3D Systems 의 도움을 받아 제조 규모를 확장하는 보철 회사 

Point Designs은 손 부분 보철 디자인 분야의 혁신 기업으로서, 적층 제조(AM), 기계 설계, 임상 진료를 결합해 견뢰도가 뛰어난 인공 손가락 솔루션을 제공합니다. 콜로라도 대학의 바이오메카트로닉스 개발 연구소(Biomechatronics Development Laboratory) 출신 연구자들이 설립한 Point Designs는 자사 제품에 대한 수요가 회사 역량을 능가하게 되자 제조 지원이 필요하게 되었습니다. Point Designs는 3D Systems를 생산 파트너로 선택하여 그 공급 문제를 해결하고 자사 제품 개발 프로세스를 향상시켰습니다. Point Designs는 3D Systems 전문가들과 긴밀히 협업하며 단 6개월 안에 스틸에서 티타늄으로 전환하고, 워크플로우 효율을 높이고, 가치 있는 지식을 확보하여 자사 포트폴리오를 강화할 수 있었습니다. 

 

"3D Systems와 일하면서 실제로 우리 회사의 설계 프로토콜을 개선했습니다. 3D Systems에서 제공한 새로운 시각과 지식을 통해 대량 3D 프린팅에 맞게 우리 설계를 최적화하여, 후처리 방법을 개선하고, 각 빌드 플레이트에서 나오는 고정밀 부품의 수율을 높일 수 있었습니다."

- Levin Sliker (Point Designs CEO)

 

 

<도전 과제>

손 부분 보철 부품의 AM 생산 규모 확대  

일찍부터 콜로라도 대학 연구소 자원을 이용할 수 있었던 Point Designs는 처음부터 3D 프린팅을 염두에 두고 자사 Point Digit 솔루션을 만들었습니다. 그러나 솔루션의 인기가 커지면서 Point Designs는 역량을 느리는 데 도움을 줄 파트너가 필요해졌습니다. 의료기기 제조 실적, 고품질 전문성, 반복 가능한 티타늄 프린팅, 경험으로 얻은 AM 기술과 공정에 대한 지식을 보고 Point Designs는 3D Systems로 정했습니다. 두 회사가 함께 Point Digit 솔루션을 티타늄으로 바꾸고, 출시 시간을 단축하고, 기능적으로나 미적으로 최적화된 제품 부품을 구현하게 되었습니다. 

 

 

 Point Design에서 사용하는 핵심 AM 구현 기능 하나는 라이브 힌지인데, 그 자리에서 

 조립품으로 바로 프린팅하기 때문에 보다 자연스러운 동작을 위한 회전이 가능합니다.

                  

 

솔루션

01 협업을 통해 적층 제조에 맞는 디자인으로 개선

 

Point Designs는 자사 Point Digit 솔루션을 설계할 때 제 자리에서 바로 유기적 형상, 반중공 구조, 조립체를 만들어 적층 제조용 디자인(DfAM)의 이점을 활용했습니다. 이 유형의 피처는 AM으로만 가능한데 부품을 의도한 기능에 맞게, 더 가벼운 중량으로, 더 적은 조립품으로 설계할 수 있어 많은 기업이 이 기술을 사용하는 것입니다. 그렇지만 3D 프린팅을 성공적으로 해내기가 어렵습니다. 특히 완성품에 엄격한 공차를 요하는 정밀 구조가 들어갈 때 더욱 그렇습니다. Point Designs의 CEO Levin Sliker는 자사 팀에서 3D Systems와 일하면서 프린팅 프로세스에 최적화되도록 설계를 개선할 수 있었다고 말합니다. 

 

Point Designs에서 사용하는 핵심 AM 구현 기능 하나는 라이브 힌지인데, 그 자리에서 조립품으로 바로 프린팅하기 때문에 보다 자연스러운 동작을 위한 회전이 가능합니다. Sliker는 힌지 구성품은 작을 뿐만 아니라 그 안에 구성품도 있기 때문에 이 조립품을 제 자리에서 프린팅할 수 있는 것이 엄청난 장점이라고 말합니다. Sliker는 “다른 방식으로는 조립하기가 불가능하거나 어려울 것입니다. 시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라 정말 작은 부품들을 계속 주시해야 합니다. 라이브 힌지는 모든 것을 제자리에서 프린팅하기 때문에 조립과 제조가 매우 간소화됩니다.

 

 

02 대량 생산용으로 최적화된 프린트 전략 협의

 

제품 출시까지의 기한이 얼마 남지 않은 상황에서 Point Designs는 3D Systems와 작업을 시작하던 당시, 특히 부품 방향을 정하는 데 있어서 디자인과 관련하여 해결해야 할 문제가 몇 가지 있었습니다. Point Designs는 최종 부품의 필수 치수와 여유 없는 공차를 고려해 기존 빌드 방향을 선택했습니다. 그러나 이 방향은 대량 생산용으로는 적합하지 않았습니다. 3D Systems와 Point Designs는 함께 훨씬 더 많은 부품을 단일 빌드에서 프린팅하면서 다운스트림 공정도 고려할 수 있는 새로운 프린트 전략을 고안해냈습니다. 두 회사는 중요한 표면에 흠집이 나지 않도록 쉽게 제거할 수 있는 지지 구조물과 이러한 표면에 원하는 마감을 구현할 수 있는 기법을 함께 생각해냈습니다.

 

  

  Point Design에 3D Systems 와 Point Designs 는 함께 훨씬 더 많은 부품을 단일 빌드에서 프린팅하면서 

  다운스트림 공정도 고려할 수 있는 새로운 프린트 전략을 고안해냈습니다.

"부품을 다른 방향으로 배치하면서 단일 빌드 플레이트에서 생산할 수 있는 부품의 수가 두 배로 늘었습니다."

- Levin Sliker (Point Designs CEO)

 

 

03 고급 티타늄 소재로 전환

 

Point Designs는 제조 파트너를 모색할 때 역량을 가장 우선으로 보았습니다. Sliker는 3D Systems를 선택하면서 티타늄을 보너스로 얻었다고 말합니다. 그러나 Point Designs만 혜택을 본 것은 아닙니다. Jeff Soelberg는 Point Digit 솔루션의 최종 사용자로서, 스틸 버전과 티타늄 버전을 모두 착용해보았습니다. 신소재로 무게가 30% 감량되면서 그 차이를 바로 느낄 수 있었습니다. Soelberg는 스틸 기기를 착용할 때는 소형 웨이트를 들고 다니는 느낌이었는데 “티타늄으로 바뀌면서 훨씬 더 가볍고 자연스럽게 느껴진다”고 말했습니다. 

 

무게 감량 외에 강도, 내구성, 간편한 세척 때문에 이 기기의 소재와 디자인도 최종 사용자들로부터 긍정적인 피드백을 많이 받고 있습니다. 사용자들은 손가락을 사용하는 어느 환경에서나 이 기기를 착용할 수 있습니다. Soelberg는 연습을 통해 사고 전에 했던 활동의 95%를 회복하고 있다고 말했습니다.

소재를 전환하는 과정에서 3D Systems는 향후 프로젝트에 활용할 노하우를 공유하며 Point Designs가 티타늄 특유의 문제를 탐색하도록 도왔습니다. 그 중에서도 티타늄의 수축률을 고려한 설계에 관한 도움을 주었습니다. Sliker는 “3D Systems 팀과 함께 일하면서 기존 제품과 향후 제품의 설계 프로세스를 크게 개선하여 다음 제품은 구현하기가 더 쉽고 고정 설계 파일을 대량 생산에 바로 사용할 수 있게 되었다”고 말했습니다.

티타늄 Point Digit 2.0 솔루션은 3D Systems의 DMP(direct metal printing) 기술과 산소 수치가 동급 최고인(<25 ppm) LaserForm Ti Gr23(A) 소재 그리고 불활성 프린팅 대기를 사용하여 프린트하기 때문에 화학 순도가 높고 반복 정확도가 뛰어난 매우 단단하고 정확한 부품을 보장합니다. 부품당 동일한 디지털 데이터 패키지 사용을 통해, 23D Systems 기계는 전역적 오프셋 없이 모든 DMP 기계에서 동일한 결과를 전달함으로써 생산의 확장성을 가능하게 합니다.

 

 

04 조립 공정 절감

Point Design가 3D Systems로부터 프린트된 부품을 받으면 Point Designs

팀이 상용 및 맞춤 부품을 함께 사용하여 조립합니다.

 

Point Designs와 3D Systems 가 함께 4개 제품을 만드는데 각각 여러 개의 3D 프린팅 부품으로 구성되며, 크기가 다양해 총 17개의 SKU와 107개의 고유 부품을 만들 수 있습니다. Point Designs가 3D Systems로부터 프린트된 부품을 받으면 Point Designs 팀이 상용 및 맞춤 부품을 함께 사용하여 조립합니다. 조립 후 Point Designs 에서 제품을 보장구사에게 전달하면 보장구사가 각 사용자의 맞춤 보철 소켓을 만듭니다.

 

Sliker는 “3D Systems의 Application Innovation Group에서 자체 기술을 사용하는 프린팅을 완벽하게 지원할 수 있다는 사실이 우리에게 정말 큰 도움이 되었습니다. 3D Systems가 자사 기기의 능력에 정통하다는 것은 업계에서 잘 알려진 사실이며, 덕분에 이 협력 관계가 성공할 수 있었다”고 말합니다.

 

공급 문제 해결과 관련하여 Point Designs에서 사업 개발 전문가로 일하는 Griffin Drye는 3D Systems와 함께 일한 후 업체들이 신뢰할 수 있는 생산 속도 체계를 갖추게 되었고 Point Designs는 제품을 제 때 납품하지 못하는 경우가 없어졌습니다. 이는 정말 의미 있고 기분 좋은 성과라고 말합니다. 이것이 가능했던 것은 Point Designs와 3D Systems의 솔직하고 긴밀한 의사소통을 통해 상대가 정확히 예측하고 계획하는 데 필요한 시간을 서로 공유했기 때문입니다. 1등급 의료기기인 Point Digit 2.0이 성공적으로 출시되고 지금 Point Designs는 3D Systems 전문 기술을 활용할 다른 수 많은 보철 제품을 계획하고 있습니다.

 

 

<결과>

대량 티타늄 프린팅으로 빠르고 원활하게 전환

 

- 30% 무게 감소 : 최종 사용자 경험 개선                                                      

- 고급 DfAM 노하우 : AM 전문가들의 지도

- 기간 : 6개월 내 제품 출시 가능

Alpine F1 팀은 금속 적층 제조(AM)를 통해 최소화된 점유 공간 안에 전체 기능을 담은 티타늄 유압 어큐뮬레이터 (Hydraulic Accumulator) 를 생산하여 자사 자동차의 성능을 높였습니다. 

레이싱 Alpine F1 팀은 직접 금속 프린팅(DMP) 기술을 선택하여 복잡한 부품을 생산하였습니다.

 

 

“부품 자체에 필요한 정확도는 물론 이너터 코일의 유체 청결도 요건도 매우 엄격한데 이것은 3D Systems와 협력할 때만 충족할 수 있습니다. 그 독점 청정 공정은 고성능 용도에서 내부 채널이 복잡해도 구성품에 입자가 생기지 않는 우수한 실적을 기록한 바 있습니다.” 

- Pat Warner (Alpine F1 팀의 고급 디지털 제조 담당자)

 

고급 설계와 제조로 성능 개선 촉진

 

자사 자동차를 지속적으로 개선하는 Alpine F1 팀은 매우 짧은 반복 주기로 작업하며 성능을 최대한 높이고 조정합니다. 계속해서 제한된 공간 내에서 작업하고, 부품 무게를 최대한 줄이고, 계속 달라지는 규정을 준수해야 하는 어려움이 있습니다.  

 

3D Systems의 Application Innovation Group(AIG) 전문가들이 Alpine F1 팀에 기능 중심의 까다로운 내부 구조를 지닌 복잡한 코일 구성품을 티타늄으로 만들 수 있는 노하우를 알려주었습니다. 적층 제조를 사용하면 고도로 복잡한 부품을 짧은 리드 타임에 공급하여 단시간에 혁신을 구현해야 하는 어려움을 극복할 수 있습니다. Alpine F1 Team의 유압 어큐뮬레이터 같은 부품은 설계 복잡도가 높고 청결도 요건이 엄격하기 때문에 부품을 제대로 만들려면 추가 AM 전문성이 있어야 했습니다.  

 

01. 제한된 공간에 복잡한 기능 구현

 

어큐뮬레이터, 특히 유체가 뒤쪽에서 움직이는 이너터 코일을 위해 Alpine F1 팀은 하드 라인 댐퍼를 설계했습니다. 이것은 기어박스 메인 케이스 안쪽의 리어 서스펜션 시스템에 있는 리어 히브 댐퍼의 부품입니다. 길고 단단한 튜브에 속하는 어큐뮬레이터는 압력 변동이 평균이 되도록 에너지를 저장하고 방출하는 일을 합니다. 따라서 라인 댐퍼의 성능은 내부 체적과 관련성이 있기 때문에 구성품 길이와 관련성이 있습니다. 

Alpine F1 팀은 적층 제조를 통해 감쇠 코일 길이를 최대화하면서도 제한된 공간 안에 전체 기능을 담을 수 있었습니다. Alpine F1 팀에서 고급 디지털 제조를 담당하고 있는 Pat Warner에 따르면, 다른 방법을 사용하면 최종 설계를 생산하기가 불가능할 것입니다. “우리는 체적 효율을 최대한 높이고, 인접 튜브 사이에서 벽 두께를 공유하도록 이 부품을 설계했습니다. 이 체적을 구현하는 것은 AM으로만 가능합니다.” 

최종 티타늄 감쇠 코일은 3D Systems의 DMP Flex 350을 사용하여 생산했는데, 이것은 동급 최고의 산소 수치(<25 ppm)와 불활성 프린팅 대기를 자랑하는 고성능 금속 AM 시스템입니다. 3D Systems DMP 기기에만 있는 시스템 아키텍처 덕분에 화학 순도가 높아 매우 정확하고 단단하면서 생산 부품에 필요한 반복성을 지닌 부품을 만들 수 있습니다. 

 

 

 

02. 결함없이 성능개선을 위한 해결방안

 

작동 시 감쇠 코일에 유체가 채워지며, 에너지 흡수와 방출을 통해 시스템 내부의 압력 변동이 평균화됩니다. 유체가 제대로 작동할 수 있도록 오염을 방지하는 청결도 사양을 지녔습니다. 금속 AM을 사용하여 이 구성품을 설계하고 생산하면서 이 팀은 기능성, 더 큰 시스템으로의 통합, 무게 절감의 측면에서 상당한 이점을 얻었지만 내부 채널에서 분말을 완전히 제거하는 데 어려움이 있었습니다.   

이러한 복잡한 금속 프린트물에서 입자를 완벽하게 제거하기 위해 3D Systems AIG에서 그 방대한 공정 지식을 제공하여 독점 세정 프로토콜을 적용했습니다. 그 동안 이 프로토콜은 수만 개 부품에서 성공적으로 사용되었으며, 입자 없는 티타늄 구성품을 보장합니다. 3D Systems에는 내부 채널 부품에 최고 수준의 청결도가 필요해 금속 AM 채택을 계획 중인 고객들을 위한 프로토콜이 정립되어 있어 새로운 시설에 이 노하우를 전수할 수 있습니다. 

 

03. 고품질 금속 워크플로우

 

3D Systems의 완전한 금속 AM 솔루션은 그 앞선 전문성과 금속 프린팅 플랫폼 외에 면밀하게 개발하여 최적화한 소재와 3DXpert 소프트웨어까지 함께 제공됩니다. 3DXpert는 금속 프린팅 워크플로우를 준비하고, 최적화하고, 관리하는 올인원 소프트웨어입니다. 

Alpine F1 팀은 자사 어큐뮬레이터에 LaserForm Ti Gr23 (A) 소재를 선택했는데 그 이유는 얇은 벽면을 정확하게 생산할 수 있고 강도가 뛰어나기 때문이라고 말했습니다. 모든 LaserForm 소재는 3DXper에 들어 있는 프린트 매개변수가 사용되었는데, 이러한 매개변수는 3D Systems 엔지니어들의 전문성을 담아 최고 품질의 결과를 낼 수 있도록 포괄적으로 개발된 것입니다. 

 

 

04 전문가 상담

 

Alpine F1 팀은 3D Systems의 후처리 전문성뿐만 아니라 적층 제조 설계 전문성도 활용하여 최적의 빌드 방향, 구현 가능한 벽 두께, 인접 벽 단면 사이에서 벽을 공유하는 방법에 관한 안내를 받아 계획을 더 빠르게 추진하고 성공을 앞당기고 있습니다. 혁신적인 산업 최초의 솔루션을 계속해서 공동으로 개발하고 있는 3D Systems의 Application Innovation Group은 개념에서 대규모 제조로 용도를 전환하는 데 있어 심도 깊은 전문 지식과 기술을 보유하고 있습니다.  

 

3D Systems는 품질과 성능이 중요한 산업 전반에서 수백 개 필수 응용 부문과 협력 관계를 맺고 있습니다. 3D Systems는 원형 제작에서 생산까지 체계적으로 확장하는 방식을 통해 간소화된 경로를 거쳐 적격한 AM 부품을 구현할 수 있으며, AM 선두업체로서 고객들이 자체 시설에서 적층 제조를 성공적으로 채택할 수 있도록 기술을 전수합니다. 

Warner는 Alpine F1팀에서 어큐뮬레이터를 티타늄으로 프린트하는 데 성공한 후 이듬해에는 더 복잡한 서스펜션 구성품을 시도해볼 용기를 얻었다고 말합니다.