과제: 다년생 라이그래스의 고 처리량 표현형에 중점을 둔 한 연구원은 프로젝트 기간에 종묘장에서 160개의 개별 식물을 6~8회 비파괴적으로 측정하여 식물 육종가와 농부에게 가장 바람직한 특성을 가진 특정 식물을 식별하는 데 도움을 줄 수 있는 방법이 필요했습니다.

솔루션: Artec Space Spider, Artec Studio, ImageJ 및 3D Slicer

결과: Artec Space Spider를 사용하여 각 라이그래스 이삭을 몇 분 만에 정밀하게 캡처하여 각 식물에 대한 1mm 이하의 정확한 3D 스캔을 제공함으로써 연구자들이 성장 주기 동안 심층적으로 관찰할 수 있게 했습니다. 스캔 후 이삭의 3D 모형은 디지털 방식으로 "골격화"되어 각 이삭 구조의 구조적 본질을 한 치의 오차도 없는 정확도로 드러냈습니다.

 

꽃이 피는 다년생 라이그래스 이삭

세상은 식량이 바닥나고 있고, 상황은 점점 더 나빠지고 있습니다. 세계 인구는 빠르게 증가하고 있고 2050년까지 97억 명을 넘어설 것으로 예상됩니다. 많은 전문가들은 안정적인 식량 안보를 확보하기 위해 식량 생산 수준이 그때까지 50~98%까지 증가해야 한다고 주장합니다. 이는 심지어 세기 중반에 가까워짐에 따라 가속화되고 있는 기후 변화의 예측할 수 없는 영향은 고려하지 않았을 때의 경우입니다.

전 세계의 농부들은 줄어드는 경지에서 그 어느 때보다 더 많은 작물을 재배하고 가뭄, 홍수, 악성 전염병 및 식물병에도 불구하고 어떻게든 지속 가능한 작물 수량을 달성해야 하는 어려운 도전에 직면해 있습니다.

전 세계적으로 수억 명의 사람들이 매일 밤 굶주린 채 잠자리에 드는 상황에서 우리는 오늘날의 식량 안보 요구 사항을 충족시키려면 아직 멀었습니다. 동서양의 전문가들이 동의하는 한 가지가 있습니다. 즉, 우리가 이 고르디우스의 매듭을 풀려면 농업 분야에서 비할 데 없는 혁신이 필요하다는 것입니다.

고대의 뿌리를 가진 최신 기술

어려운 상황에서 작물 수량을 늘리기 위한 이러한 최첨단 혁신 중 하나는 고 처리량 표현형(HTP)의 과정입니다. 간단히 말해서 표현형은 특정 식물을 관찰하고 분석한 다음 식물의 개별 관찰 가능한 특성에 기반하여 결정 및 예측하는 행위입니다. 이것은 농부들이 지금까지 10,000년 이상 해온 일입니다.

 

밀을 들고 있는 고대 이집트 사제, 호루스 신전, 기원전 2세기경

그들은 밭을 거닐면서 가장 바람직한 특성을 가진 식물을 신중하게 선택했으며, 이러한 식물에서 미래에 심을 씨앗을 모을 것입니다. 아직 서 있는 작물에서 씨앗을 벗겨내었고 이미 식물에서 떨어져 나가(탈립하여) 땅에 떨어진 씨앗은 그냥 무시했습니다. 곤충 피해 및 기타 약점의 징후가 있는 식물도 냉대를 받았습니다.

이 과정을 수 세대에 걸쳐 수천 번 반복하면서 오늘날 전 세계 수십억 명을 먹여 살리는 탄력적이고 영양가 있는 작물을 낳았습니다.  오늘날 인간의 열량의 약 75%는 단 12개의 주요 작물에서 나오므로 먼저 이러한 식물에 중점을 두면 인류의 증가하는 식량 수요를 충족시킬 수 있는 가장 좋은 기회를 얻게 됩니다.

"고 처리량"을 표현형과 결합하면 모든 것이 매우 흥미로워집니다. 본질적으로 이는 다양한 비파괴 도구와 기술을 사용하여 식물 데이터 수집 및 분석의 정확성을 빠르게 높이는 것을 의미합니다. 표현형의 전통적인 방법은 식물을 잘라내어 실험실로 가져가 분석하는 것이었습니다. 일단 그곳에 도착하면, 식물의 물리적 특성을 줄자와 캘리퍼스라는 도구를 사용하여 부지런히 연구하고 측정하였습니다.

업계 전반의 문제를 해결하기 위한 긴급 탐구

수작업으로 측정하는 힘든 방법은 업계 표준으로 수십 년 동안 사용되어 왔지만, 기술의 발전으로 고 처리량 표현형이 살아나고 있습니다. 식물에서 비파괴적으로 데이터를 수집하는 빠르고 정확한 방법에 대한 HTP의 엄청난 잠재력을 인식한 한 연구원은 미국 우주군 소령 Travis Tubbs입니다. 오리건 주립 대학교에서 다년생 라이그래스에 대해 연구를 하는 동안 Tubbs는 이전 방법이 수반된 아주 짧은 시간에 수백 개의 식물을 정밀하게 분석하는 방법이 필요하다는 것을 알았습니다.

 

다년생 라이그래스(호밀풀)의 다이어그램

다년생 라이그래스는 많은 나라에서 가축에게 먹이를 주는 데 사용되는 가장 인기 있고 적응력이 좋은 호냉성 작물입니다. 오리건주에서만 2019년에 3억 6천만 파운드의 라이그래스 종자가 수확되었고, 그 종자의 판매액은 1억 8천 6백만 달러 이상이었습니다. 하지만 매년 이곳에서 재배되는 라이그래스의 20% 이상이 종자가 식물에서 너무 이르게 떨어져 나가는 조기 종자탈립으로 인해 회복할 수 없을 정도로 손실되고 있습니다.

탈립은 많은 식물에서 흔히 볼 수 있는 특징이며, 적절한 시기에 탈립이 되면 종자가 흩어지고 결국 다음 세대에 식물로 변하게 됩니다.

오리건 주립 대학교 Hyslop Crop Science Field Research Laboratory의 다년생 라이그래스

Tubbs는 “어떤 라이그래스 계통이 조기 종자 탈립이 덜 되는지 정확하게 알기 위해서는 수백 종 식물의 작은 이삭들을 분석하여 이삭들의 높이와 길이는 물론 이 이삭들이 종자를 얼마나 단단히 붙잡고 있는지를 측정해야 합니다. 이전의 수동 측정 방법을 통해 이것을 하려고 한다면 손에 죽은 식물이 많이 있게 될 뿐만 아니라 각각의 성장 주기 동안 주어진 짧은 시간에 많은 작은 이삭을 정확하게 측정할 수 없을 것입니다”라고 말했습니다.

3D 스캐닝의 도입

사진 측량의 기능 및 유사한 빠른 데이터 캡처 방법을 살펴본 후 Tubbs는 종묘장에서 사용할 자신의 3D 스캐너를 설계하기 직전에 있었습니다. 그때 그는 Artec 3D 웹사이트에 접속하여 몇 년 동안 연구자들 사이에서 인기를 끌었던 전문 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider를 발견했습니다. 그는 재빨리 현지 대리점에 연락하여 직접 시연을 보기로 하였습니다.

Artec Space Spider

Artec의 골드 인증 대리점인 Digital Scan 3D의 Richman Siansimbi는 Tubbs를 만나 Space Spider를 사용하여 라이그래스 식물 표본을 함께 스캔했습니다. 그날 오후, Tubbs는 Space Spider의 1mm 이하 스캔이 그의 분석을 위해 충분한 세부 정보를 제공할 수 있다는 것을 알았을 뿐만 아니라 Siansimbi의 도움을 받아 그들은 라이그래스 식물을 스캔하기 위해 쉽게 반복할 수 있는 작업 흐름을 실험하고 생각해 냈으며, Tubbs는 이 작업 흐름을 오늘날까지도 여전히 사용하고 있습니다.

Tubbs는 종묘장으로 걸어 나와 자신이 캡처하고자 하는 작은 이삭이 있는 식물을 찾습니다. 그런 다음 그는 조심스럽게 식물의 윗부분을 땅으로 구부리고 스캔에 사용되는 배경에 놓아둡니다. 원래 이것은 각 식물에 대해 1분도 채 걸리지 않는 스캔 과정에서 지면에 평평하게 눕혀져 그곳에 머물러 있을 만큼 넓고 유연했기 때문에 보라색 고무로 된 운동 밴드였습니다.

라이그래스 이삭의 Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 15 스크린숏

추가 실험과 Artec 웹사이트의 온라인 도움말을 통해 Tubbs는 견고한 흑백 보드를 배경으로 사용하여 Artec Studio 소프트웨어에서 스캔 처리를 더 쉽게 할 수 있다는 것을 알았습니다. 더 편리한 해결책을 찾는 연구자에게 Tubbs는 단순히 신문 한 장을 사용할 것을 권하는데, 이는 특히 바람이 불 때 끝이 아래로 내리눌리는 경우 효과가 있을 것입니다.

기술의 탁월한 정확성 입증

Artec Space Spider의 정확성을 과학적으로 확인하기 위해 Tubbs는 설정된 측정(눈금자)을 하여 Nikon D5000 DSLR로 사진을 찍었습니다. 그런 다음 ImageJ 소프트웨어를 통해 사진을 처리하여 눈금자의 20cm 길이의 각 센티미터(cm)를 표시했습니다. 이 과정은 스캔한 모형에 반복했습니다.

 

위: 각 cm를 측정한 눈금자의 3D Artec Space Spider 스캔. 아래: Nikon D5000로 찍은 Imagej 소프트웨어로 측정한 눈금자의 2D 이미지

 

2D 이미지 측정 정확도와 3D Artec Space Spider 정확도를 비교한 그래프

그런 다음 Tubbs는 두 측정값을 그래프로 그려 두 캡처 방법 간의 정확도를 시각적으로 나타냈습니다. 이 과정은 높은 충실도로 다년생 라이그래스 이삭을 측정할 때 두 가지 형태의 측정 모두 정확하다는 것을 나타냅니다. 2D 사진 측정의 오차는 ±1.72mm입니다. 한편 Space Spider 스캔의 오차는 ±0.09mm입니다. 두 방법 간의 정확도 차이는 통계적으로 유의하지 않지만(P-값 0.92), 장비의 정확성을 검증하는 데 도움이 됩니다.

어둠 속에서 라이그래스 이삭 3D 스캐닝

프로젝트를 수행하는 2년 동안, Tubbs는 스캔하는 날에는 해가 뜨기 전에 오리건 주립 대학교의 Hyslop Crop Science Field Research Laboratory로 차를 몰고 가서 스캔을 시작했습니다. 몇 시간 후, 그는 저녁때에 일을 그만하기로 하고는 그때 다시 시작했습니다. Artec Space Spider의 독특한 캡처 방법 덕분에 Tubbs는 주변 조명이 아주 약한 밤 내내 작업할 수 있었습니다.  전체적으로 Tubbs는 640개의 라이그래스 식물을 관리하고 있었습니다.

USDA에서 공급한 40가지 라이그래스 종자의 기원을 표시하는 Google 지도 이미지

이러한 식물은 미국 농무부가 아일랜드, 덴마크, 벨기에, 네덜란드, 그리스, 알제리, 뉴질랜드, 미국 및 그 밖의 지역 등 전 세계 40개 지역에서 수집한 종자에서 유래했습니다. 원래 40개의 종자 중에서, Tubbs는 그들의 유전적 "과(family)" 중에서 가장 대표적인 네 가지를 선택했습니다. 이는 160개의 식물을 "반복"하는 결과를 낳았습니다. 이 160개의 식물을 분석에서 환경 변수를 제거하기 위해 4번 복제하고 넓은 종묘장에 무작위로 심었습니다.

Tubbs는 전체 640 식물 중 1/4 또는 1개의 복제만 스캔했으며, 이 작은 복제를 통해 프로젝트를 수행하는 동안 각 식물을 6~8번 스캔하고 분석할 수 있었습니다. Space Spider의 약 800개 고해상도 3D 스캔을 통해 Tubbs는 어떤 식물이 가장 덜 종자 탈립하기 쉬우며 그 이유에 대해 방대한 양의 정확하고 흥미로운 사실을 드러내는 데이터를 얻을 수 있었습니다.

 

X선 모드로 라이그래스 이삭의 Space Spider 스캔을 보여주는 Artec Studio 15 스크린숏

Tubbs는 시간이 지남에 따라 스캔 과정을 요약하면서 "각 스캔 전에 이삭에 표시하고 일주일 후에 돌아와서 같은 이삭을 캡처했습니다. 이 과정을 서너 번 반복한 후, 저는 이것이 이삭 하나하나에서 그 모든 작은 이삭이 시작은 어떤 상태였는지, 그리고 지금은 어떤 상태인가를 자신 있게 말할 수 있었습니다. 처음부터 끝까지 각 이삭의 모든 단일 구조에서 발생하는 유기적인 성장을 정확하게 측정 할 수 있습니다"라고 말했습니다.

Tubbs는 계속해서 “전통적인 표현형 방법으로는 식물의 성장 주기에 대해 이처럼 분명하게 확인할 수 없습니다.  식물을 측정하려면 그것을 파괴해야 합니다.  그리고 일단 그렇게 하면 그것이 어떻게 성장할지, 내일이나 그 다음 날 또는 다음 주에 어떤 상태일지 결코 말할 수 없습니다"라고 말했습니다.

정밀 고 처리량 표현형을 위한 Space Spider의 강점

Tubbs는 Space Spider 스캔을 사용하여 모든 불규칙한 표면과 형상을 정밀하게 측정하여 모든 작은 이삭을 1mm 이하까지 정량화할 수 있습니다. 여기에는 각각의 작은 이삭에 있는 종자 덩어리의 완전한 구조적 특성, 그것들의 수많은 각도와 측면 그리고 (종자가 식물에서 떨어져 나오는) 탈리대가 포함되며, 이 모두는 각 식물의 독특한 표현형 해석에 있어 매우 중요합니다.

 

다년생 라이그래스 작은 이삭

Space Spider로 캡처한 많은 양의 정확한 데이터와 대조적으로 Tubbs는 오래된 표현형 방식을 반영하며, "연구자들은 30~40개의 개별 식물에서 무작위 표본을 채취할 것입니다. 그리고 그 무작위 표본은 비록 소규모이긴 하지만 전체 큰 그림을 나타낸다고 말할 겁니다. 연구자들이 오래된 방법을 사용하고 있는 모든 과학 논문을 보면, 본질적으로 그것이 그들이 지금 하고 있는 것입니다"라고 말했습니다.

Tubbs는 더욱 정확한 분석을 수행하면서 3D 스캔을 이미지 분석 및 과학적 시각화를 위한 오픈 소스 소프트웨어 패키지인 3D Slicer로 내보냈고, 여기서 그는 라이그래스 이삭의 고해상도 모형을 "골격화"하기 시작했습니다. Tubbs는 3D Slicer를 사용하여 각 3D 이삭을 디지털 방식으로 슬라이스하여 수천 개의 개별 원형 조각 더미로 분할할 수 있습니다.

라이그래스 이삭의 골격화된 Space Spider 스캔

일반적으로 X선, CT 및 MRI 스캔에 사용되는 이 기능은 Tubbs에게 다음 단계의 골격화 과정을 위한 소재를 제공합니다. Tubbs는 디지털 방식으로 슬라이스된 3D 이삭을 ImageJ 소프트웨어로 가져와 각 이삭을 구성하는 수천 개 조각 모두의 정확한 중심을 결정합니다.

그런 다음 그는 각 조각의 중심을 한 줄씩 다음 조각과 연결하며, 이를 통해 하나의 연속적인 골격화된 이삭이 만들어집니다. Tubbs는 “이것은 식물을 구조의 해부학적 본질인 가장 중심으로 모든 복잡성으로 응축시키며, 이는 연구자로서의 저에게 엽축에 부착된 작은 이삭의 각도, 작은 이삭 크기 및 기타 측면 그리고 이삭 길이 및 구성, 이삭 당 작은 이삭의 수, 엽축을 따라 있는 작은 이삭들 간의 간격 등 특성을 연구하는 데 필요한 것을 제공해 줍니다”라고 말했습니다.

뛰어난 내충성, 가뭄 저항성 곡물, 과일 및 채소

종묘장에서 가장 바람직한 형질과 결과를 가진 식물을 정확히 파악하면 이러한 특정 식물을 유전적 차원에서 연구하고 다른 식물과의 번식 및 육종에 사용할 수 있습니다. 이러한 방식으로 최소한의 세대에 걸쳐 연구자들은 우수한 라이그래스뿐만 아니라 쌀과 보리, 밀에서 다양한 과일과 채소에 이르기까지 모든 종류의 식물을 생산할 수 있습니다. 식물들은 내충성이 매우 강하고 가뭄에 잘 견디며 살충제가 거의 필요하지 않을 것입니다.

하지만 Tubbs는 "이것은 결승선이 없는 경주입니다. 왜냐하면 우리가 더 튼튼한 식물을 생산해도 곤충은 식물의 저항을 극복하기 위해 더 빠르지는 않더라도 그만큼 빨리 적응하고 있기 때문입니다. 이것은 수백만 년 동안 식물과 해충 사이에서 벌어져 온 전쟁입니다. 우리는 식물이 생존하고 번성하는 데 도움을 줄 특성이 있는 것을 골라 식물에 유리하게 하려고 노력하고 있습니다. 처리량이 높은 표현형과 Artec Space Spider는 우리가 다른 모든 경쟁자보다 앞서 나가는 데 도움이 될 수 있습니다’라고 말했습니다.

 

디지털 수집 방법을 사용한 고 처리량 표현형의 다양한 측면 비교

이를 달성하기 위한 효과적인 도구에 대한 조사는 증가하고 있습니다.  Tubbs는 “오늘날 농업에서는 효과적인 고 처리량 표현형 솔루션에 특화된 연구에 막대한 금액이 지출되고 있습니다. 전 세계의 연구자들은 세계의 모든 작물에 대해 이를 적용하는 방법을 찾기 위해 경쟁하고 있습니다. 모든 농업 연구자는 지금 그것을 알아내려고 노력하고 있습니다”라고 말했습니다.

그는 이어서 "저는 라이그래스에 집중하고 있습니다. 왜냐하면 그것은 제가 있는 곳의 주요 작물이기 때문입니다. 그러나 우리는 옥수수나 밀 또는 다른 곡물과 식물에 대해서도 똑같은 일을 쉽게 할 수 있습니다”라고 말했습니다.

Tubbs는 스캐너의 직관적인 사용 용이성에 대해 말하며 “제가 라이그래스나 다른 식물을 캡처하는 데 사용하는 기술은 배우기 어렵지 않습니다. 저는 우리가 참석한 몇몇 회의에서 사람들에게 Artec Space Spider의 사용법을 가르쳐 주었습니다. 제가 현장에 나갈 때 사용하는 몇 가지 기법이 있는데 이 기법들을 다른 연구자들과 공유할 수 있어 항상 기쁘게 생각합니다"라고 말했습니다.

Tubbs는 기술에 대한 자신감을 재확인하면서 "Artec Space Space Spider로 제가 하고 있는 일인 고 처리량 표현형이 농업의 미래라는 것은 의심의 여지가 없습니다. 이를 통해 식물 육종가와 농부는 즉각적인 그리고 미래의 요구에 대응할 수 있는 가장 바람직한 특성을 가진 식물을 빠르게 선택할 수 있습니다. 그것이 최신 질병에 내성이 있는 것을 의미하든 변화하는 환경에서 가장 잘 자라는 식물을 생산하는 것을 의미하든 상관없이 말입니다. 선택적인 결정을 더 빨리 내릴수록 미래의 요구에 더 잘 대비할 수 있습니다"라고 말했습니다.

누프레스는 첨단 기술 제조업체인 SPEE3D와 협력하여 수륙양용 항공기 프로젝트의 애플리케이션을 평가하고 현지 제조업체가 WarpSPEE3D 금속 3D 프린터에 액세스할 수 있는 생산 서비스를 제공할 예정입니다.

호주의 선도적인 제조업체인 Nupress를 인수한다고 발표했습니다, 호주 본사에서 워프스피3D를 개최할 예정입니다.를 통해 제조업체와 기업이 기술을 임대하거나 구매하지 않고도 구독을 통해 액세스할 수 있도록 하는 파트너십을 체결했습니다.

이번 달에, Nupress와 협력할 것이라고 밝혔습니다. Amphibian항공 우주와 수륙양용 항공기 프로젝트에 필요한 애플리케이션을 제조하기 위해 SPEE3D의 워프스피3D(WarpSPEE3D) 기술을 사용하기로 했습니다. 이 협력은 단조 소재에 의존하는 기존 주조 기술을 대체하는 SPEE3D의 첨단 제조 공정을 사용하여 규정을 준수하는 수륙양용 항공기 부품을 제작하는 데 필요한 제조 방법을 평가하는 데 중점을 둘 것입니다.

앰피비언 에어로스페이스 인더스트리즈, 주식회사(AAI)는 호주 소유의 앰피비언 에어크래프트 그룹 계열사의 제조 및 제품 개발 부문으로 설립된 호주 회사입니다. AAI는 미국 연방항공청의 HU-16 및 G-111 알바트로스 수륙양용 항공기 '형식 인증서'를 보유하고 있으며, 수륙양용 항공우주 능력 개발 및 생산 분야의 세계적인 리더가 되겠다는 비전을 가지고 있습니다.

암피비안 에어로스페이스 인더스트리즈(Amphibian Aerospace Industries Pty Ltd.)의 CEO인 댄 웹스터는 "누프레스 및 SPEE3D와의 협업은 항공우주 제조 분야의 판도를 바꾸고 호주 제조업의 새로운 시대를 여는 진정한 기회가 될 것입니다."라고 말했습니다.

 

워프스피3D는 2023년 2월 누프레스 카디프 시설에 도착할 예정입니다.

 

누프레스의 WarpSPEE3D는 SPEE3D와의 파트너십을 통해 누프레스 고객 및 기타 조직에 중장기 프로젝트를 위한 접근 가능한 구독 기반 금속 3D 프린팅 서비스를 제공합니다. 이제 워프스피3D가 누프레스 시설에 도착했으므로 금속 부품 생산을 위한 6년간의 구독 슬롯 중 하나를 확보할 수 있게 되었습니다. 이 서브스크립션은 지역 및 그 외 지역에 처음으로 필요할 때 생산되는 산업용 금속 부품 대체품을 조달할 수 있는 획기적인 기회를 제공할 것입니다.

"가공 부품과 3D 프린팅 부품의 성능은 애플리케이션에 따라 크게 다를 수 있습니다. 앰피비언 에어로스페이스와의 프로젝트에서는 두 가지 유형의 부품을 비교하여 성능 차이를 더 잘 이해할 수 있도록 할 것입니다. 주조 부품을 기준으로 삼아 동일한 기계 가공 및 3D 프린팅 버전을 제작할 것입니다. 강도, 유연성, 무게와 같은 성능 지표를 기준으로 두 부품을 비교함으로써 기계 가공과 3D 프린팅 기술이 기능성 부품의 환경을 어떻게 변화시키고 있는지 정확히 파악할 수 있을 것입니다."라고 Nupress의 CEO인 크레이그 맥윌리엄(Craig McWilliam)은 말합니다.

누프레스 링크드인 워프스피3D의 시설 도입을 축하하는 행사를 진행했습니다.

 

현재 Nupress에서 이용할 수 있는 금속 3D 프린팅 구독 모델은 1~6개의 슬롯을 제공하며, 각 슬롯은 12개월 동안 월 25시간의 프린팅을 제공합니다. 호환 대상 12가지 금속알루미늄 6061, 알루미늄 브론즈, 구리 및 스테인리스 스틸을 포함하여 워프스피3D 는 분당 100g의 빠른 제작 속도로 최대 40kg까지 여러 부품을 한 번에 제작할 수 있습니다. 즉, 단 몇 분 또는 몇 시간 만에 금속 부품을 제작할 수 있습니다.

9kg/19.8파운드의 휠 센터를 워프스피3D로 단 6시간 만에 제작했습니다.

 

 

워프스피3D와 금속 3D 프린팅 서브스크립션을 체결하면 광업, 건축, 항공우주, 방위, 의료 등 다양한 산업 분야의 정밀 가공 부품 제조 분야에서 50년 이상의 제조 전문성을 갖춘 누프레스에서 부품을 쉽게 제조할 수 있게 됩니다. 애플리케이션 상담부터 프린팅, 가공, 후가공 처리까지 지원합니다. 이 서비스를 통해 기업은 더 이상 중요한 애플리케이션을 위해 몇 주 또는 몇 달을 기다릴 필요 없이 운영을 개선하고 비용을 절감할 수 있습니다.

"누프레스에 워프스피3D를 도입하면 고객은 필요할 때 산업 등급의 금속 부품을 조달할 수 있는 중요한 이점을 얻을 수 있으며, 위험으로 가득한 글로벌 공급망과 거래하는 것보다 생산 공정을 제어할 수 있습니다."라고 SPEE3D의 CEO인 바이런 케네디는 말합니다.

 

과제: 아르메니아와 아제르바이잔 사이의 갈등은 수십 년 전으로 거슬러 올라가며 오늘날까지 계속되고 있습니다. 많은 시민, 특히 18세 이하의 남성들이 팔이나 다리를 잃고 손과 다리를 다치는 경우가 많았습니다. 인프라가 제대로 개발되지 않았고 양질의 의료 서비스를 이용하기가 어려웠기 때문에 많은 사람에게 있어 의지는 제대로 맞지 않고 솔루션은 수준 이하였습니다.

솔루션: Artec Eva, Artec Studio, Artec Cloud, 3D 프린팅

결과: 전쟁 희생자와 환자는 Artec Eva를 사용하여 스캔하며, 캡처한 데이터는 맞춤형 의지 보호대를 제작하는 데 사용됩니다. 접근하기 어려운 지역에 있는 사람의 경우 데이터를 Artec Cloud에 쉽게 업로드하여 공동 작업할 수 있습니다.

Artec을 선택하는 이유:  사용이 간편하고 휴대성이 탁월한 Artec Eva는 데이터를 빠르고 쉽게 캡처할 수 있으며, Artec Cloud를 통해 번거로운 데이터 전송을 막을 수 있고 팀은 원격으로 작업할 수 있습니다.

     환자의 3D 데이터를 캡처하여 맞춤형 의지 보호대 제작.

지속 가능한 솔루션을 위한 새로운 기술

 

Artyom은 말하면서 앞에서 손을 깍지 낍니다. 그 제스처는 다른 사람과 마찬가지로 자연스럽게 나옵니다. 우리가 손을 움직이는 방식은 대부분 비언어적 의사소통의 필수적인 부분입니다. 사고로 두 손을 잃은 청년 Artyom의 경우도 다르지 않습니다.

Artyom은 "2003년에 사고가 나기 전에, 저는 축구 선수였습니다. 저는 골키퍼였습니다. 그러나 그 후, 상지가 없는 저는 분명 더는 골키퍼가 될 수 없었습니다. 하지만 스포츠에 대한 제 사랑은 사라지지 않았습니다. 저는 여전히 스포츠를 사랑하고, 보고, 하고 있습니다. 그래서 저는 코치가 될 수도 있겠다는 생각이 들었습니다.”라고 말했습니다.

현재 두 개의 여자팀을 지도하고 있는 Artyom은 이제 꿈이 있습니다. 잘 맞고, 편안하며 기능적인 좋은 팔 의수를 갖는 것입니다. 그리고 그는 이 투쟁에서 혼자가 아닙니다. 아르메니아의 팔·다리 절단 환자 수는 평균보다 많고 양질의 의료 서비스를 받는 것이 제한적이며 많은 사람이 열악한 환경에서 살기 때문에 의지에 대한 차선의 솔루션을 가지고 사는 사람이 많습니다.

            새로운 의지의 프로토타입을 보고 있는 Artyom(오른쪽).

아르메니아에 있는 비정부기구인 oqni의 공동 설립자이자 CEO인 Hajk Bagradjans는 "아르메니아의 상황은 아무도 상지 의수에 대해 그다지 신경 쓰지 않을 정도였습니다. 그리고 사회부의 지원을 받아 의지를 수입하는 회사들도 있지만, 그 과정은 매우 관료적입니다. 의지를 받는다 해도 2~3주 정도 지나면 부러져 피부가 보입니다.“라고 말했습니다.

아르메니아 디아스포라 구성원들로 구성된 조직인 oqni의 결성에 영감을 준 것은 바로 이 과제입니다. 이들은 모두 공동체를 위한 개선책을 마련하고 장기적인 솔루션을 개발하기 위해 모였습니다.

"군사적 확대, 1989년의 지진, 높은 교통사고율 그리고 당뇨로 인해 아르메니아에는 팔·다리 절단 환자가 불균형적으로 많이 있습니다."

Bagradjans는 "oqni는 2020년 아르메니아 전쟁의 결과로 결성되었습니다. “전쟁 때문에 특히 시골 지역에 있는 많은 젊은이가 편안하고 자신감을 느낄 수 있는 의지를 사용할 수 없고 맞춤형 의지를 갖추지 못하는 딜레마에 직면해 있습니다.”라고 설명합니다.

          맞춤형 의지 보호대를 제작하기 위해 환자의 데이터를 캡처하는 데 사용되는 Artec Eva.

하지만 아르메니아에서는, 이 문제는 전쟁 희생자를 넘어섭니다. oqni는 아르메니아 전역에 팔·다리 절단 환자가 불균형적으로 많이 있다고 말합니다. 이들 중 많은 사람이 수년에 걸친 군사적 확대, 1989년에 강타한 지진, 높은 교통사고율 그리고 당뇨로 인해 팔다리 절단 수술을 받았습니다.

Bagradjan은 "지진 발생 이후 많은 외국 회사와 구호 활동가가 와서 의지에 대해 사람들을 교육했습니다. 하지만 지난 30년 동안, 그것은 크게 바뀌지 않았습니다. 그래서, 그들은 여전히 오래된 방법을 사용하고 있지만, 새로운 기술을 접하는 것에 매우 큰 관심이 있습니다."라고 말했습니다.

솔루션 찾기

 

새로운 기술이 어떻게 작용하게 되었는지에 대한 이야기는 이보다 더 오래전으로 거슬러 올라갑니다. 2020년, 파리에서 특히 COVID-19 팬데믹이 계속 맹위를 떨치자 프랑스 외과 의사인 Roman Khonsari 박사는 Artec 스캐너를 수요가 많고 신속히 구할 수 없는 3D 프린팅한 응급 의료 용품을 품질 관리하는 데 사용했습니다.

아르메니아 디아스포라의 일원인 Khonsari 박사는 비정부기구를 시작하는 아이디어를 구상한 동료들에게 Artec 기술을 추천했습니다.

“Khonsari 박사와 저는 현재 아르메니아에서 의지 장비를 제작하기 위해 3D 기술을 도입하는 인도주의적 프로젝트를 진행 중입니다. 우리는 이를 위해 Artec 3D 스캐너를 사용하는 것에 대해 논의하고 싶습니다.”라고 oqni 회원인 Sassoun Kelechian은 Artec 3D에 이메일을 보냈습니다.

그리고 3D 기술을 통합하기 위한 계획이 진전되면서 팀도 발전했습니다.

Bagradjans는 "성장하는 우리 팀에는 심리학자부터 엔지니어, 물리치료사, 사업가까지 모든 사람이 있습니다. 따라서 우리는 이제 엄청난 수의 사람이 있습니다. 이들은 독일, 프랑스, 미국, 아르메니아 등 전 세계에서 왔습니다. 그리고 저는 이것이 정말로 우리의 DNA에 더해지고 이를 통해 우리는 일을 더 잘할 수 있다고 생각합니다."라고 말했습니다.

 

     Ortez 보조기 및 의지 센터를 방문한 Artec과 oqni 팀.

정확성과 사용 편의성에 중점을 두고 신체 부위를 스캔하는 경우, Artec Eva가 적합한 옵션이었습니다. Artec 3D의 대표 스캐너인 Artec Eva는 중간 크기의 물체를 스캔하는 데 탁월합니다. 이 가볍고 조작하기 쉬운 구조화 광 3D 스캐너는 빠르고 텍스처가 뛰어나며 정확한 3D 모델을 만들 수 있습니다. Eva는 또한 사람과 같이 움직일 수 있는 물체나 표면을 작업할 때 고려해야 하는 중요한 점인 스캔 속도가 빠르며, 물체나 표면을 고해상도로 정확하게 측정할 수 있습니다.

이 경우 맞춤형 물품으로 의지 커버가 있습니다.

Bagradjans는 "이것은 본질적으로 의지를 미적으로 보호하는 커버입니다. 따라서 일반적으로 매우 불편하고 위생적이지 않으며 다른 쪽 다리의 크기에 맞게 설계되지도 않은 금속 막대가 늘어져 있는 튜브를 가지고 돌아다니거나 폼 솔루션을 사용하는 대신, 우리의 솔루션은 3D 스캐닝 기술과 결합할 때 건강한 다리의 크기와 치수 또는 신체 모양에 들어맞을 뿐만 아니라 (3D 프린팅 덕분에) 모든 크기, 디자인 선호도 또는 고객이 가질 수 있는 모든 종류의 선호도를 수용할 수 있는 맞춤형 솔루션을 제공합니다."라고 설명했습니다.

Eva가 작업 흐름에 추가되기 전에는 시간이 훨씬 더 많이 걸리는 프로세스가 있었습니다.

"Eva로 스캔하면 건강한 다리의 전체 모양을 확실히 통합하고 그것을 매우 대칭적으로 만들 수 있습니다."

Bagradjans는 "Eva 3D 스캐너는 대단한 게임 체인저였습니다. 이전에는 모든 것을 수작업으로 해야 했습니다. 의지 커버를 만들 때 모든 측정을 수작업으로 해야 했으며, 이는 그런대로 괜찮았지만, 실제로는 측정이 매우 정확하게 이루어지지 않았습니다.”라고 말했습니다.

환자들과 인터뷰를 한 후에, oqni 팀은 다음과 같은 몇 가지 사실을 발견했습니다. 첫째, 좋은 의지의 가장 큰 요소 중 하나는 의지 커버가 다른 쪽 다리의 치수 및 모양과 같게 만들어져야 한다는 것이었습니다. Bagradjans는 "환자에게는 바지를 입었을 때 실제로 차이점이 무엇인지 아무도 알 수 없게 하는 것이 아주 중요했습니다."라고 말했습니다. 반바지를 입었을 때도 양쪽 다리의 대칭을 유지할 수 있었습니다.

그는 "Eva가 없었다면 단지 수작업으로 다른 크기를 선택한 다음 그것을 수용하려고 하는 가장 기초적인 방법을 사용했을 것입니다. 하지만 3D 스캐닝 솔루션을 사용하면 정확도가 훨씬 더 높아집니다. 이를 통해 건강한 다리의 전체 모양을 확실히 통합하고 그것을 매우 대칭적으로 만들 수 있습니다."라고 설명했습니다.

작업은 다음과 같이 이루어집니다. 환자는 먼저 집, 사무실 또는 가장 적합한 곳에서 oqni 팀과 만나도록 초대됩니다. 이는 스캐너의 이동성 덕분에 가능했습니다. 그러고 나서 다음 팀은 환자의 절단뿐만 아니라 환자가 좋아하는 색상 또는 선호하는 디자인에 대해 조금 알게 됩니다.

Bagradjans는 "예를 들어, 고딕 문화를 정말 좋아하는 한 환자가 있었는데, 우리는 ‘좋아요, 이 커버에 해골을 넣을 수도 있습니다.’라고 말했습니다. 환자가 어떤 사람인지 파악하는 것이 아주 중요합니다."라고 말했습니다.

그런 다음 스캐닝이 시작됩니다. 환자는 방 한가운데 서 있고, 한 번의 스캔으로 건강한 다리와 절단된 다리를 모두 캡처합니다. 양쪽 다리 모두 절단 수술을 받은 환자에 대해서는 절단된 두 다리 모두 스캔합니다.

 

           의족과 원래 다리 모두 전체 데이터 캡처를 위해 스캔합니다.

스캔은 일반적으로 1분 이상 걸리지 않지만, 환자가 서 있거나 가만히 있는 것이 익숙하지 않은 경우에는 최대 5분이 걸릴 수도 있습니다.

그런 다음 스캔 데이터를 처리합니다. 여기에서 Artec Studio에서는 Mirror 기능을 사용하여 건강한 다리를 의족에 미러링합니다. "이렇게 하면 가장 정확한 치수를 얻을 수 있고, 의수 커버를 제작하는 방법과 의수 커버의 모양이 어떠해야 하는지 더 잘 알 수 있습니다. 의수 커버는 커버가 금속 튜브에 정밀하게 맞는 부품이 있어야 합니다. 이제 정확한 치수를 얻고 고정 장치가 있어야 할 위치를 정확히 알 수 있습니다."

이 팀을 위한 또 다른 게임 체인저는 Artec Cloud입니다. Bagradjans는 "그것은 의지에 집중하는 것을 막고 재활에 접근하는 것입니다. 그리고 Artec Cloud는 그 DNA의 매우 많은 부분을 차지하고 있습니다.”라고 말했습니다.

Artec Cloud로 작업하면 멀리 떨어진 지역에 있는 팀원이나 파트너가 환자를 스캔하고 즉각적인 피드백을 받을 수 있습니다. "예를 들어, 스캔하는 방법을 배운지 얼마 안 되었거나 스캔 기술에 익숙하지 않은 사람도 이제 스캔하여 Cloud에서 공유할 수 있으며 우리는 즉시 피드백을 제공할 수 있습니다."

데이터 캡처가 완료되면 커버의 3D 모델링이 시작됩니다. "여기서 우리는 첫 번째 단계의 피드백을 통합하였고, 이를 통해 환자를 알고, 색상에 대해 알고, 디자인이 어떠해야 하는지 그리고 [의지에 맞추기 위해] 얼마나 많은 구멍이 있어야 하는지를 알게 되었습니다."

그런 다음 마지막 단계로 이동합니다. 프린트해서 환자에게 맞춥니다.

자신감을 갖고 행동

 

팀이 환자를 위한 맞춤형 의지 보호대를 만들기 위해 열심히 작업하고 있지만 간과해서는 안 되는 또 다른 요소가 있습니다. 바로 정신 건강입니다.

임상 심리학자이자 Oqni의 최고 운영 책임자인 Haikouhi Oroudjian은 자신이 교육받은 방식으로 모국을 돕기 위해 합류했습니다.

“몸이 변했다고 해서 삶이 더 나빠진 것은 아닙니다. 단지 다를 뿐입니다. 그리고 그것을 개선하는 방법들이 있습니다."

그녀는 "제가 Hajk를 만났을 때, 우리는 정신 건강과 관련된 솔루션이 지역 사회에 도움이 될 수 있는 방법에 관해 이야기하기 시작했습니다. 아르메니아와 코카서스에는 정신 건강에 관해 큰 오명이 있기 때문입니다. 특히, 전후 트라우마입니다."라고 설명했습니다.

의지 커버를 제작하는 것은 oqni가 하는 일에 필수적이지만, 인문 과학, 정신 건강 및 환자의 복지를 방정식에 통합하는 것 역시 중요합니다. "그렇지 않으면, 정말 의미가 없습니다. 누군가에게 금으로 만들어진 의지를 주고 그 의지가 신체적으로 작동하는 데 도움을 주기 위해 모든 유용한 도구를 줄 수는 있습니다만, 그들의 몸의 새로운 외관에 대한 감정적인 거부감이 있다면, 그것은 중요하지 않습니다."라고 할머니가 절단 수술을 받은 환자였던 Oroudjian은 말했습니다.

     솔루션으로 중요한 것은 신체적인 외관만이 아닙니다. 심리도 큰 역할을 합니다.

 

oqni의 환자들의 특성을 감안할 때 변화는 불가피합니다. 특히 어린 18세 소년일 때 몸이 변하거나 당뇨병을 앓을 때 자신만의 것인 몸이 변합니다. 매일 아침 일어나는 것이 편하게 느끼도록 확실히 다루어야 하는 뇌의 변화가 있습니다. 그리고 단지 몸이 변했다고 해서 삶이 더 나빠진 것이 아니며, 단지 다를 뿐이라는 것을 알아야 합니다. 그리고 그것을 개선하는 방법들이 있습니다."라고 Oroudjian이 말했습니다.

 

다른 조직과 협력

 

oqni는 의지 보호대를 만드는 것 외에도 지역 및 국제 조직과도 긴밀한 관계를 맺고 있습니다. 예를 들어, 이동성에 문제가 있는 다양한 환자들과 함께 작업하는 Ortez Orthotics Centre가 있습니다.

Ortez의 이사인 Araig Tekyozyan은 "아르메니아의 팔·다리 절단 환자는 주로 재정적으로 무능력합니다. 팔·다리 절단 환자가 직장을 구하고 좋은 급여를 받는 것은 더 어렵습니다. 팔·다리 절단 환자는 더 이상 육체노동과 관련된 직업을 가질 수 없기 때문에 직업적인 어려움이 있습니다."라고 말했습니다.

게다가 그들 중 많은 사람이 육체노동이 덜 필요하거나 그들이 더 쉽게 접근할 수 있는 산업인 IT 또는 프로그래밍에 대한 충분한 지식이나 기술을 가지고 있지 않습니다.

그는 이어 "우리는 전체 시스템에서 팔·다리 절단 환자의 신체 조건을 개선하고 충실한 삶을 살 수 있도록 도울 수 있는 기회를 보았습니다."라고 덧붙였습니다.

 

      Ortez의 이사는 환자와 작업할 때 첨단 기술을 사용하는 것을 강력히 지지합니다.

Tekyozyan은 “우리는 작은 나라이지만 고품질의 의지와 의지 장치를 보유하고 있습니다.  3D 스캐닝 및 CAD/CAM 기회 역시 이동이 어려운 환자와 작업할 때 매우 중요합니다."라고 말했습니다.

Eva가 있으면 단 한 명의 전문가가 환자를 방문하면 됩니다.  그는 “단 하나의 휴대용 장치로 환자가 불편함을 느끼지 않게 하면서 측정할 수 있습니다. 이 기술은 현대적이면서 정말 편안합니다. 저는 이 기술이 매우 필요하다고 생각합니다."라고 말했습니다.

대담하게 미래를 향해 나아가는 oqni는 그들과 같은 공간인 예레반의 엔지니어링 시티(Yerevan‘s Engineering City)에서 영업하는 Armbionics와도 협력했습니다. 이 아르메니아 이니셔티브는 생체 신호 기반 전기 손을 전문으로 하며, 여기서 근전기 신호는 의수의 모멘트를 허용합니다. 그러면 환자는 표면 EMG 센서를 사용하여 근육으로부터 수신되는 전기 신호를 통해 전기 손을 더 직관적으로 제어할 수 있으며, 한 손가락, 두 손가락 또는 다섯 손가락으로 쥘 수 있습니다.

게다가 oqni는 교육 기반 프로그램을 운영하는 대학과 지역 TUMO 연구소에서 학생, 재향 군인, 기업가 등을 교육합니다.

              oqni 팀은 예레반의 TUMO 연구소에서 학생들 및 3D 애호가들과 공동 작업합니다.

우리의 현재와 미래

 

oqni는 1년 이상 전에 설립된 이래로 3D 프린팅된 의지 커버로 아르메니아에서 120명이 넘는 팔·다리 절단 환자를 도왔습니다. 그들은 또한 물리치료와 정신건강에 관한 소책자와 앱을 만들기 위해 노력했으며 과학적이고 교육적인 이니셔티브를 개발하고 있습니다.

Bagradjans는 매주 TUMO 연구소에서 열리는 교육에 참석하는 사람들을 언급하며, "우리는 모두 여긴 모인 바이오닉 엔지니어, 하드웨어 엔지니어, 소프트웨어 엔지니어, 디자이너의 차세대를 교육하기 위해 많은 자원을 투입할 것을 지지합니다."라고 말했습니다.

oqni는 모든 것이 시작된 곳으로 노력을 제한하기보다는 이제 그들의 솔루션을 오픈 소스로 만들고 전 세계의 팔·다리 절단 환자가 자유롭게 이용할 수 있도록 하는 다음 단계를 준비하고 있습니다.

"3D 모델링 과정을 통해 참전 용사와 팔·다리 절단 환자는 현대적인 도구를 알게 되고 다시 일할 수 있습니다."

그리고 선행하는 것보다 더 사회적인 방법이 있을까요? 한때 환자였던 개인들도 이제는 나서서 기여하고 있습니다. 팔·다리 절단 환자, 참전 용사 및 전쟁으로 피해를 입은 사람들이 3D 모델 전문가가 되게끔 새로운 기술을 가르치는 이니셔티브가 현재 진행 중입니다.

Oroudjian은 "팔·다리 절단 환자에게 힘을 실어주는 사명에 충실한 oqni는 올바른 도구와 기회가 주어진다면 누구나 자신의 목표와 꿈을 이룰 수 있다고 믿고 있습니다. "3D 모델링 과정이 만들면 참전 용사와 팔·다리 절단 환자가 현대적인 도구를 배우고 이전보다 더 자신감 있고 준비된 마음으로 일터로 복귀할 수 있습니다."라고 말했습니다.

그리고 그들의 배움과 기회도 거기서 멈추지 않습니다.

"최고의 지원자들은 oqni 팀에 합류하여 미래를 위한 솔루션을 구축하는 데 도움을 줄 것입니다."

요약: 다단계 제조로 인해 부정확한 최종 부품 결과로 이어지는 공정 편차가 생길 수 있습니다. 적절한 도구를 사용한 체계적인 접근 방식을 사용하지 않으면 시정 조사가 어렵습니다.

목표: 3D Systems의 Artec 3D Space Spider 스캐너 및 Geomagic Control X 계측 및 품질 관리 소프트웨어를 사용하여 총비용과 프로젝트 시간을 줄이고 정확성을 높이며 반복을 최소화하여 주조소의 기대치를 능가하기.

사용 도구: Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Control X

스캐닝 및 주의 깊게 적층 가공된 부품은 비용을 절감하고, 반복을 최소화하며 정확성 및 품질을 높여 줍니다.

새로운 생산 기술이 발전하면서 최고의 부품을 제조하는 데 있어 새로운 기술적 과제가 생기게 됩니다. 종종 수축, 표면 마감 및 반복성과 같은 요소를 이해하기 위해 계약 제조업체가 처음으로 생산을 하려 할 때 새로운 공정을 상당히 조정해야 하는 경우가 있습니다. 적층 가공도 예외는 아니지만, 이 생산 방법론에서 이러한 요소를 추적하는 도구는 뒤처져 있습니다. 그것은 이제 바뀌고 있습니다.

대부분의 제품은 수명 주기 내내 생산에 이르기까지 일반적인 공정을 따릅니다. 디자인, 제조, 검사는 공정, 단계 및 책임을 고려하는 일반화된 방법입니다. 각각 고품질 부품을 생산하는 데 중요합니다. 제조되는 부품의 복잡성과 특성에 따라 실제 작업 흐름에는 많은 튜닝 루프와 피드백이 있을 수 있습니다.

 

아래의 당사 작업 흐름 예시에서 Artec Space Spider와 Geomagic 소프트웨어가 디자인, 검증 및 제조 공정의 모든 단계에서 3D로 프린팅한 왁스 주조 모형 및 주조 부품에 대한 전체 형상 캡처 및 분석을 제공한 방법을 보여줍니다.

과제

다단계 제조는 정확하지 않은 최종 부품 결과물에 축적되는 불확실성과 공정 편차로 이어질 수 있습니다. 적절한 도구를 사용하여 체계적인 접근 방식을 취하지 않으면 시정 조사는 수행하기 어렵습니다.

솔루션

Artec 3D Space Spider 스캐너 및 3D Systems의 Geomagic® Control X ™ 계측 및 품질 관리 소프트웨어

결과

3D 스캐닝 및 검사 네트를 사용하여 적층 가공된 공구 없는 모형 공정 개선을 통해 최소한의 반복(1))으로 결과를 개선

• 전체 정확성이 10% 증가하여 27%의 비용을 절감

• 주조소와의 긴밀한 업무 관계 및 주조 공정 망의 분석을 통해 최소한 반복(1)으로 주조소의 기대치를 능가하는 부품을 완성

• 최종 부품 정확성이 14% 증가

• 2차 가공 작업의 감소로 마무리 비용을 절감

Artec Space Spider는 치수 검사를 위해 소형 물체와 복잡하고 세밀한 부분을 정확하게 캡처하는 데 탁월한 초고해상도 휴대용 3D 스캐너입니다.

플러그 앤드 플레이(plug and play) 방식으로 작동하는 Space Spider는 복잡한 준비 및 광범위한 사용자 교육 없이 쉽게 물체를 스캔하여 고객이 어디서나 부품을 디지털화할 수 있습니다. Artec 3D의 독점적인 “타깃 없는” 알고리즘을 통해 스캐너는 모양과 색상만으로 물체를 추적할 수 있습니다. 물체에 타깃을 적용할 필요가 없습니다.

Artec Studio 스캐닝 소프트웨어

3D 스캔의 기본 소프트웨어인 Control X는 휴대용 측정 장치를 갖춘 계측에 이상적인 솔루션이며 3D Systems의 Geomagic Control X는 제조를 위한 근본 원인 분석 및 수정을 가능하게 하는 산업용 계측 소프트웨어입니다. Control X를 사용하면 조직 내 더 많은 사람이 더 빠르고 더 자주 더 완벽하게 어디에서나 측정할 수 있습니다.

전체 솔루션은 복잡한 제조 공정에서 성공적인 생산에 대한 고유한 통찰력을 제공합니다. 결과가 어떠냐고요? 전반적인 최종 부품 품질, 정확성 및 반복성이 크게 향상되었습니다.

디자인

이 작업 흐름의 예시에서는 실제 고객 프로젝트를 재현했지만,세부적인 사항은 일반화했습니다. 이 경우 당사 고객은 특수한 자율 주행 경량 차량을 개발하고 있었습니다. 출시 기간을 앞당기기 위해 오늘날 시중에서 판매되는 차량의 다양한 구성 요소와 시스템을 선택하고 결합하여 작동 중인 프로토타입을 완성했습니다. 이 과정에서 고객은 프로젝트에 가치가 있는 특정 조향 너클을 발견했으며, 추가로 수정하고 경량 재료로 생산을 하기 위해 디자인을 디지털화하고 캡처해야 했습니다.

작업을 시작하기 위해 원래의 주물을 3D 스캐닝하고 리버스 엔지니어링했습니다. Artec Space Spider는 신속한 디지털화에 사용되었으며, 고유한 하이브리드 모델링 방식을 사용하여 Geomagic Design X에서 부품을 신속하고 정확하게 모델링했습니다. 일반적으로 고객은 현장 맞춤(매우 정확한) 또는 설계 의도(치수 중심) 모델링 방법을 따릅니다. 하이브리드 모델링 방식은 이러한 두 개념을 결합하여 고정밀 NURB 표면은 물론 치수가 지정된 특징을 모두 갖춘 CAD 솔리드 모형 결과물을 제공합니다. 이 방법을 사용하여 모형은 1.5시간 이내에 완성되었으며 특징 형상 기반 CAD로 SOLIDWORKS에 실시간 전송되었습니다.

 

원래 부품 스캔

하이브리드 CAD 모형

프린팅을 위한 특징 제거(Defeatured) 모형

미완성 2500 IC 프린팅

Projet 2500 IC에서 Sparse Infill 모드의 단면 예

모형 제작

적층 가공은 항공 우주 및 자동차 분야에서 수십 년 동안 희생 주조 모형을 제작하기 위해 사용되었습니다. 최근 3D 프린팅이 발전함에 따라 산업 등급의 모형을 훨씬 낮은 비용으로 왁스 또는 폴리머로 프린팅할 수 있어 인베스트먼트 주조 공정에서 아주 효과적입니다. 오늘날 3D Systems는 도구가 필요 없는 적층 모형 제작이 더욱 광범위하게 채택되는 것으로 생각하고 있으며, 기술이 더욱 접근 가능하고 빠르며 정확해짐에 따라 계속해서 발전할 것입니다.

재료 증착 또는 후처리에서 열에너지를 수반하는 적층 공정의 경우 어느 정도의 부분 변형 및 "침전"이 잠재적으로 발생할 수 있습니다. 질량이 크거나 단면적이 큰 부품은 더 작거나 얇은 부품보다 더 오래 열을 유지합니다.

이러한 지식을 바탕으로 프린팅한 제품의 가능한 최저 비용과 최고 수준의 치수 안정성을 목표로 두 가지 프린팅 방법을 테스트했습니다. 우리는 3D Sprint 빌드 클라이언트 소프트웨어로 제조하고 왁스 주조 모형을 만드는 Projet MJP 2500 IC 시스템에 인쇄한 얇은 셸/희소 왁스 채움 방법뿐만 아니라 완전 고체 왁스 프린팅 방법을 테스트했습니다 경험을 통해 50% 희소 충전율을 가진 2mm 두께의 셸은 상대적으로 큰 부품을 프린팅할 때 고품질의 안정적인 부품을 생산한다는 것을 알았습니다.

두 가지 모형은 후처리 및 냉각 시간 후 동일한 Artec Space Spider로 비교적 쉽게 스캐닝했습니다. 스캐닝 기술자는 부품의 독특한 모양, 녹색 왁스 색상, 후처리의 약간의 희미함 및 미백 효과를 통해 형상 + 텍스처 추적을 사용하여 모형을 부드럽게 캡처할 수 있었습니다.

Geomagic Control X를 사용하여 3D Sprint Build 파일을 직접 가져와서 정확한 프린팅 방향으로 각 부품을 검사했습니다. 우리는 공정을 개선하기 위해 본문 부분을 반복적으로 스캔할 것이었기 때문에, 전체 공정의 개발 이력을 Geomagic Control X 파일로 유지하면서 상세한 검사 프로젝트를 설정하고 여러 번 반복할 수 있습니다. 스캔이 완료되면 우리가 새 stl 파일 각각을 Control X 프로젝트에 드롭하기만 하면 평가 공정으로 자동으로 인계되어 고품질의 반복 가능한 보고서를 작성했습니다.

가공 오프셋이 있는 모든 영역은 일반적으로 주조 공차 내에 있지만, 자유 영역이 많을수록 좁은 공차 대역을 벗어나는 경향을 나타냈습니다. 우리는 이것이 큰 단면적 영역이 열을 유지하고 냉각할 때 모양이 변경될 수 있다는 가정과 적절하게 연관되어 있다고 생각합니다.

이 단계의 종합적인 분석을 통해 왁스 모형을 사용한 3D 프린팅이 비용 효율적일 뿐만 아니라 후처리 후 치수적으로 더 적합하다는 결론을 도출 할 수 있었습니다.

주조

인베스트먼트 주조법은 5,000년 전으로 거슬러 올라가는 신뢰할 수 있는 제조 방법론으로, 산업 혁명이 시작된 이래 지난 수백 년 동안 세계 산업 제조 산업에서 널리 인정받고 있습니다.

오늘날 주조 공정은 상당히 발달하여 있고 반복할 수 있고 잘 알려져 있으며 내부 부품 결함의 가능성을 줄이기 위해 시뮬레이션 소프트웨어가 제공됩니다. 숙련된 주조소와 협력하고 고객의 최소한의 노력만 있으면 적층 가공된 모형을 제공하고 내부 결함이 없고 일반적인 주조에 대한 예상 공정 허용 오차를 초과하는 부품을 생산할 수 있습니다.

결과 및 공정 반복 테스트에 적극적으로 참여하는 고객은 주조 공정 자체의 안정성으로 인해 부품 형상을 조정할 때 훨씬 높은 품질의 결과물을 얻을 수 있습니다.

필요한 주조 크기

실제 모형 크기

• 공정에 사용된 부품 재료 ~ 35% 감소.

• 재료 비용 ~ 27% 감소.

• 전반적인 공차 준수 ~ 10% 증가(3D 비교 사용).

• 고체 부품은 공차 임계값을 초과하지 않음.

• 채움 부품은 공차 임계값을 통과함.

• 또한, 추가 조사에 따르면 실온에서 장기 치수 안정성이 고체 부품보다 개선된 것으로 나타났음.

 

 

 

분석: 고체 왁스 모형

분석: 채움 왁스 모형

수축은 주조 공정에서는 알려진 결과이며 일반적으로 주조소는 고객에게 경계 상자로 정의한 특정 재료와 부품 크기에 대한 보상을 제공하기 위한 지침을 제공합니다. 형상의 복잡성과 물리적 주조 공정에 의해 합성되기 때문에 대부분의 부품에서 균일하지 않은 수축이 발생하는 것이 일반적입니다. 따라서 주조는 일반적으로 "느슨한 공차" 공정으로 간주할 수 있습니다.

조향 너클의 주조 공정에서 모형과 재료에 적합한 수축률을 조사했습니다. 주조소는 상담 후 2% 균등한 스케닝을 사용하여 정확한 부품을 생산할 것을 권장했습니다. 3D 스캐닝과 정밀 스케일 팩터가 최종 부품 정확도에 미칠 수 있는 영향을 조사하기 위해 조언에 따라 스케일 팩터가 2%인 왁스 모형을 생산하여 주조소에 공급했습니다.

균등한 스케일링 계수가 예상 공차와 일치하는지 확인하기 위해 반환된 주물을 추가로 검사하였습니다. 일반적인 주조소 사양에 따라 확실히 파트너가 지정한 달성 가능한 정확도 매개 변수 내에 들어오는 부품을 공급했습니다. 그러나 Control X의 단면 비교 도구를 사용하여 면밀히 검사한 결과 정밀 스케일 팩터를 더 잘 사용하면 완성된 부품의 전체 정확도를 상당히 향상할 수 있는 일부 명백한 영역이 있었습니다

공차 대역이 좁은 이 단면 실루엣 비교는 파란색으로 표시된 외부 경계를 명확하게 표시하고 내부 경계는 주황색 및 빨간색으로 표시합니다. 외부 프로파일은 실제 부품 경계가 참조 경계 안에 있는 "크기 부족" 상태를 확인하고 있습니다. 내부 외곽선은 중심 실린더 그림이 의도한 것보다 치수가 작지만 참조 그림 외부로 나타남을 보여줍니다. 이는 부품의 전체 실루엣 그림자에 스케일 팩터를 증가시키고 프린팅한 후 다시 주조하면 수정할 수 있는 배율 차이가 있음을 나타냅니다.

이전의 주조 공정 개선 조사를 통해 우리가 적용할 수 있는 권장 표준값에서 상대적 조정에 대한 통찰력을 얻었으며 두 번째 왁스 모형은 X, Y 및 Z에서 2.2%, 2.3% 및 2.7% 각각의 비균등 스케일 팩터로 프린팅하여 주조소에 공급했습니다.

정밀 보정 모형에 대한 최종 검사를 통해 다음과 같이 모형과 부품 간의 공정에 대한 몇 가지 결론을 도출할 수 있었습니다.

• 정밀 스케일 패턴은 주조소 기대치를 초과한 결과를 제공했습니다.

• 스케일 수정 부품의 전체 치수 적합성은 ~ 14% 증가했습니다.

• 정밀도가 높아지면 적어도 하나의 주요 가공 작업을 피할 수 있습니다.

• 총 전체 부품 생산 비용이 절감되었습니다.

• 일반적으로 기계 작동을 줄이기 위해 추가로 정밀도를 적용할 수 있는지 확인하기 위한 향후 분석이 필요합니다.

결론

효율성은 수익성을 유지하고 노동 및 생산 주기의 낭비를 줄이는 데 중요합니다. Artec 3D Space Spider 및 Geomagic Control X를 통해 튜닝 주기 및 반복을 가능한 한 최소화하여 공정의 각 단계를 분석함으로써 제조된 부품의 전체 품질을 향상할 수 있었습니다. 반복 및 추측의 감소, 시간과 비용의 절감 그리고 시장 출시 시간의 단축은 고품질 3D 스캐닝 및 스캐닝 기본 산업 검사 소프트웨어를 위한 토탈 솔루션을 사용함으로써 얻을 수 있는 주요 이점입니다.

 

 

스케일 오차의 분석 단면

최종 주조 부품

최종 주조 분석