령의국정 연설에서 3D 프린팅을 미국 제조업을부흥시키는 방법론으로 언급하고, 이에 따라 현재 전 세계적으로 3D 프린팅 기술에대한 관심이 크게 고조되고 있다. 이와 동시에 이 기술에 관련 원천 특허권이 만료되
고 IT 기술의 발달로 3차원 데이터의 제작과 보급 확산이 전 방위적으로 이루어지면서, 가정에까지 보급될 수있는저렴한프린터가만들어지고있다. 현재 대부분의가정 보급형 프린터는 200만 원 정도로 구입이 가능하며, 이러한 개인용 3D 프린터의 보급도 활발하게 진행되므로, 향후 본 기술로 인해서 제조업 패러다임이 바뀔 것으로 예상된다. 또한 현재의 공장 중심 공정 생산(Factory Manufacturing)에서 가정 생산(Home Manu-facturing)으로 변화됨에 따라서 다품종 소량생산이 가능해지고 제품을 구매하는 것이 아니라 제품의 설계도를구매하는소비 혁명이일어날것이란예측도나오고있는실정이다.최근 언론 매체를 통해서 소개된 3D 프린팅의 다양한 활용 사례를 보면 이러한 전망이 실현될 날은 멀지않아 보인다. 그림 1에서와 같이 전 세계 3D 프린터 시
3D Printing 기술 현황 및 응용개요
그림 1 산업별/용도별/국가별 시장 점유율(Wohlers Associates Inc.
2012)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지32 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 33
장에서 우위를 점하고 있는 미국은 기술의적용 사례로 NASA(미국항공우주국) 엔진연료 분사장치 제작에 3D 프린터 기술을이용하고 있다고 발표했다. 이러한 분야의경우 이전에는 3D 프린팅기술이 적용할 수없는 분야였지만 이와 같은 적용사례를 기반으로 볼 때 3D 프린팅기술이 정밀도와제작 속도 측면에서도 다른 산업에 충분히활용될 수 있는 수준으로 올라 왔다는 평가도 나오고 있다. 또한, 그림 2에 나타나 있듯이 명품 브랜드의 신발 디자인 시제품에서부터 자동차 대시보드의 시제품 제작, 치과 교정기 등에 폭넓게 활용되고 있다. 그렇지만 아직까지는 시제품 위주로 3D 프린팅기술이 이용되고 있으며, 향후 이 기술이완성품이나 부품제작에 이용될 것으로 예상된다.따라서, 3D 프린팅 시장은 향후 크게 성장할것으로예상되며, 일반프린터시장보다 훨씬 더 큰 시장으로 자리잡을 것으로생각된다. 부가적으로 다양한 제품과 산업에 적용될 수 있기 때문이다. WohlersAssociate는 세계 3D 프린터 시장이 2015년37억 달러에서 2021년 108억 달러로 성장할 것이라고 예상하고 있다. 그러나 아직까지는 국내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및Test Bed 기반구축이전무하다.
3D 프린팅기법의기술적개요및분류
3D 프린팅 기술은 적층 제조기술(AM:Additive Manufacturing)이라고도 하며, 그림 3에 나타나 있듯이 기존의 재료를 절삭이나 드릴을 통해 입체물을 제조 및 조립하는 방식에서 벗어나 다양한 방법의 적층
그림 3 기존 제조방법 vs 3D 프린팅 방법 비교 그림(한국기술평가원 2013
KEIT PD 보고서)
그림 4 3D 프린팅에 사용되고 있는 소재
그림 2 3D 프린팅의 산업적 응용 분야
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지33 DK
3D Printing 기술 현황 및 응용개요
34 ● 기계저널
(additive)방법을통해 3차원의입체물을제조하는방법이다. 기존의 제조 공정과는 다르게 조립비용을 크게낮출 수 있으며, 현재의 절삭 위주인 기존의 제조 공정기반 대량 생산을 대체하기 위한 3D 프린팅기술에 대한연구가진행중에있다.따라서, 본 3D 프린팅기술의 경우 맞춤형 다품종 소량 생산에 적합하며, 이와 동시에 소비자가 직접 상품을 만드는 것이 가능해지므로 중요한 활용 분야 중 하나로 환자 개인의 몸에 맞는 부품(Customized Part)이필요한의료분야를꼽을수있다.이 3D Printing에 사용되는 소재로는 그림 4에 나타냈듯이 엔지니어링 플라스틱, 유리, 탄소 복합제와 같은 복합재료 등 거의 모든 재료가 사용되고 있으며, 와이어, 분말, 필름을 레이저 열원이나 가열된 롤을 가압하여 적층하며 기술적으로 완성단계에 가까이 와 있는편이다. 그러나 금속 소재의 경우 아직 기술개발의 초기 단계에 있으며, 이종재료 적층, 고정밀 적층, 적층률향상에 초점, 와이어나 분말을 레이저나 전자빔, 플라즈마 열원으로 용융 또는 소결하여 적층, 금속 포일 상부에 초음파 롤을 가압하여 적층, 스프레이로 분사하여적층하는방법에대한연구가진행되고있다.일반적으로모델링-프린팅-피니싱의 과정을거쳐 3D
프린팅이 이루어지며, 다양한 방법의 적층 방법이 개발되어적용되고있다. 구체적으로적층방식및사용되는재료에 따라서 다양한 기술들이 존재하며, 현재에는 정밀성 및 효율성이 높은 선택적 레이저 소결 조형(Selective laser sintering), 압출 적층 조형(Fuseddeposition model) 방식의 3D 프린터가전세계시장에서제품들의주류를형성하고있다.
3D 프린팅기술의전세계연구개발현황
2013년 미국오바마대통령은오하이오의 3D 프린팅기술 관련 제조업 혁신 네트워크(연구소) 성공 사례를벤치마킹할 의사를 피력했으며, 이를 토대로 향후 미국내 다른 지역 15곳에 제조업 허브를 구축해 첨단 기술의 메카로 성장시키고 있다. 또한, 미국의 경우 2000년도 초반부터 수요기업을 중심으로 연구개발을 진행하였으며, 이후 국가 주도적 산학연 중심의 로드맵을 작성하여 전반적인 3D 프린팅 분야에 집중 투자를 가속화하고 있고 이렇게 개발된 기술을 우주항공, 방위산업및 의료관련분야를중심으로다양한적용분야를개척하고 있다. 호주의 경우 3D 프린팅기술 개발 관련 로드맵은미국과거의 유사하나호주의강점인신소재개발
3D 프린팅기술 유형
선택적 레이저 소결 조형
(Selective Laser Sintering)
압출 적층 조형
(Fused deposition modeling)
직접 금속 레이저 소결 조형
(Direct metal laser sintering)
광경화수지 조형
(Stereo lithography)
적층물 제조
(Laminated objectmanufacturing)
전자빔 소결
(Electron beam melting)
소재
Thermoplastic, Metals
powders, Ceramic powders
Thermoplastics, Eutectic
Metals
Almost any alloy metal
Photopolymer
Paper, Foil, Plastic film
Titanium alloys
레이저로 재료를 가열하여 응고시키는 방식으로 높은 정밀성을 가짐
고체수지 재료를 녹여 쌓아 만드는 방식, 제작 비용과 시간 면에서 효율적
금속 파우더를 레이저로 소결시켜 생산하며 강도 높은 제품 등에 사용
레이저광을 선택적으로 방출하는 방식, 얇고 미세한 형상 제작
종이와 같이 층으로 된 물질을 겹겹이 쌓아 만들며, 재료물질이 가장 저렴
전자빔을 통해 금속파우더를 용해하여 티타늄 같은 고강도 부품을 제조
기술의 장단점
표 1 3D 프린팅 기술의 유형 및 장단점
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지34 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 35
및 응용 분야를 확대하고, 개발된 신소재의 산업표준분야에 대해서 집중하고 있다. 영국의 경우 2012년 10월 기술전략위원회에서 3D 프린팅 연구개발에 700만유로의 투자를 발표하였으며, Inspiring New DesignFreedoms in Additive Manufacturing 전략위원회 보고서에서영국은 9,600만 유로를측정생산기술에투자한것으로 보고되고 있다. 바로 옆에 있는 일본의 경우 중소기업중심으로의료분야기술개발및 제품 확산을진행하고 있으며, 한 예로 의료기기 전문업체 파소텍은의료기구, 틀니등을 3D 프린팅을통해생산하고있다.
개발도상국이면서 세계의 공장이라고 불리는 중국의 경우에도 중국 과학기술부 국가 기술발전연구계획및 2014년 국가과학기술제조영역 프로젝트 지침에 3D 프린터 사업을 포함하고, 3D 프린터재료핵심기술, 장비를확보할계획이다. 특히, 중국의 경우 정부출연연구소중심의 기술개발 및 관련 기업육성 등에 주완점을 두면서 3D 프린팅에 대한 연구를 진행하고 있다. 한 예로 중국 Northwestern Polytechnical University of China에서는 5m의 C919 승합기에 적용되는 5m의 티타늄 빔을 만들고 있으며 2016년 상용화를 계획하고 있다. 이와 같이 주요 선진국뿐만 아니라 중국에서도 3D 프린팅기술에대한산업경쟁력을확보하기위해서활발하고연구개발및응용분야확대에주력하고있다. 3D 프린팅기술은 디지털 디자인 데이터를기반으로, 소재를 적층하는 방식으로 3차원 물체를인쇄하듯만들어내는기술로서타산업과의 융합을 통한 파급효과가 큰 차세대 제조 핵심 기술이다. 미국, 일본, EU 등 주요국에서는산업 클러스터 형성, 산학 연계, 원천기술, 제품 디자인 기법 개발 등의 분야에 연구지원을통해 산업육성에 나서고 있으며, 그 외에 3D프린팅기술의 응용 분야 확대 및 관련 산업의
경쟁력에 대한 증대에 힘쓰고 있다. 이들 선진국에 비하면 국내 3D 프린팅기술은 아직 걸음마 단계이며, 국내 3D 프린팅 관련 연구 개발 및 Test Bed 기반 구축이전무하다. 또한, 국내 3D 프린팅업체들 대부분은 외국제품을 카피해 제작하는 수준에 머물고 있다. 그렇지만, 전 세계적으로 3D 프린팅산업의 경우 아직은 성장초기 단계이며, 국가차원의 대응전략을 통해 원천기술국산화및관련산업생태계조성이필요한시점이다.
(a)
그림 5 (a) 적층공장 (b) 적층기술로 만든 5m 티타늄빔(한국기술평가
원 2013 KEIT PD 보고서)
(b)
그림 6 UC버클리대에 설치된 3D 프린팅 자판기(한국기술평가원
2013 KEIT PD 보고서) ,
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지35 DK
36 ● 기계저널
윤 해 룡 안동대학교 기계자동차공학부 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected]
김 호 찬 안동대학교 기계자동차공학부 부교수 ㅣ e-mail : [email protected]
3D 프린팅 기술은 AM(Additive Manufacturing Technology)을 기반으로 한층 한층 재료를 적층하여 구조물을 제작
하는 방식이다. 3D 프린팅 기술은 다양한 산업 분야에서 쟁점으로 대두되고 있으며, IRS Global이나 Wohlers
Associates와 같은 회사들의 보고서에 따르면 이미 200여 개에 달하는 3D 프린터 모델들이 출시·판매되고 있다.
3D 프린팅 기술은 앞으로 10년 이내 100억 달러 이상 규모의 시장을 형성할 것으로 예측하고 있다. 오바마 대통령이
미 의회 2012년 연두 연설에서 오랜 침체기를 겪은 미국의 제조업이 다시금 기회를 얻을 수 있도록 해 줄 기술로
‘3D 프린팅’을 꼽고 지원하고 있다. 이러한 3D 프린팅 기술은 메크로 스케일의 제품뿐 아니라 나노/마이크로 스케일
에서도 활용되고 있으며, 그 실례를 살펴보기로 한다.
3D 프린팅 기술은 산업계의 혁명이라 불릴 정도로(3차 산업혁명을 이룰기술) 엄청난 파급효과를 불러일으킬것이라는 전망들이 있는데 간단한 생활용품부터 항공우주영역에 이르기까지 그 활용분야는 무궁무진하다. 3D프린팅기술은그림 1과같이아주얇은두께로한층한층 적층시켜 하나의 형태를 만들어내는 기술로 일반적으로 한 겹의 두께가 수십 마이크로미터 정도이다. 그
러나 요구되는 정밀도 수준에 따라 수마이크로미터 수준의 층 두께를 갖는섬세하고 정밀한 가공이 가능하다. 또한 현재 하나의 제품을 만들기 위해서는 금형제작을 하고 금형을 통해 사출을 하는 일련의 과정들을 모두 생략하
고 그 자리에서 바로 제품을 만들어낼 수 있기 때문에시간과비용 측면에서모두 한발 앞선 진보된기술이라고할수있다. 또한 적층방식은아무리복잡한설계및
3D Printing 기술의 나노/마이크로분야응용
3D 프린팅의 가장 큰 장
점은 복잡한 설계 및 형상
의 제품이라도 한 번의 과
정으로 제작할 수 있다는
것이다.
그림 1 3D 프린팅 기술
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지36 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 37
형상의 제품이라도 한 번의 과정으로제작할수있다.
3D 프린팅과마이크로/나노스케일제조기술
최근 3D 프린팅을이용한나노/마이크로 제작기술의 발달로 기능성 부품이나 제품이 점차소형화, 집적화되어 그 활용 범위가 바이오산업에서 항공우주산업까지 다양하게 확대되고 있다. 이러한 기능성 마이크로 부품 제작에는 일반적으로 고분자 재료가많이 쓰이고 있으며, 고 강성 및 내 화학 성질이 필요한부분에 대해서는 세라믹 재료가 주로 쓰이고 있다. 최근 나노미터 단위의 세부구조를 가진 마이크로 스케일
크기의 제품들이 다수 등장하고 있다.신생기업 Nanoscribe는 미세하게레이저를 조정하여 30나노 스케일 단위의구조물을 생산할 수 있는 3D 프린터를선보였다. 특히 기존에는한시간넘게걸리던 작업을 1분 이하로 단축시킬만큼 빨라졌다는 장점도 있다. 정밀하
게 소재를 가공할 수 있는 3D 프린팅은 기존에는 불가능하다고 여겨졌던 제품을 생산할 수 있는 기반이 될수도있다. 그리고 마이크로스케일의구조물을제작하기 위해서는 레이저 가공이나 다른 가공방법을 채택하게 되면 많은 시간과 비용을 필요로 했다. 하지만 3D프린팅 기술을 이용함으로써 기존의 방식보다 빠른 시간에 경제적으로 마이크로 스케일의 구조물을 제작할수있다. 3D 프린팅 기술을이용하여마이크로/나노 스케일의 구조물을 제작하는 방식에는 광조형 방식이 대표적이다. 그중 나노 스케일의 제조 기술에 최근 광원의 회절한계를극복하여 100nm급 정밀도를 지니고 3차원마이크로형상제작에유리한이광자흡수현상(Two-photon absorption)을 이용한 3차원 미세형상 제작에관한 연구 또한 진행되고 있다. 금속의 경우 이광자 흡수 광환원 현상(Twophoton induced photoreduction)을 이용하여원하는위치에금속이온을환원시켜 3차원마이크로금속형상을제작할수있다.
DMD기반마이크로광조형과의공학적응용
마이크로 광조형 기술은 하나의 층을 경화시키는 방법에 따라 주사방식(Scanning method)과 전사방식(Projection method)으로 구분할 수 있다. 주사방식은경화된 한 층을 만들기 위하여 하나의 점에 집속된 광의점을물체의외곽모양에따라컨투어(Contour)를 주사한 후 내부를 격자 방식으로 드문 드문 채워서 경화시키는 방식이다. 주사방식의 장점은 광이 한 점에 고도로 집중되기때문에매우 높은 에너지를일순간에가
마이크로 광조형 시스템
(SLA)의 가장 큰 장점은
많은 고분자 재료의 사용
이 가능하고 고해상도의
구조물을 제작할 수 있다
는 것이다.
그림 2 SLA 3D 프린팅 기술
그림 3 마이크로 광조형 시스템
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지37 DK
3D Printing 기술의 나노/마이크로분야응용
38 ● 기계저널
할 수 있다는 점이다. 따라서 주로 출력이 낮은 레이저를 광원으로 이용하는 경우에 널리 사용되고 있다. 이방식의 단점은스팟의크기가작을수록전체 형상을다채워 경화시키는 데 많은 시간이 소요된다는 점이다.반면에 전사방식은일정한크기의면적을한 번에 경화시키는 방법으로 경화되는 영역과 그렇지 않은 영역은동적으로 생성되는 마스에 의해서 선택된다. 마스크의생성을 위하여 기존에는 LCD(LiquidCrystal Display)가 주로 사용되었으나, 이 LCD 속에광원으로주로상용되는 UV광선에 의해 열화가 되는 물질이 들어 있어서 오랫동안 안정적으로 활용하기는 어려웠다. 그러나최근에는 픽셀별로 마이크로 미러를설치하여 광의 반사유무를 결정할수 있는 DMD(Digital MicromirrorDevice)가 보급되고 있으며, 점차 안정성이 높고 투과율이 높은 DMD를이용하는 기술이 일반화되고 있다.그림 3은 전사방식을 이용한 마이크로 광조형 시스템이다. 위의 시스템을 이용하여 그림 4, 5와 같은 마이크로 구조물을 제작한 것이다. 그림4, 5의 구조물은 마이크로 단위의 구조물을 제작한 것이고, 또한 생분해성 소재를 이용하여 마이크로 니들을 제작한 것이다. 그리고 또한 심장혈관에 삽입하는 금속 그물망인 스텐트(Stent), 위에서 언급한 통증없이 주사를 놓을 수 있는 마이크로 바늘(Microneedles), 수 마이크로 미터단위로 게코도마뱀(Gecko)의 발바닥을 모사한 접착제 등이 대표적이다. 이에 따라 이들 제품을 생산할수 있는 공정도 함께 연구되면서 3D
프린팅이여러대안중하나로주목받고있다.
센서의응용
최근바이오기술중중요한영역으로각광받고있는분야로 랩온어칩을 들 수 있다. 랩온어칩은 말 그대로생물학, 화학 실험실의 구성 요소를 미세화하여 하나의
그림 4 마이크로 구조물 제작(왼쪽 (a) 마이크로 와인 컵 (b) 마이크로 칵테일 잔
(c) 마이크로 컵 (d) 마이크로 믹서 , 오른쪽 (a) 마이크로 니들 (b) 고세 장
비 구조물)
그림 5 생분해성 및 다중재료 마이크로 구조물 제작
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지38 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 39
칩형태로구현하는것이다. 랩온어칩을사용하면미량의 생체 시료 및 시약을 사용함으로써 분석의 효율성및 정확성을 증대할 수 있으며, 또한 하나의 단일 세포에 생물학적화학적반응을유발하여그 결과를검출할수 있도록 하여 나노 바이오 기술의 발전에 중요한 역할을할도구이다. 그리고 랩온어칩은마이크로스케일의 구조물이기 때문에 3D 프린팅 기술의 하나인 SLA를통하여제작되었다. 최근 로봇기술의발달로여러분야에걸쳐로봇기술들이 적용되고 있다. 많은 로봇기술들이 인간과 같은방식으로 작동하기 위해서는 외부자극, 온도, 시각데이터, 후각등의여러가지외부자극을수용할수있는장치들이 필요하다. 그중 사람의 피부와 같은 작용을 하기 위해서는 로봇의 손 부분에 외부자극을 수용할 수있는센서장치들이필요하다. 로봇용 유연촉각센서는사람의피부와유사한형태로제작하여야한다. 로봇의손에 장착하기 위해서는 신축성이 포함된 촉각센서가필요로 되고 있다. 이러한 신축성이 포함된 촉각 센서를 개발하기위해 먼저 센서부분을제작하는시스템의
개발과 외부 자극을 효과적으로 받아들이기 위한 장치가 필요로 하다. 유연 촉각 센서 제작 시스템 역시 3D프린팅기술을활용하여센서를제작하였다. 센서의 소자는선폭이 500~700마이크로미터로제작되었다.
전자부품에의응용
신속하고저렴하게 3D 프린트 전기회로에대한제조방법이개발되었다. 이 기술은 딱딱하거나유연한재료에 임의의 모양의 도체를 인쇄하는 기술이다. 나노 입자의 잉크를 잉크젯 기술로 프린트하여 화학적 금속입자를 분사하고, 열로 인해 시간이 적게 걸리도록 실버나노 입자 잉크를 사용하여 프린팅 하는 기술이다. 이기술로 전자부품에 응용이 가능하고, 학교에서 저 비용으로도 학생들에게 기본 전자의 원리를 학습할 수 있다. 그리고 이러한 회로 인쇄 기술을 이용하여 계산기,온도제어기, 배터리 충전기 등의 전자장치들을 3D 프린트기술로제작할수있다. 최근 자동차, 전자제품 등의 제조 시장은 신제품이
빠르게 개발되고 출시를 위하여 시제품 제작 시 3D 프린팅 기술이 많이 사용되고 있다. 적은 비용으로 시제품제작이 가능해지면서 수요나 요구사항에 신속하게 대응하면서 제품 생산이 가능하다. 3D 프린트 기술의 다양한 방식 중에서 대부분은 단일 재료를적층하여 형상을 조형하는 방식이다.이와 달리 3D Molded InterconnectDevices(3D- MIDs) 기술은 사출 성형으로 제작한 플라스틱 부품의 표면에전도성 회로 패턴을 포함시킬 수 있다. 이 기술을 적용하면 기판과 기계및 전기 부품을 통합시킬 수 있으므로기존 부품 생산 공정은 사출성형 후기판 조립 및 배선을 연결함으로써 시그림 6 3D 프린팅 기술을 이용한 유연 촉각센서 제작 및 적용
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지39 DK
40 ● 기계저널
3D Printing 기술의 나노/마이크로분야응용
40 ● 기계저널
간, 비용, 인력이 많이 요구되었지만 이 기술을 이용하게 되면 이러한 단점을 보완할 수가 있다. 이러한 단점
을 보안할 경우 조립의 공정수가 감소될 뿐 아니라 부품의신뢰성또한향상될것으로예상된다.
그림 7 일반 크루즈 컨트롤 스위치와 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 차이점 및 3DCD 크루즈 컨트롤 스위치 제작
기계용어해설
이광자스테레오리소그래피(Two-Photon Stereolithography)펨토초 레이저를 이용한 이광자 흡수 광경화 현상을 통하여 3차원 형상을 제작하는 방법
일계신뢰성방법(FORM)한계상태방정식(LSF : Limit State Function)의 Taylor 급수 전개식의 1차 항만 사용하여 파손확률을 구하는 방법
임계속도(Critical Speed)회전 디스크에서 후진파 고유진동수가 제로가 되는 회전속도
입자통과시간(Particle Transit Time) 유체 내에서 흐르는 입자가 특정한 구역을 통과하는 데걸리는 시간
자긴가공모델(Autofrettage Model)실린더의 내경에 소성가공을 하는 것. 해석 방법에 따른자긴가공 후 잔류응력식을 자긴가공이라 함.
입자영상유속계(Particle Image Velocimetry)유체 내에서 흐르는 입자의 움직임을 영상으로 기록하고이를 분석하여 유동을 분석하는 장치
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지40 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 41
박 경 근 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
최근 3차원 프린팅 기술은 사회적으로 많은 관심을 받고 있으며, 공학교육의 효율성을 높일 수 있는 방안으로 거론되
고 있다. 이 글에서는 공학교육에서의 3차원 프린팅 응용사례를 소개하며, 특히 CAD 과정과 종합설계 교과목의 사례
에 대해 살펴보고자 한다.
3D Printing 기술의 교육분야응용
최근 3차원 프린팅에 대한 관심이 고조되고 있다. 미국의 오바마 대통령이 2013년도 국정연설에서 언급한것을비롯하여국내외의저명한기관들에서 3차원프린팅의 전망과 가능성에 대한 찬사를 아끼지 않고 있다.그러나 3차원 프린팅은 새로운 기술이 아니고, 이미1980년대에 RP(Rapid Prototyping)라는 이름으로 개발되어 제조업계에서 시작품을 신속하게 제작하기 위한용도로 활용되어 왔다. 국내에서도 1990년대에‘쾌속조형’이라는 이름으로 도입되어 산업계 및 연구기관에서 관련 연구가 꾸준히 진행되고 있는 실정이다. 그럼에도 불구하고 3차원 프린팅이 3차 산업혁명의 원동력으로까지 거론되는 이유는 제조업 전문가가 아닌 일반인이 3차원 프린팅을 사용하여 완제품을 제조할 수 있게 되어다양한분야로의활용이가능해진다는점이바탕이되며, 여기에는교육분야도예외가아니다.3차원 프린팅은 3차원 CAD 형상정보를 바탕으로 실제 제품을 제작할 수 있는 기술로 최근 모형이나 시작품제작, 2차공정을위한마스터모델및기능성부품의제작 등에 사용되고 있다. 특히 교육적 측면에서 3차원CAD와 더불어 학생들의 공간지각력 향상에 기여할 수있는 것으로 알려져 있어 공학교육 측면에서의 성과를얻을 수 있으며, 학생들의 흥미를 유발한다는 측면에서도 긍정적인 효과가 있다. 또한 본인이 설계한 제품을손쉽게 제작할 수 있는 도구로 활용될 수 있어 기계공
학도에게는특히활용효과가높다.이 글에서는 서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과의 교육과정에서 3차원 프린터를 활용한 교육사례를 소개하고자 한다. 특히 학부 3학년에 개설된 CAD교과목과 4학년에 개설된 종합설계(Capstone Design)교과목에서의 다년간의 3차원 프린터 활용사례와 활용과정을 소개함으로써 공학교육에서의 3차원 프린팅의활용가능성을살펴보고자한다.
CAD 교육과정에서의3차원프린팅활용
▶CAD 교육과정소개
서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과에서는 2개의 CAD 관련 교과목이 있으며, 2학년 학생들을대상으로기초과정, 3학년학생들을대상으로응용과정을 개설하고 있다. 상기 2개의 교과목은 그림 1에 나타낸 바와 같이 타 설계교과목과의 유기적인 연관관계를갖고있다. 본 연구에서는이중 3학년학생들을대상으로 하는 CAD 응용과정(과목명: CAD응용설계)에 대해언급하도록하겠다.CAD 응용과정에서는 이론강의 및 상용 CAD 소프트웨어를 이용한 실습을 수행하며, 기본적인 형상모델링및 자유곡면(Freeform Surface) 생성 기법, 조립체(Assembly) 모델링 및 도면생성 기법 등에 대한 실습을
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지41 DK
3D Printing 기술의 교육분야응용
42 ● 기계저널
수행한다. 또한 설계과제를통해학생들의성취도를평가하는데, 중간고사 이후에 3~4명의 학생들로 팀을 구성하여 CAD 활용설계과제를수행한다.CAD 설계과제는 학생들이 수업시간에 배운 CAD 능력을 활용하여 실제 제품의 형상모델링을 수행함으로써 CAD 실무를익히는것을목표로한다. 주로 실제제
품의 형상을 측정하고 3차원 CAD를 사용하여 형상모델링을 수행하는 역설계(Reverse Engineering)를 수행하는 형태로 진행되며, 역설계된 형상정보를 사용하여3차원프린터로실제제품을제작해보는과정까지활용할 수 있다. 역설계 주제로는 캐릭터 모델에 대한 역설계(그림 2 참조)나 실제 제품에 대한 역설계(그림 3 참
그림 1 서울과학기술대 기계시스템디자인공학과 CAD 관련 교과목 구성도
그림 2 CAD를 이용한 캐릭터모델 형상모델링 및 제작 사례
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지42 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 43
조) 등의주제를부여하였다. 전자의경우 학생들로 하여금 흥미를 유발하는장점이 있는 반면, 후자의 경우는 실제사용되는제품에대한역설계를수행함으로써 단순한 형상모델링에 국한되지않고제품의설계특성에대해고찰해보는기회를부여할수있는장점이있다.
▶CAD 설계과제진행과정
최근 실시된 CAD 설계과제(캐릭터역설계)의 진행과정에 대해 간략하게소개해보겠다. 국산 애니메이션인‘뽀로로와 친구들’에 등장하는 총 5개의캐릭터(뽀로로, 루피, 에디, 크롱, 포비)에 대한 역설계를 수행하도록 하였다.학생들은 총 10팀으로 구성(팀별 3~4명)하여 1개의 캐릭터당 2개의 팀을 할당하여상호경쟁하도록유도하였으며,팀별 캐릭터는 추첨을 통해 결정하였다. 수행과정은 기초형상 측정, 형상모델링 및 3차원 프린팅의 3단계로 구분하였으며, 1, 2단계에서는 보고서를 통해 3단계에서는 발표평가를 통해 결과를평가하였다. 1단계에서는 캐릭터의 특징곡선을추출하기위한측정과정이주로수행되며, 그림 4에 다양한 방법을 사용한 특징곡선 추출 사례를 예시하였다. 측정방법으로는 실물모형을 사용하여 측정하는 방법과 그림/애니메이션 영상에서 다양한 특징곡선을 추출하는 방법등이 사용되었다. 일부 학생들의 경우3차원 스캐너를 사용하여 실물모형의스캔을수행하고영상을획득하는방법을사용하기도하였다.
그림 3 CAD를 이용한 신개념 리모컨 형상설계 및 제작 사례
그림 4 캐릭터 모델의 특징곡선 추출 사례(출처: 박근, 이현중, 한국CAD/CAM
학회 학술발표회 논문집, 2014)
그림 5 특징곡선을 사용한 3차원 형상모델링 수행과정 예시(출처: 박근, 이현
중, 한국CAD/CAM학회 학술발표회 논문집, 2014)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지43 DK
3D Printing 기술의 교육분야응용
44 ● 기계저널
2단계는 형상모델링과정으로 1단계에서작성된 특징곡선들을 사용하여 수행된다.우선 여러 방향과 단면의 특징곡선들을 사용하여 자유곡면을 만들고, 이후 생성된 곡면을 사용하여 입체형상을 완성하는 과정을 거친다. 그림 5에 등고선 형태의 특징곡선을 사용하여 곡면을 생성하고 이후 캐릭터 두상에 대한 3차원 모델을 생성하는 과정을 나타내었으며, 또한 상기 과정을 거쳐주요 부위(머리, 몸통, 팔, 다리 등)에 대한형상모델링을수행하고이후각자완성한 3차원 모델을 사용한 가상조립(VirtualAssembling) 과정을 거쳐최종형상을완성한사례를도시하였다.3단계에서는 완성된 CAD 모델을 사용하여 3차원 프린팅을 수행하는 과정이다. 이를 위해 CAD 모델로부터 3차원 프린터로전송하기 위한 STL 파일을 생성하도록 지도하였으며, 이때 제작된 곡면을 충분히 묘사할 수 있도록 해상도를 조절하도록 지도하였다. 또한 3차원 프린팅에 대한 이론강의를 추가하였으며, 2종의 3차원 프린터를보유하고 있는 본교 공동실험실습관 시제품제작실 견학 및 참관수업을 수행하였다.학생들은 해당 장비를 사용하여 본인이 제작한 CAD 모델을 사용하여 캐릭터 모델을 제작하였으며, 직접 후처리 과정에 참여하도록 하였다. 그림 6에제작된다양한캐릭터모델의형상을도시하였다.
종합설계교과목에서의3차원프린팅활용
▶종합설계교과목개요
서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과에서는 종합설계 교과목으로서의 Capstone Design 교과목
을 1994년부터 지속적으로 진행하고 있다. CapstoneDesign 교과목은 실무중심의 교육과정을 통해 창의적인 기계시스템 설계인력을 배출하고자 하는 과목으로,특히 졸업작품이라는 교육모델을 개발하여 학부 4학년학생들로 하여금 졸업시험 대신 스스로 작품을 기획,설계, 제작, 시험하는 일련의 과정을 체험하게 함으로써 학생들에게 강한 자신감을 부여하고 창의적 엔지니어를양성하는특성화된프로그램으로발전시켜왔다.Capstone Design은 학부 4학년 학생들을 대상으로하여 1, 2학기 연계과목으로 운영하고 있다. 1학기에는
그림 6 3차원 프린터로 제작된 뽀로로와 친구들 캐릭터 모델
그림 7 종합설계 교과목을 통한 졸업작품 제작 사례(출처: H. W. Lee et
al., ASME Asia-Pacific Engineering Education Congress,
2009)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지44 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 45
주로 작품 구상 및 설계를 진행하며, i) 아이디어 도출,ii) 개념설계, iii) 상세설계, iv) 설계검증및도면작성과정을 거친다. 학생들은 한 학기 동안 진행한 종합설계과제의 결과를 정리하여 1학기 종료 시 설계된 작품에대한 설계보고서를 작성하여 제출한다. 2학기에는 설계사양을 토대로 작품을 제작하게 되는데, 여기에는 기
구물 제작은 물론 회로 구성, 부품 구입및 조립, 동작시험 등을 거쳐 작품을 완성하게 된다. 완성된 작품은 내부 심사를 거쳐 교내/외 전시회에 출품하여 학생들이 직접 본인의 작품을 전시하도록한다. 그림 7에 주요 작품 사례를 나타내었다.
▶종합설계 교과목에서의 3차원 프
린팅활용
종합설계 교과목에서는 대부분의 작품에 기구물이 필수적으로 요구된다.본교에서는 종합설계 교과목을 수행하는 학생들이 자유롭게 사용할 수 있도록 공동공작실을 운영하고 있으며, 선반, 밀링머신 및 CNC 조각기 등의 가공장비가 구비되어 있다. 이를 통해 학생들이 간단한 형태(2.5차원 형상)의 부품은 직접 가공할 수 있으나, 형상이 복잡한 경우 가공에 한계가 있어 외주가공에 의존하는 경우가 많다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 본교 공동실험실습관 시제품제작실에서 보유하고 있는 2종의 3차원 프린터를 활용하여 학생들이 복잡한 3차원 형상의 기구물을 손쉽게 제작할 수 있도록 지도하고 있다. 그림 8과 9에 3차원 프린팅을사용한종합
설계 작품에서의 기구물 제작사례를 도시하였으며, 이러한 활용을 통해 학생들이본인이설계한작품을손쉽게 구현할 수 있게 지원함은 물론 졸업 후에도 적절한용도에 3차원 프린팅을 활용할 수 있게 하는 경험을 습득할수있을것으로기대된다.
그림 8 반주용 Robot hand 제작 시 3차원 프린팅 활용 기구물 제작 사례
그림 9 거북이로봇 등껍질(Shell) 구조물 제작 시 3차원 프린팅 활용 사례(출처:
K. Park and H. J. Lee, Proc. Global 3D Tech Forum Conf.,
2013)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지45 DK
3D Printing 기술의 금형산업분야응용
46 ● 기계저널
안 동 규 조선대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 3D Printing 기술의 금형산업분야 응용에 대해 소개하고자 한다.
1984년 Charles Hull에 의한 광조형(SL: Stereolithography) 공정이 개발된 후로 40종 이상의 쾌속조형및생산(RP&M: Rapid Prototyping & Manufacturing) 공정들이 개발되었다. 쾌속조형 공정은 그림 1과 같이 수직벽을 가지는 얇은 층을 적층하여 제품을 제작하는 얇
은 층 적층형 쾌속조형공정(Thin Layered RapidPrototyping Process)과, 측면에 경사각을 가지는 두꺼운층을적층하여제품을제작하는두꺼운층적층형쾌속조형공정(Thick Layered Rapid Prototyping Process)으로 분류할 수 있다. 상용화된 공정은 대부분 얇은 층
그림 1 쾌속조형 공정의 분류
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지46 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 47
적층형 쾌속조형 공정들이며, 대표적인 쾌속조형 공정들로는 광조형 공정, 융착조형(FDM: Fused DepositionModeling) 공정, 선택적 소결(SLS: Selective LaserSintering) 공정, 3차원 프린팅(3DP: Three-dimensionalPrinting) 공정, 박판 적층(LOM: Laminated ObjectManufacturing) 공정, 다중젯(Polyjet Process) 공정, 디지털 광원 처리(DLP: Digital Light Processing) 공정, 직접식 금속 레이저 소결(DMLS: Direct Metal LaserSintering) 공정, 레이저 활용 정형가공(LENS: LaserEngineered Net Shaping) 공정, 직접식 금속 적층(DMD: Direct Metal Deposition) 공정, DMT(Laser-aided Metal Rapid Tooling) 금속 3차원 프린팅공정, 선택적레이저용융(SLM: Selective Laser Melting) 공정 등이 있다. 쾌속조형 공정의 유사어로서 적층조형(AM:Additive Manufacturing) 공정, 입체 임의 형상 제작
(SFF: Solid Freeform Fabrication) 공정 및 적층 조형(LM: Layered Manufacturing) 공정등이있다. 2000년도 월러 보고서(Wohler’s Report)에서부터 쾌속조형공정의 적용 분야 중 그림 2와 같은 순수 엔지니어링, 견적, 제안서 등 순수가시화보조(Visual Aids) 분야에적용하기위하여사무실환경에빠른시간내에저가의 비용으로 가시화 제품을 제작하는 3차원 프린터(3D Printer)의 개념이 소개되기 시작하였다. 1세대 3차원프린터로는Objet, Genisys, Z40X series 및 Thermojet등을 들 수 있다. 2000년도 후반부터는 Mendel,Replicator2, Cube, Willybot, Edison 등 다양한 저가형개인용 3차원 프린터들이 개발되고 있다. 최근에는 각종매체를통하여 3차원프린터들에기존상용화된고가의쾌속조형공정들을포함하는통칭으로 3차원 프린터를각종매체에서소개하고있다. 이 글에서는 3차원 프
린팅공정제품들의적용분야로초기부터 적용되어 왔으며, 3차원 프린팅 공정과 제품 대량 생산을 연결시킬 수 있는 3차원 프린팅 기술의 금형 산업분야 적용에 대하여기술하고자한다.
3차원프린팅기술의금형산업분야적용방법
3차원 프린팅 기술을 금형산업분야에 적용하는 방식은 그림 3과같이 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 3차원 프린팅된 플라스틱 제품을 금형의 패턴(Pattern)으로 사용하여, 역전 공정(Reverse Process)으로 금형면에 3차원 프린팅된 제품의 표면 형상을 전사하여 간이형 플라스틱 금형이나 주조금형을 제작하는 간접
그림 2 3D Printer의 적용범위(출처 : Wholer’s Report 2000)
그림 3 3차원 프린팅 기술을 금형산업분야에 적용하는 방법
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지47 DK
3D Printing 기술의 금형산업분야응용
48 ● 기계저널
식 쾌속 툴링(Indirect Rapid Tooling) 방식이다. 두 번째는 금속을 레이저(Laser)나 전자빔(E-beam) 등 고에너지열원을이용하여직접절단및적층, 소결, 클레딩,용융시켜 금형을 직접 제작하는 직접식 쾌속 툴링(Direct Rapid Tooling) 방식이다.
간접식쾌속툴링기술을이용한금형제작
간접식 쾌속툴링 방식은 금형을 역전시키는 횟수에따라 1단 역전 공정(Single Reverse Process), 2단 역전공정(Double Reverse Process) 및 3단 역전 공정(TripleReverse Process)으로구분된다. 금형의역전횟수가증가할수록 패턴 형상 대비 금형 표면 형상의 정확도는감소하게 된다. 그러나 역전 횟수를 증가시킬 때마다기계적 물성이 우수한 금형 재료로 변경할 수 있어, 역전 횟수를 증가시켜 금형의 내구성을 증가시킬 수 있다. 표 1에서는 간접식 쾌속 툴링 방식을 이용한 금형제작방법의종류와특징을나타내었다.
1단 역전 공정에서는 3차원 프린터로 제작된 마스터패턴을 분리면 블록에 삽입한 후, 분리면 블록 위에 에폭시 등 금형 재료를 부어서 한쪽의 금형을 제작한다.그 후, 분리면 블록을 제거하고 제작된 반쪽 금형에 삽입된 마스터 패턴 상부에 금형 재료를 부어서 반대쪽금형을 제작한다. 1단 역전 공정에서는 분리면 블록이요구된다. 2단 및 3단 역전 공정에 비하여 금형의 정밀도가 우수하고 빠른 시간 내에 금형을 제작할 수 있는장점을 가지고 있다. 그러나 분리면 블록 제작을 위한작업자의 기술과 지식이 요구되며, 대부분의 1단 역전금형의 경우 제작 가능 제품수가 100-200여 개 정도로금형의 수명이 매우 제한적이다. 대표적인 1단 역전 공정으로는 케스트 에폭시 툴링(Cast Epoxy Tooling), 화학적 접착 세라믹 툴링(Chemically Bonded CeramicTooling), 케스트 고무 툴링(Cast Rubber Tooling), 금속 분사 툴링(Spray Metal Tooling), 전기 주조 툴링(Electroformed Tooling), 실리콘 고무 툴링(SiliconRubber Tooling) 등이 있다. 1단 역전 공정 중 상온 가
구분 장점 단점
Single
reverse
Double
reverse
Triple
reverse
주요 특징
•금형 제작을 위한 3차원 프린팅 된 마스
터 패턴이 필요함.
•분리면 블록(Parting line block)이 요구
됨.
•상/하 금형 제작을 위한 각각의 3차원 프
린팅 된 마스터 패턴이 필요함.
•금형을 만들기 위해 중간 금형(Cast
reverse)이 필요함.
•1차 모형 금형(Dummy mold)를 제작하
기 위한 1단 역전 공정이 필요함.
•1차 모형 금형을 사용하여 2단 역전 공정
으로 상/하형 금형을 각각 제작함.
•금형을 만들기 위해 상/하 금형에 대한 중
간 금형(Cast reverse)이 각각 필요함.
•우수한 정밀도
•빠른 제작성
•우수한분리면매칭
•1단 역전 금형 보
다 내구성이 우수
한 재료를 사용할
수 있음.
•내구성이 우수한
금형을 제작할 수
있음.
•분리면 블록 제작을 위한 기술이 요
구됨.
•분리면 결정을 위한 지식이 요구됨.
•수명이 제한적임.
•상/하 금형 각각에 대한 CAD 모델
과 마스터 패턴이 필요함.
•다중 주조 시 비용이 많이 소요됨.
•추가적인 역전에 의하여 정밀도가 감
소함.
•초기 형상 대비 금형 형상의 변형이
발생할 수 있음.
•분리면을 맞추기 위한 추가적인 작업
이 필요함.
•케스트 에폭시 툴링
•화학적 접착 세라믹 툴링
•케스트 고무 툴링
•금속 분사 툴링
•전기 주조 툴링
•실리콘 고무 툴링
•퀵케스트 툴링
•케스트 커크사이트/
알루미늄 툴링
•쇼우 공정
•켈툴 공정
주요 공정
표 1 간접식 쾌속 툴링 방식을 이용한 금형 제작 방법 및 특징
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:47 AM 페이지48 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 49
황 현상(RTV: Room Temperature Vulcanization)을 이용한 실리콘 진공 주형 금형(Silicon Vacuum Mould)은100-200개 정도의 플라스틱 제품을 생산할 수 있으며,최대 자동차 범퍼 크기의플라스틱제품을제작한예가보고되고있다. RTV 실리콘툴링공정의경우 3차원 프린터로제작된마스터패턴이있으면거의 24시간 내에실리콘 금형을 제작할 수 있다. 이 실리콘 금형을 진공로에 넣고 플라스틱 재료를금형내부로삽입하면실리콘 금형내부의진공압에의하여플라스틱재료가금형의 케비티 내를 채우게 되고, 일정 시간 경화를 시키면플라스틱제품을제작할수있다. 2단 역전 공정에서는 상/하 금형에 대한 마스터 패턴을 각각 제작한 후, 각각의 마스터 패턴 위에 중간 금형(Cast Reverse) 재료를 부어 상/하 금형에 대한 중간 금형을각각제작한다. 그 후 각각의 금형 형상에대한마스터 패턴을 제거하고 각각의 중간 금형들을 역전시킨다. 최종적으로 각각의 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를 부어서 상/하형의 금형을 제작한다. 2단 역전 공정의 주요특징은 상/하 금형 제작을 위한 2개의 3차원프린팅된마스터패턴과 2개의중간금형들이요구되는것이다. 2단 역전 공정은 1단 역전 금형보다 내구성이우수한 재료를 최종 금형에 적용할 수 있어 금형의 내구성을 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나상/하 금형 각각에 대한 CAD 모델과 마스터 패턴이 요구되고 1차주조시는비용이다소저렴한편이다. 다중주조 시 비용이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 대표적인 2단 역전 공정으로는 퀵케스트 툴링(QucikcastTooling) 공정을들수있다.
3단 역전공정은상/하 금형에대한 1차 모형 금형(Dummy Mold)을제작하기위한 1단 역전 공정과상/하 금형 각각을 제작하기 위한 2단역전 공정으로 구성된다. 상/하 금형에 대한 1차 모형 금형을 제작하기 위한 1단 역전 공정에서는 마스
터 패턴으로부터 분리면 블록을 제작하고, 이 분리면블록에 마스터 패턴을 삽입한다. 그 후, 분리면 블록과마스터패턴상부에 1차모형금형재료를부어서한쪽면 1차 모형 금형을 제작한다. 분리면 블록을 제거하고마스터 패턴이 삽입되어 있는 반쪽의 1차 모형 금형 상부에 1차 모형 금형 재료를 다시 부어서 상/하 금형에대한 1차 모형 금형을 제작한다. 상/하 금형에 대한 각각의 1차 모형 금형들의 상부에 중간 금형 재료를 부어서 상/하 금형의 중간 금형을 제작한다. 그 후, 중간 금형을 역전시키고 중간 금형 상부에 최종 금형 재료를부어서 최종적인 상/하 금형을 독립적으로 제작한다. 3단 역전 공정의 주요 특징은 상/하 금형에 대한 1차 모형금형들과 1차모형금형들을이용한상/하금형에대한 중간 금형이 제작되는 것이다. 3단 역전 공정에서는계속되는역전 공정을통하여금형재료를내구성이우수한 재료로 변경시킬 수 있어, 금형의 내구성을 현저히 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 추가적인 역전 공정들에 의하여 금형의 형상 정밀도가 감소할 수있으며, 금형의 변형이 발생할 수도 있다. 또한, 반복되는 역전 과정 중에서 분리면을 맞추기 위한 추가적인작업이 요구되는 단점이 있다. 대표적이 3단 역전 공정으로는 케스트 커크사이트/알루미늄 툴링(CastKirksite/ Aluminum Tooling) 공정, 쇼 공정(ShawProcess), 켈툴공정(Ketl-Tool Process) 등이있다. 그림5는 3단 역전 공정 중 한 가지 방법으로 조선대학교에서연구를수행한 RTV 실리콘몰딩과정밀주조공정을혼합한알루미늄금형제작공정이다.
그림 4 상온 가황 실리콘 고무 툴링 공정 예(한국, KAIST)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지49 DK
3D Printing 기술의 금형산업분야응용
50 ● 기계저널
직접식쾌속툴링기술을이용한금형제작
직접식쾌속툴링방식에서는 3차원형상에 대한 적층 경로에 따라 고에너지 열원으로금속재료를직접절단및적층, 소결, 클레딩, 융착하여 금형을 직접 제작한다. 그러므로 간접식 금형 제작 방식에서 소요되었던 패턴의 제작과 이 패턴을 이용한 역전공정에 소요되는 시간과 비용이 소요되지않는다. 그림 6은 금형 제작에 적용된 직접식 쾌속 툴링 공정들을 기반 공정별로 분류하여 나타내었다. 적층부 표면의 측면 단차(Stair Step)가 발생과 적층부의 수축 및 내부 잔류응력에 의한 금형 후변형 등에 의하여 직접식 쾌속 툴링 공정으로 제작된 금형을 실제 제품 생산에 적용하기 위해서는 금형면의 후가공(Post-processing)이 필수적으로 요구된다. 또한, 직접식 툴링 공정으로 금형 전체를 제작할 경우, 기계가공으로금형을 제작하는 시간보다 제작시간이 증가하게 된다. 이러한 문제점들을 해결하기위해서 금형의 기저부는 기계가공으로 생성하고 기능성을 가진 금형 형상부는 직접식 쾌속툴링 공정으로 적층한 후, 금형면의최종 형상은 후가공 공정을 이용하여 생성하는 하이브리드 쾌속툴링(Hybrid RapidTooling) 공정에대한연구가폭넓게진행되고있다.하이브리드 쾌속툴링 공정이 개발된 초기에는 이 공정을 이용하여박판성형금형 및 사출성형금형을직접제작하는연구가많이수행되었다. 그러나 최근의하이브리드쾌속툴링공정이사출성형금형에적용 예는 그림 7과 같은 형상적응형 냉각채널(Conformal coolingchannels)을 가진 균일 냉각 사출성형 금형과 경사기능재료(FGM: Functionally Graded Material) 개념을 이용
한 균일/고속 냉각 금형인 열전도 사출성형 금형(Thermal Conductive Mould)을 들 수 있다. 이 금형들의 경우 균일 냉각을 통하여 사출성형 제품의 변형을최소화하고냉각 시간감소를통한 사출성형공정의생산성 향상을 도모할 수 있다. 하이브리드 쾌속툴링 공정이 박판성형 금형에 적용된 예는 핫 스템핑(HotStamping) 금형의 균일/고속 냉각을 유도하기 위한 형상적응형 냉각채널을 가진 핫 스템핑 금형, 고장력 강
그림 5 3단 역전 공정 예(한국, 조선대학교)
그림 6 직접식 쾌속 툴링 공정의 분류
그림 7 형상적응형 냉각채널을 가진 사출성형 금형과 열전도성 금형 예(한국,
조선대학교)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지50 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 51
판의 성형용 박판성형 금형의 수명향상을 위한 하드페이싱된 박판 성형 금형 및 기존 금형의 국부적 형상 변화를 통한 중/대형 금형의 재생산(Remanufacturing) 등이 있다. 열간단조/열간압출등 열간 체적 성형 금형과다이케스팅금형 분야에공동으로적용할수 있는하이브리드 쾌속툴링 공정 기술은 그림 8과 같은 열간 체적금형과다이케스팅금형의고온수명을향상시킬수있는 하드페이싱 기술을 들 수 있다. 하이브리드 쾌속툴링공정이사출성형금형, 박판성형금형, 체적성형금형 및 다이케스팅 금형에 모두 적용될 수 있는 응용 기술로는금형보수(Restoration) 기술이있다.
맺음말
플라스틱 재료를 이용한 3차원 프린팅 기술은 역전공정을 기반으로 한 간접식 쾌속툴링 공정을 이용하여금형 제작에 적용될 수 있다. 간접식 쾌속 툴링 공정은1단 역전, 2단 역전 및 3단 역전으로 분류할 수 있으며,역전 횟수가 증가할수록 제품/금형의 정밀도는 감소하나 금형의 내구성을 증가시킬 수 있다. 금속/초합금 등의 재료를 사용하여 3차원 프린팅 공정으로 기능성 제품/금형을제작하는직접식쾌속툴링공정을금형제작에 적용할 경우, 간접식 금형 제작 방식에서 소요되었던 패턴의 제작과 이 패턴을 이용한 역전 공정에 소요되는 시간과 비용이 거의 소요되지 않는다. 이러한 이유로 직접식쾌속툴링공정의경우추후 활발한적용이예상된다. 또한 직접식 쾌속툴링 공정을 이용할 경우형상적응형 냉각채널을 가진 균일 냉각 사출성형 금형,균일/고속 냉각 금형인 열전도 사출성형 금형 및 균일/고속 냉각 특성을 가진 핫 스템핑 금형의 제작과 금형재생산및금형보수등을수행할수있다. 추후 직접식쾌속툴링 공정의 금형 분야 적용 기술의 경우 금형의기능성, 생산성 및 내구성을 향상과 관련된 연구 개발이지속될것으로사료된다.
그림 8 하드페이싱이 적용된 금형 예(한국, 조선대학교)
기계용어해설
입자속도분포검출기(Particle Velocity Profiler) 유로 내의 입자의 속도분포를 검출할 수 있는 감지기
자외선조사(UV Irradiation)폴리머에 자외선을 조사하면 폴리머를 구성하고 있는 공유결합이 끊어져 폴리머의 특성이 변하게 되는데, 이에대한 내구성을 평가하기 위하여 일정한 시간 동안 계속적으로 자외선을 조사하는 실험
조립하중(Assembly Load)볼트의 체결로 인하여 발생하는 하중
진공차단기(Vacuum Circuit Breaker: VCB)진공을 이용하여 평상시에는 전류가 통하고, 회로 이상으로 인해 고장전류 발생 시에는 전류를 차단시켜, 전력계통 및 계통 내의 주요 기기들을 보호하는 절연매질로 된장치
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지51 DK
3D Printing 기술의 바이오분야응용
심 진 형 포스텍 쾌속조형기반 조직/장기 프린팅 연구단 연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
윤 원 수 한국산업기술대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 최근 산업분야에서 각광받고 있는 3D Printing 기술의 바이오분야에의 적용 사례와 앞으로의 발전 가능
성에 대해 소개하고자 한다.
52 ● 기계저널
최근 들어 대중들의 뜨거운 관심을 받고 있는 3DPrinting 기술은 복잡한 3차원 형상을 적층 제조 기법을통해 생산하는 생산제조 기술 중 하나로서, 2013년 2월미국 오바마 대통령 국정연설에서 제조 방식의 혁신을가져올 기술로 소개되며 주목을 받았고, 영국의 이코노미스트(Economist) 지는 3D Printer가 내연기관과 컴퓨터에 이어 3차 산업혁명을 이끌 기술 중 하나로 소개하였다. 이러한 3D Printing 기술은 기존 생산제조 기술에서널리사용되는CAD/CAM 기술을기반으로기존생산제조기술에비해내/외부 구조가좀더복잡한 3차원 형상을 비교적 간단하게 제작할 수 있다는 장점을 가지고있다. 이러한 제조 기술의 특성상 바이오 메디컬 분야에서 그활용 가치가 높게 평가되고 있다. 인간의체내조직및장기는사람마다 조금씩 서로 다른 형상을 지니고 있기 때문이다. 따라서, 향후 개인 맞춤형 의료기기 시장의 핵심 제조 기술의 하나로 3D Printing 기술이각광을받고있다. 지금부터 3D 프린팅기술의 바이오메디컬 분야로의적용 사례 및 앞으로의 발전 가능성에대해소개하고자한다.
3D 프린팅기술의바이오분야해외적용사례
해외의 3D 프린팅 기술의바이오분야로의적용은매우 활발히 진행되고 있다. 이미 임상적용에 성공하여생명을 살린 경우도 보고되었고, 상품화에 성공하여 큰수입을 일으키고 있는 사례도 보고되고 있다. 그 사례를자세히살펴보도록한다.
▶아이의생명을구한 3D 프린터
미국 미시간 대학 병원의 의료진과 공대 연구진은3D Printer를 활용하여 희귀 장애로 호흡 곤란을 겪던
그림 1 (a) 수술 후 카이바 모습, (b) MRI를 통한 병변부위 분석, (c) 3D Printing으로 제
작한 기도 부목, (d) 수술 후 결과
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지52 DK
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 53
아기의 생명을 구했다고 보도하였다. 세 살 아기인 카이바는‘기관지연골연화증’을 겪으며 숨만 쉬어도 기도벽이 무너져 내려 생명에 위협을 받고 있었다. 이러한 카이바에게 미국 미시간 대학의 공동연구진은 아이의기도 형상을 MRI로 촬영해 분석한 뒤, 3D 프린팅 기술로 맞춤형 기도 부목을 제작하였다. 이 기도 부목은생분해성 고분자인 Polycapro Lactone으로 제작되어 3년 후 분해되어없어지도록설계되었다. 카이바의수술은대성공이었다. 제작한 부목주변으로새로운조직이생성되었고, 이제는 스스로 정상적인 호흡을 할 수 있게되었다. 수술후 1년동안카이바는건강하게성장하였고, 이 결과는 2013년 5월 The New England Journalof Medicine에 소개되었다. 이 사례는 대표적인 3D 프린팅기술이바이오분야에서이룬쾌거라할수있다.
▶두개골재건용프린터
영국의‘Oxford Performance Materials’라는 회사에서는 의료용 임플란트에 이용되는 고성능 폴리머(Polyethere theketone (PEEK), polyether ketone(PEK), polyke tones)를 판매하고 있으며, 더욱이 이를이용하여‘Osteofab’이라는 환자 맞춤형 두개골 지지체를 3D Printing으로 제작하는 데 성공하였다.‘Osteofab’은 2013년 2월에미국인남성환자의두개골모양에 75% 맞게 모델링하고 3D printing하여 미국 식품의약국(FDA)의 승인을획득한바있다.
▶ 3D 프린팅투명교정기
미국의‘얼라인테크놀러지(Align technology)’사에서는환자 맞춤형 투명교정기인‘인비절라인’을 개발하여 판매 중이다. 기존의 치아 교정기는 금속의 철사가 드러나는 형태로인해 환자는 교정 기간 동안 심미적 불편함을 감수하여야 했
다. 그러나 얼라인테크놀러지 사의 투명교정기는 투명한 재료를 이용하여 3D 프린팅함으로써 외관상 표시가나지 않는 장점과 함께 환자의 부정교합 정도에 맞춘환자 맞춤형 치아 교정기를 제공한다. 이를 통해 전 세계 250만명이상의부정교합환자들이치료를받았다.
▶ 3D 프린팅보청기
덴마크의 글로벌 보청기기업인 오티콘에서는 3D 프린터를 이용한환자맞춤형보청기를발표하였다. 귓속모형을 3D 스캐너로 스캔한 후 이를 3D 프린터로 제작하였다. 이러한 보청기는 고객의 귓속 모형을 3D 데이터화하는 까닭에 인체공학적이고 편리할 뿐만 아니라,보청기 제작 전 3D 가상 시뮬레이션을 통해 부품들을배치할 수 있어 보다 작은 크기의 보청기 제작도 가능하게하였다.
그림 3 3D 프린팅 기술로 제작된 투명 교정기 형태와 환자 착용 사례
그림 2 미국 FDA 승인을 획득한 환자맞춤형 두개골 재건용
인공지지체‘osteofab’
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지53 DK
3D Printing 기술의 바이오분야응용
3D 프린팅기술의바이오분야국내적용사례
해외의 활발한 적용 사례에 비해 국내의경우는아직시작단계이며, 아직그사례가다양하지 못하다. 그러나 최근 괄목할만한사례도보고되고있어, 주목해볼필요가있다고판단된다.
▶국내최소3D 프린터활용암수술성공
삼성서울병원 이비인후과 백정환 교수팀은 국내 최초로 부비동암 수술에 3D 프린터를 이용함에 따라 수술 후 발생할 수 있는 안면부 함몰 및 비대칭 부작용 가능성을최소화할 수 있었다. 백 교수팀은 부비동암수술이필요한환자의안면부 CT 데이터를 기반으로 미리 환자의 안면골 상태를 그대로 반영한 골격 모형을 3D 프린팅 기술로 제작한 후, 그 모형을 토대로 가상 수술시뮬레이션을 수행하여 수술 계획을 사전에 논의할 수 있었다. 그로 인해 수술 중 예상되는 얼굴 골격 절제 범위를 미리 확인할수 있을 뿐 아니라, 절제 부위의 뼈의 두께,절제 방향의 중요 구조물 등을 실시간으로확인하며 수술할 수 있었다. 일반적으로 기존의 CT 등 영상자료에만 의존해 수술할 경우 얼굴 골격을 정확히 확인하기 힘들어 수술 과정에서 부정교합이 발생하고, 또 시간이 지나면 심각한 비대칭으로 이어질수있다.
▶ 3D 프린터로 만든 기도 지지체 6세 소년에 이식
성공
서울성모병원성형외과이종원교수, 이비인후과 김성원 교수, 포스텍 기계공학과 조동우 교수로 이루어진연구팀이 코 없이 태어난 6세 몽골 소년‘네르구이’에
게 3D 프린팅기술을이용하여코로숨을쉴수있게해주었다. 서울성모병원 의료진은 먼저 코 없이 태어난소년에게 18시간에 걸친대수술끝에코를재건해주고콧구멍을 뚫어주었다. 그러나 성공의 환희도 잠시, 뚫어 놓은 콧구멍의 구강 점막이 쪼그라들어 다시 막혔다. 막힌 콧구멍을 다시 뚫어주지 않으면 수술이 실패로 돌아갈 수도 있었다. 이때, 새로운 콧구멍의 폐쇄를막기 위한 맞춤형 지지체가 필요하였고, 기존 상용화된제품으로는 그 기능을 대체할 수 없었다. 이를 위해 포스텍 연구팀은 네르구이에게 맞춤형 기도 지지체를 3D
54 ● 기계저널
그림 4 오티콘 사의 3D 프린팅 기술로 제작된 맞춤형 보청기
그림 5 국내 처음으로 외과 수술에 활용된 3D 프린팅 모형(왼쪽)과 수술을
집도한 백정환 교수
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지54 DK
프린팅기술을이용하여제작해주었다. 이렇게 제작된기도 지지체는 원하는 대로 이식될 수 있었고, 기도는유지되어 점막 조직 재생에 성공하였고, 네르구이는 태어나서처음코로스스로숨을쉴수있게되었다.
3D 프린팅기술의바이오분야로의적용에관한미래전망
위의 국내·외 사례들을 통해 확인할 수 있듯이, 3D프린팅 기술의 바이오 메디컬 분야로의 적용 가능성은매우무궁무진하다할수있다. 따라서, 향후 3D 프린팅기술이 가져올바이오메디컬분야의미래를전망해보
고자한다.
▶세포/조직/장기프린팅시대
고령화사회가도래함에따라, 장기수급불균형의문제는 사회 문제로까지 대두되고 있다. 해를 거듭할수록장기 이식 대기자수는 증가하는 추세를 보이고 있으며,반면 장기 기증자의 수는 답보 상태에 있다. 이러한 문제의 근본 해결책으로서 조직 및 장기의 재생을 가능케하는 조직공학이 각광을 받고 있으며, 더욱이 세포 및조직/장기를 직접 프린팅하는개념인바이오프린팅 기술은많은사람들의관심을끌고있는분야이다. 바이오프린팅 기술은 살아있는 세포를 원하는 형상 또는 패턴
2014. 4., Vol. 54, No. 4 ● 55
그림 6 환자 수술 전후 사진(왼쪽), 기도 지지체 제작 과정(가운데), 수술 성공 후 환자와 연구진이 함께 찍은 사진(오른쪽)
그림 7 바이오 프린팅 개념도(왼쪽) 및 실험을 통해 보여진 프린팅된 세포의 조직으로의 생성 가능성(오른쪽)
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지55 DK
3D Printing 기술의 바이오분야응용
56 ● 기계저널
으로적층하여조직이나장기를제작하는 3D 프린팅기술의한분야로장기프린팅분야에적용될수있다.이러한 바이오프린팅의가능성을확인한사례로, 미국의 웨이크 포레스트 대학의 James Yoo 교수팀에서는 화상 환자의 피부에 직접 세포를 프린팅할 수 있는3D 프린터 개발연구를미국국방부연구과제(AFIRM)를 받아 수행하고 있다. 이 프린터의 개념은 전쟁터에서 전투 중 화상을 입은 환자의 피부를 레이저로 스캔하여 손상된 정도를 파악한 후, 손상된 정도에 따라 그에 맞는 세포를 층층이 프린팅 해주는 프린터 개발을목표로 한다. 이를 통해 살아있는 세포가 포함된 피부를 프린팅할 수 있는 프린터의 개발이 멀지 않았음을알수있다.
3D 프린팅기술의바이오분야로의적용에관한향후과제
이러한 3D 프린팅 기술의바이오분야로의적용과관련하여 장밋빛 전망만 존재하는 것은 아니다. 기존의제도 안에서 생각해 보아야할 과제도 산적해 있다. 먼저 3D 프린팅 기술로 제작된 의료기기 제품의 충분한안전성 검증이 필수적이다. 특히 인체 내에 삽입되는
인공지지체의 경우 면밀한 안전성 검증 절차가 동반되어야 한다. 또한 관련 제도의 개선 또한필수적이다. 앞서 언급하였듯이3D 프린팅 기술은 환자 개인 맞춤형 의료 시장에 상당한 가능성을 지니고 있다. 또한 그 시장의 가치도 대단히 크다고 판단
된다. 그러나 현재까지 환자 개인 맞춤형 의료시술에대한 관계 제도가 제대로 확립되어 있지 않은 실정이다. 따라서, 고부가 가치 시장이 될 전망이 큰 환자 개인맞춤형의료시술에대한 관계 제도를서둘러개선할필요가있다.
맺음말
최근 혁신 제조 기술로 불리는 3D 프린팅 기술의 바이오메디컬분야로의가능성은매우크다고판단된다.따라서, 고부가가치 산업 중 하나인 바이오 메디컬 분야에서의 3D 프린팅 적용을 통한 새로운 가치 창출을위한 준비를 지금부터라도 철저히 해야 할 것이다. 이를 위해 대학 및 교육 기관에서는 관련 인력 양성에 힘써야 할 것이며, 관계 정부 부처에서는 정책적 장려 및지원을 아끼지 않아야 할 것이다. 우리나라는 세계 최고수준의 ICT 및 제조 기술 인프라를 보유하고 있으며,우수한 보건의료분야 인재를 확보하고 있다. 따라서,바이오 메디컬 분야에서의 3D 프린팅 기술은 국제적경쟁력을 선점할 수 있을 것으로 예상되며, 앞으로의행보를눈여겨봐야할것이다.
그림 8 (a) 피부 프린터 개념도, (b) 피부 프린터의 프로토타입
3저널(4월호).ok 2014.3.31 9:48 AM 페이지56 DK
