제품을 제작하는데 있어서 소요되는 시간과 비용의 절감은 모든 생산자들에게 주어진 하나의 과제입니다.

 

많은 제조 방식이 이에 도전장을 내밀었지만 가장 마지막에 웃은 것은 역시 3D 프린팅 기술이었습니다. 무려 생산 소요 기간을 95%나 단축하는데 성공한 것인데요, 자세한 내용을 함께 확인해 보시겠습니다.

 

 

 

 

 

주조 방식이라는 단어를 들었을 때 가장 먼저 떠오르는 것은 아무래도 용융된 금속을 거푸집(주형)에 부어 형상을 만드는 방식을 것입니다. 이 방식은 약 5,000년에 달하는 긴 역사를 가진 근본 중에 근본입니다. 지난 세기 동안에 인류가 발전했듯 왁스 패턴을 태워 제조한 후 세라믹 금형에서 금속 부품을 만드는 기존 정밀 주조 방식도 어느 정도 발전을 거듭하였습니다. 

 

하지만 아무리 발전을 했다고 해도 필요한 툴링 제작은 여전히 기대치 만큼 속도를 내지 못했고 천문학적인 비용도 요구되는 게 문제였습니다. 아래 사진을 참고하시면 이해가 빠를 것입니다. 본격적인 생산에 들어가는 과정만 약 8 주에서 12 주가 소요됐고 그것도 경제적인 여건도 뒷받침되어야만 가능한 이야기였죠.

 

 

 

 

 

 

 

하지만 3D 프린터가 세상에 등장한 후 여러 산업에서 활용되기 시작하면서 정밀 주조 분야에도 커다란 변화의 바람을 일으켰습니다. 3D 프린팅 기술이라는 나비의 작은 날개짓이 정밀 주조 산업에 큰 태풍을 야기한 건데요, 실제로 8 주에서 12 주 가량 소요되던 시간이 약 95% 단축되어 2-3일 만에 본격적인 생산에 들어갈 수 있게 되었습니다. 그 예시로 Vaupell이라는 회사 이야기를 공유해 드리겠습니다.

 

Vaupell은 약 70년 동안 항공 우주 구성품과 서브어셈블리를 납품해온 공급 업체이자 3D 프린팅 분야에서 20년 넘게 종사한 베테랑 기업입니다. 그들은 3D Systems의 정밀 주조용 SLA(광조형) 프린터를 이용하여 매우 복잡한 부품을 빠르게, 저렴하게 제작하여 공급할 수 있었습니다. 전통적인 방식과 비교했을 때 소요되는 비용과 시간을 대폭 단축했으며 품질 향상도 이루어냈습니다. 또한 항공 우주 시장은 복잡한 형상을 가진 부품을 소량만 요구하기 때문에 다품종 소량 생산이라는 강점을 지닌 3D 프린팅 기술은 너무나도 적합했죠.

 

 

 

 

 

 

위 부품 사진을 통해 조금 더 구체적으로 설명을 드리겠습니다. 위 부품은 26인치라는 직경을 가지고 있습니다. 해당 부품을 왁스 도구로 제작한다면 시간이 어느 정도 소요될까요? 적게는 수개월에서 많게는 1년 이상입니다. 그만큼 비용도 많이 발생되고 인력도 필요하겠죠.

 

하지만 3D Systems의 SLA 3D 프린터를 사용한다면 이야기가 달라집니다. SLA 3D 프린터는 대용량 출력이라는 강점을 바탕으로 대형 부품을 출력하거나 크기가 조금 작은 부품을 다수 출력할 수 있고 물론 이 과정에서 뛰어난 유연성과 속도가 뒷받침 됩니다. Vaupell은 이 장비를 활용하여 위 부품을 2-3일 만에 제작할 수 있었습니다.

 

실제 담당자의 이야기를 들어보겠습니다. Vaupell의 담당자는 "SLA 3D 프린터 장비는 대형 플랫폼 제작에 있어 여타 장비와 비교할 수 없는 강점을 가지고 있다" 라고 언급했습니다. 아울러 "빌드 사이즈가 작은 3D 프린터였다면 2회에 걸쳐 출력해야 했을 대형 부품이 단 한 번 만으로 제작이 됐고 그에 따라 소요 기간과 인건비 절약에 큰 도움을 주었다" 라며 덧붙였습니다.

 

 

 

 

 

 

3D 프린터를 생산 공정에 도입한 후 Vaupell에게는 어떤 변화가 생겼을까요?

 

3D Systems의 SLA 장비 도입 이후 Vaupell은 해당 장비의 정교성에 힘입어 복잡한 형상도 쉽게 제작할 수 있었고 덕분에 항공우주 산업 고객들의 디테일한 니즈를 만족시킬 수 있었다고 밝혔습니다. SLA는 높은 정밀도와 정확한 공차, 그리고 대형 프린트 베드를 가지고 있습니다. 또한 레진의 마감 처리 역시 굉장히 우수하기 때문에 출력 이후 후처리 시간 단축에도 효과적이며 큰 빌드 사이즈를 가지기 때문에 2개를 하나로 합치는 작업이 불필요합니다.

 

 

 

 

 

 

혹자는 정밀 주조 시장이 앞으로 두 가지 비즈니스 요건을 갖춰야 한다고 말합니다.

 

하나는 어떤 방법으로든 툴링이 불가능한 부품에 사용할 주조 개발이고, 나머지 하나는 너무 복잡해서 생산에 적합한 금형을 제작하는데 수년이 걸리는 부품에 사용될 수 있는 주조 개발입니다.

 

 

 

 

 

 

눈치 채셨겠지만 이 두 요건을 가장 잘 충족할 수 있는 것은 역시 3D 프린팅입니다. 항공우주 산업에 종사하는 회사들은 3D 프린팅 기술을 통해 복잡한 형상도 쉽게 설계할 수 있으며 어셈블리를 구성하는 부품 수를 줄여 중량을 낮추는 동시에 강도와 내구성은 그대로 유지하거나 심지어는 높일 수도 있다고 말합니다.

 

앞서 언급했듯 시간도 대폭 감소시킬 수 있죠. Vaupell의 관계자는 "SLA 3D 프린터의 속도에 힘입어 고객들에게 빠른 속도로 부품을 납품할 수 있게 되었다. 고객이 생산 또는 원형 제작 도구를 설계해 제작한 후 테스트하여 온라인으로 가져오기 한참 전에 요청한 부품을 공급하고 있다" 라고 설명했습니다.

 

 

 

 

 

 

해당 회사의 한 프로젝트를 예를 들면 SLA 3D 프린터를 활용하여 복잡한 정밀 주조 패턴을 개발한 후 부품을 생산했더니 불과 2.5일 만에 부품 20개를 생산할 수 있고 매월 120개까지 빠르게 확장할 수 있었다고 합니다. 이를 통해 고객과의 계약을 성공적으로 끝냈으며 고객사의 비용 절감에도 큰 도움을 주었습니다. Vaupell은 1년을 통틀어 보았을 때 2~3가지 패턴을 한 달에 150개까지 생산하고 있습니다.

 

 

 

 

 

 

SLA 3D 프린터가 왁스 툴링을 압도할 수 있었던 원동력은 어디에 있을까요? 다양한 요소가 작용했겠지만 아무래도 가장 큰 이유는 금속에 적층되는 왁스의 수축은 계산하지 않고 금속 수축만 계산해도 된다는 것입니다. 또한 패턴이 정확하여 왁스 툴링과 비교했을 때도 더욱 정밀한 공차를 유지할 수 있다는 장점도 있죠.

 

아울러 실수를 두려워 하지 않아도 된다는 점도 주목해야 할 부분입니다. 전통적인 생산 방식은 패턴에서 실수가 발생하거나 예상한 것보다 성능이 좋지 않다면 상사 혹은 고객사의 쓴 소리를 들었어야 하거니와 막대한 시간, 비용을 다시 쏟아야 하기에 담당자에게 부담이 많이 됐습니다. 하지만 3D 프린터를 사용한다면 그저 새로운 패턴을 디자인한 후 다시 출력해서 확인하는 과정을 반복하며 최고의 결과 값을 얻어내면 되기에 문제가 되지 않습니다.

 

기존 정밀 주조 회사들 대부분이 원형 제작 비즈니스를 중단했다는 사실만 봐도 알 수 있을 것입니다.

 

 

 

 

 

 

기존 왁스 금형을 사용한 반복적 설계 원형 제작은 경제적인 관점에서 보았을 때 바람직하지 않습니다. 하지만 SLA는 반복 설계에 매우 적합하여 부품 개발과 프로세스 개발을 모두 지원합니다.

3D프린팅 초기에는 정밀 주조에 대한 관심이 주로 사용 가능한 소재의 품질과 속성에 집중되어 있었습니다. 하지만 이러한 관심은 Accura CastPro Free 같은 소재가 출시되면서 사라졌습니다.

CastPro Free는 폴리카보네이트와 유사한 투명 소재로 중금속이 전혀 없습니다. 정확도도 매우 높아서 안정적이고 품질 높은 정밀 주조 패턴을 제작하는 데 적합합니다.

CastPro Free는 기존에 출시된 레진과 비교했을 때 연소 후 잔류 회분이 적어서 후처리 시간이 줄어드는 동시에 품질을 높일 수 있습니다.

관계자는 "레진이 완전 연소가 되지 않으면 고객에게 문제가 생깁니다. 완전 연소와 연소 청청도가 CastPro Free의 품질에 절대적인 역할을 하는 이유도 여기에 있습니다."라고 강조했습니다.

Hammerhead Design은 의사, 의료진 및 의료 기기 회사에 컨설팅 설계 엔지니어링을 제공하기 위해 1997년에 설립되었습니다. 해머헤드 디자인은 엔지니어링, 교육 및 컨설팅에 중점을 둡니다. 이러한 Hammerhead Design은 3D Systems의 SLA ProJet 6000과 7000 장비를 활용해 의료진들에게 프로토타입을 만들어 교육을 제공하고 의료 기기의 모델 사전 테스팅에 활용하였습니다.

 

엔지니어는 설계를 보호하고 첫 번째 프로토타입을 설계하여 설계를 지원할 수 있습니다. Hammerhead는 평가 프로세스를 통해 개념을 옹호할 기업 구조에 적합한 사람을 찾을 수 있습니다.

 

교육에서 Hammerhead는 다양한 실습 교육 세션을 제공합니다. 그들은 특정 질병 치료를 가르치기 위해 해부학적 모델을 구축할 수 있습니다. Hammerhead는 또한 장치 개발 및 테스트를 지원하는 생체 외 모델을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 고객사의 Needs 가 무엇이든, Hammerhead는 3D Systems 장비를 활용하여 디자인할 수 있게 되었습니다.

 

 

도전과제

Hammerhead는 의사들에게 특정 질병 치료에 대해 가르치는 데 사용되는 해부학적 모델을 보호하는 의료 기기(이식편 트레이)를 설계했습니다. 그들은 전체 생산 공정에서 커뮤니케이션도 하고, SLA 및 주조 우레탄을 제공 할 공급 업체가 필요했습니다.

"테스팅에 사용되는 내부 장기들을 안정화시킬 트레이가 필요했습니다."라고 Becky는 말했습니다. "또한 트레이와 함께 사용할 부품의 색상과 일치하도록 프로토타입을 도색할 수 있어야 했습니다."

해결방법

3D Systems 부품 서비스는 견적 프로세스를 통해 Hammerhead의 모든 생산 요구 사항에 대한 단일 소스 솔루션을 제공했습니다. 도장된 SLA 부품이 있는 트레이의 디자인을 확인한 후 Hammerhead는 트레이 생산을 위한 주조 우레탄 공정을 결정했습니다.

"온라인 견적 프로세스를 사용하여 시간을 절약 할 수 있었습니다."라고 Becky는 말했습니다. "온라인 견적은 조정이 쉽고, 제가 수정하고 싶을 때 변경이 용이합니다."

혜택

2000년대 이래로 3D Systems의 충성도 높은 고객이었던 Hammerhead와 Becky Delegge는 프로토타입 및 사전 생산 부품에 3D Systems를 사용해왔습니다. 공급업체를 선택할 때 커뮤니케이션은 Hammerhead와 3D Systems의 핵심이었습니다.

"Hammerhead는 3D Systems와의 협력을 통해 의학 교육의 패러다임을 바꿀 수 있었습니다"라고 Becky는 말합니다. "저는 3D Systems가 제 비즈니스의 자산이라는 것을 비로소 깨닫게 되었습니다."

하와이 음악의 필수품인 우쿨렐레의 이름은 대략 "점프 벼룩"으로 번역되며, 전통적으로 작은 나무 악기를 연주할 때 연주자의 펄럭이는 손가락에 대한 찬사입니다. 

바쁘고 벼룩 같은 스트러밍이 관련되어 있기 때문에 무엇이든 "우케"를 만들 수는 없다고 말합니다. 내구성이 있어야 하고 소리가 좋아야 합니다.

 

 

 

 

우쿨렐레는 아웃도어용으로 디자인된 우케를 만들고 내구성과 음색을 위해 설계되어 배낭여행객, 캠핑카, 등산객, 선원, 학생 등 전 세계의 활동적인 우케 애호가들이 어디든 가져갈 수 있습니다. 회사가 새로운 테너 우쿨렐레를 완성할 때 빠르게 생산된 프로토타입에서 동일한 내구성이 필요했습니다. 인디애나 래피드 프로토타이핑 서비스 제공업체이자 3D Systems SLA 기계 사용자인 Realize Inc.는 아웃도어 우쿨렐레를 위한 완벽한 기기를 만들었습니다.

Realize Inc.의 프로젝트 리더인 Brian Cazzell은 Outdoor Ukulele이 폴리카보네이트와 같은 수지를 사용하여 테너 우쿨렐레의 본격적인 프로토타입을 만들 수 있는 사람을 찾는 데 어려움을 겪고 있다고 말합니다. 최종 기기는 유리로 채워진 폴리카보네이트로 사출 성형되며, 프로토타입은 크기와 강도가 최종 기기에 최대한 가까워야 했습니다.

 

 

"악기 프로토타이핑에서 가장 큰 과제는 연주 가능하게 만드는 데 필요한 허용 오차를 갖춘 부품을 받는 것입니다. 스케일 길이와 프렛 위치는 정확해야 합니다."라고 Outdoor Ukulele의 Scott Seelye는 말했습니다. "Realize 이 크기의 부품을 기꺼이 시도한 유일한 회사였으며 이를 작업 도구로 사용할 수 있었습니다."

3D Systems 광조형(SLA) 3D 프린팅을 사용하는 Realize Inc.에게는 문제가 되지 않았으며 아큐라 60® 수지를 사용하여 최종 프로토 타입을 만듭니다. SLA 3D 프린팅은 뛰어난 정확도로 잘 알려져 있으며, 3D Systems는 30년 이상 이 기술을 완성해 왔습니다. 이 회사의 설립자 인 척 헐 (Chuck Hull)은 광 조형 기법을 발명했으며 오늘날의 3DS SLA 기계는 빠른 인쇄 시간과 큰 제작 볼륨을 자랑하여이 기술로 알려진 정밀도를 보완합니다. 오늘날 항공우주, 제조, 주조 및 의료 모델링 애플리케이션은 모두 3D Systems SLA를 통해 한 차원 높은 속도와 정확도를 제공합니다.

 

 

 

이 경우 Realize Inc.는 SLA의 장점을 활용하여 단 며칠 만에 Outdoor Ukulele의 정확한 사양에 맞는 작동하고 재생 가능한 우쿨렐레 프로토 타입을 생산할 수있었습니다. Seelye는 "Realize 제품에서 받은 부품은 실제에 매우 가까운 기기를 제공했기 때문에 고객은 이미 생산 중이라고 생각했습니다.

앞으로 아웃도어 우쿨렐레는 Realize Inc.를 유일하게 승인된 프로토타입 회사로 사용할 예정입니다. "Realize에 대한 우리의 경험은 훌륭했습니다."라고 Seelye는 말합니다. 3D Systems는 이처럼 독특한 프로젝트에 참여하게 된 것을 자랑스럽게 생각하며, 서비스 제공업체와 제조 회사 모두가 필요한 부품을 그 어느 때보다 정확하고 빠르게 제작할 수 있도록 기꺼이 지원합니다.

3D Systems의 가상 수술 계획 서비스 및 SLA 3D 프린팅은 중요한 안면 재건 수술이 필요한 Blessing Makwera를 치료할 수 있도록 환자별 수술 가이드를 제공합니다.

기술이 종종 단순히 일상 생활을 자동화 할 때 "삶을 변화시킨다"는 주장에 대해 냉소적 인 태도를 취하기 쉽습니다. 그러나 3D 프린팅의 경우 마케팅 과대 광고가 아닙니다. 축복 Makwera에게 물어보십시오.

 

 

 

 

9살 때 비극적인 사고를 당한 23세의 짐바브웨 남성은 이제 깊고 풍부한 미소로 자연스럽게 햇볕이 잘 드는 성향을 표현할 수 있는 얼굴 구조를 갖게 되었습니다. 새로운 얼굴은 Operation of Hope, Sharp Memorial Hospital 및 3D Systems의 공동 노력으로 가능했습니다.

다른 곳의 도움

 

블레싱은 입에서 지뢰 기폭 장치가 폭발하여 위턱과 아래턱, 혀, 입술, 치아에 심각한 손상을 입혔을 때 부상을 입었습니다. 그는 전 세계의 소외된 지역에 있는 사람들에게 삶을 변화시키는 외과 치료를 제공하는 캘리포니아에 기반을 둔 조직인 Operation of Hope의 사장인 Jennifer Trubenbach가 이끄는 짐바브웨 외과 임무 중에 발견되었습니다.

트루벤바흐가 블레싱을 돕고 싶어하는 것은 쉬웠습니다.

"그는 불행한 상황에도 불구하고 우리 모두에게 영감을 준 전염성 정신을 가지고 있습니다. 그는 결코 불평하지 않고 항상 감사하며 인생의 모든 것에서 은색 안감을 찾습니다."

 

트루벤바흐는 블레싱이 캘리포니아 샌디에이고에 있는 샤프 메모리얼 병원의 도움을 받도록 주선했다. 병원의 외과의들은 블레싱의 얼굴을 재건하고 새로운 치아를 주기 위해 2년의 시간과 전문 지식을 기부했다. 구강 악안면 외과 의사인 Joel Berger 박사는 3D Systems에 연락하여 Blessing을 위한 VSP®(Virtual Surgical Plan) 서비스를 제공했습니다.

"우리는 버거 박사와 협력하여 광범위한 수술을 사전 계획하는 데 도움을 주었습니다"라고 회사의 3D 헬스케어 제품 중 일부인 3D Systems의 VSP 재구성 서비스를 주도하는 Mike Rensberger는 말합니다. "우리는 교정 턱 수술에서 악안면 외상, Blessing의 경우와 같은 비골이없는 피판에 이르기까지 모든 것을 지원했습니다."

 

4일간의 준비 일정

 

블레싱의 위턱과 아래턱을 재건하기 위한 초기 수술에는 버거 박사와 성형외과 의사 제임스 차오 박사가 이끄는 병원 팀과 렌스버거가 이끄는 3D Systems 팀 간의 특별한 안무가 필요했습니다.

비골 자유 피판 수술은 비골에서 뼈, 조직 및 혈관을 채취하여 목의 혈관에 연결된 위턱과 아래턱을 형성하도록 재구성하는 것을 포함합니다. 수술은 Rensberger와 그의 팀에게 익숙했지만,이 경우의 기간은 벅찼습니다 : 축복은 화요일 비행기에 도착했고 수술은 불과 4 일 후 토요일에 예정되었습니다.

 

블레싱의 CT 스캔은 수요일 오전 10시에 콜로라도주 골든에 있는 3D Systems 의료 서비스 시설에 도착했습니다. 엔지니어들은 즉시 수술을 3D로 시각화하는 데 필요한 3D 해부학적 정보를 추출하기 시작했습니다. 2시간 이내에 Sharp Memorial과 3D Systems 팀은 웹 회의에 참석하여 Blessing의 의료 이미지를 확인했습니다. 한 시간 동안 그들은 수술 계획을 세웠습니다.

Rensberger는 "골든에 있는 사무실에서 컴퓨터로 수술 계획 소프트웨어를 실행하고 있었는데, 외과의는 샌디에이고의 회의실에서 내 컴퓨터 화면을 보고 절단과 움직임을 모두 실시간 3D로 지시했습니다.

 

 

 

외과의를 돕는 3D 프린팅

3D 수술 계획과 함께 3D Systems는 광조형 3D 프린터를 사용하여 Blessing의 고유한 해부학을 기반으로 모델과 도구를 만들었습니다. 광조형(SLA) 공정은 자외선 경화성 재료의 얇은 층을 서로 겹쳐서 인쇄하여 부품 또는 어셈블리를 형성합니다.

가상 수술 계획 팀은 3D Systems ProX 800 및 ProJet 7000 SLA 프린터를 사용합니다. ProX 800은 다양한 소재와 뛰어난 표면 평활도, 형상 해상도, 가장자리 선명도 및 공차로 유명합니다. ProJet 7000 HD는 고온에 강한 인장 및 충격 강도를 가진 소재를 제공하여 치과 응용 분야에 이상적입니다.

수술에는 세 세트의 3D 인쇄 모델과 도구가 필요했습니다.

 

플레이트 벤딩 템플릿이 있는 재구성된 하악(아래턱) 모델

재구성된 상악(위턱) 모델. 

수술실에서 외과 의사의 톱날을 안내하는 하악 및 비골 절단 도구.

외과의는 수술 전에 티타늄 재건 플레이트를 미리 구부리는 데 사용하여 귀중한 수술 시간을 절약했습니다.

 

수술 중 참조용으로 사용되는 하악 및 상악 모델. 이 모델은 외과의에게 연조직 층 아래에 무엇이 숨겨져 있는지 보여줍니다. 그들은 수술을 시작하기 전에 외과의에게 Blessing의 턱 해부학에 대한 실습 경험을 제공했습니다.

모델, 가이드 및 템플릿에 사용 된 재료는 수술실에서 사용할 수 있도록 멸균 및 승인 될 수 있어야했습니다. Rensberger와 그의 팀은 두 가지 3D Systems 수지 기반 재료, 즉 치아 뿌리와 신경관의 선택적 착색을 허용하는 반투명 재료를 선택했습니다. 

(절단 가이드, 템플릿 및 수술 후 모델에 사용 된 우수한 기계적 특성을 가진 불투명 한 흰색 재료)

"Blessing은 재건을 설계하는 동안 참조할 정상적인 해부학이 없었기 때문에 정규화된 해부학 세트를 사용하여 비골이 없는 플랩 세그먼트의 크기를 조정하고 모양을 만들어 정상적인 모양을 제공했습니다"라고 Rensberger는 말합니다.

목요일 오후까지 3D 인쇄 된 수술 가이드가 완성되어 밤새 샌디에고로 보내졌습니다. 외과의는 금요일에 물리적 템플릿, 가이드 및 모델을 검토하고 토요일 수술 준비가 되었다고 선언했습니다.

 

 

 

미소의 귀환

 

12시간의 수술은 성공적이었고, 블레싱 마크웨라는 이제 정상적인 턱처럼 보이고 기능하는 턱을 갖게 되었습니다. 3D Systems 팀에 보낸 편지에서 Berger는 가상 수술 계획과 3D 프린팅 모델 및 도구에 대해 칭찬을 아끼지 않았습니다.

"당신이 구성한 수술 계획과 가이드를 통해 두 수술 팀이 결함을 효율적이고 신속하게 재구성할 수 있었습니다. 모델, 가이드 및 템플릿은 정확하고 매우 훌륭하게 설정되었으며 수술이 차질 없이 진행될 수 있었습니다."

나중에 수술에서 Blessing은 치과 보철물을 지지하기 위해 새 턱뼈에 임플란트를 이식하여 미소를 되찾았습니다. 3D Systems는 해당 시술을 위한 수술 전 계획에 사용되는 환자별 모델을 만들었습니다. 여러 재료를 사용하여 3D 프린팅된 이 모델을 통해 임상의는 뼈의 부피를 종합적으로 분석하고 근처의 중요한 해부학적 랜드마크와의 근접성을 이해하며 비교적 쉽게 구강-악안면 수술을 준비할 수 있습니다.

축복 Makwera는 이제 자유롭게 웃고, 웃고, 말하고, 먹습니다. 그는 현재 웨스턴 아이다호 대학에 다니고 있으며 폐차장에서 찾은 부품으로 오토바이를 수리하여 등록금을 지불하고 있습니다.

"차이를 만드는 것"이라는 문구는 종종 부주의하게 사용되지만 Operation of Hope, Sharp Memorial Hospital 및 3D 프린터에서 그 진정한 의미가 드러납니다. 

회사가 우주 탐사에 혁명을 일으키는 것과 같은 대담한 일을 시작하면 설계 및 제조부터 시작하여 많은 전통적인 프로세스에 대한 책을 버릴 가능성이 높습니다. 행성 자원은 우주의 최전선에 있을 뿐만 아니라 제조 자체의 정점에 있습니다. 이 회사는 3D Systems 기술을 사용하여 복잡한 부품과 어셈블리를 최적화함으로써 부품을 더 가볍게 만들고, 더 빠른 설계 반복을 수행하며, 어셈블리를 하나의 주조 부품으로 통합하여 비용을 절감하고 있습니다.

 

 

 

Planetary Resource의 명시된 임무는 대담합니다 : "인류의 경제적 영향권 내에서 태양계를 가져올 자원 활용을위한 새로운 패러다임을 수립하는 것."

이 회사의 저비용 로봇 우주 탐사 차량은 물과 귀금속 채굴을 위해 지구 근처 소행성을 식별하는 Arkyd 시리즈 우주선입니다. 최초의 시범 우주선인 A3R은 2015년에 발사되어 성공적으로 궤도에 진입했습니다. 두 번째 시연 모델 인 A6는 2016 년 봄에 출시 될 예정입니다. 시리얼 상자 크기의 두 시범 우주선은 항공 전자 공학, 제어 시스템, 소프트웨어 및 소행성 자원을 감지하고 특성화하기위한 센서를 포함한 핵심 기술을 검증하는 데 사용되고 있습니다. 그들은 Planetary Resources의 첫 번째 본격적인 생산 선박 인 Arkyd 100, 200 및 300 시리즈의 무대를 마련하고 있습니다.Arkyd 100, 200 및 300은 시연 항공기의 약 두 배 크기이며 질량은 11-15 킬로그램 (24-33 파운드)입니다. 그들은 더 큰 기본 탑재량으로 우주로 타고 갈 수 있을 만큼 충분히 작으며, 조건이 허락할 때 우주 정거장에서 궤도로 보내집니다.

 

 

 

낭비되는 공간 제로

 

Planetary Resources는 Arkyd 우주선이 결국 대량 생산 될 것으로 예상하므로 우주선의 아키텍처 내에서 너무 무겁거나 너무 많은 공간을 차지하는 것은 공간이 없습니다. 이것이 바로 3D Systems가 등장하는 부분입니다.

"3D 프린팅은 개별 조각을 하나의 유기적 인 부분으로 통합하는 데 도움이됩니다."라고 Planetary Resources의 사장 겸 CEO 인 Chris Lewicki는 말합니다. "목표는 낭비되는 공간없이 휴대 전화와 같은 우주선을 갖는 것입니다." 집중의 핵심 영역은 연료 탱크로, 과거에는 우주선 부피의 많은 부분을 차지했으며 종종 신체 외부에 부착 된 부속물처럼 보입니다. 반면, Arkyd 200 및 300의 행성 자원 설계는 3D Systems의 특허 받은 QuickCast™ 주조 패턴을 사용하여 추진 시스템을 우주선 자체를 위한 구조적으로 통합된 프레임워크로 만듭니다. 매니폴드, 플레넘 및 라우팅 지오메트리와 같은 다른 부품도 우주선을 지지하는 구조 요소에 직접 통합됩니다.

 

 

오랜 시간 동안 검증된 기술 현대화

 

수천 년 전으로 거슬러 올라가는 전통적인 주조 기술을 현대화하는 방법론인 QuickCast는 설계 복잡성을 처리하기 위한 완벽한 솔루션입니다.

3D Systems 프로세스를 통해 3D 패턴은 광조형(SLA) 기계로 구축됩니다. 빌드가 완료되면 패턴에서 액체가 배출됩니다. 그런 다음 패턴은 주조 세라믹 쉘에 코팅됩니다. 껍질이 굳 으면 고열로 소성되어 패턴을 태 웁니다. 금속이 생성 된 공동에 부어집니다. 냉각 후 외부 쉘이 파손되어 완성 된 부품이 드러납니다.

QuickCast 프로세스의 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 더 많은 기능을 위해 복잡한 부품을 설계하는 능력.

• 하루 만에 CAD에서 패턴으로 이동할 수 있으므로 엄청난 시간 절약.

• 시간이 많이 소요되는 툴링을 제거하여 설계 반복 속도가 빨라집니다.

• 구성 요소 통합으로 인한 부품 수 감소.

• 기존의 비행 인증 금속을 포함한 모든 유형의 합금에 대한 접근.

"QuickCast는 전통적인 제조로는 불가능한 기능을 제공하며 직접 금속 인쇄의 약속에 대해서도 흥분하고 있습니다."라고 Planetary Resources의 수석 엔지니어 인 Chris Voorhees는 말합니다. "ProX DMP 320 시스템과 같은 새로운 3D Systems 제품을 통해 티타늄 부품에서 훨씬 더 미세한 디테일과 정밀도를 만들 수 있으며, 곧 출시될 우주선에서 이를 우주에 배치할 수 있기를 기대합니다."®

 

 

 

저렴한 비용 빠른 제작속도

 

3D 프린팅 패턴을 사용하여 금속을 주조하면 설계자는 더 높은 수준의 설계 정교함을 얻을 수 있으므로 전통적으로 제조된 부품 및 어셈블리에 필요한 패스너, 클램프, 나사 및 기타 보조 부품을 제거하는 유기적인 모양을 만들 수 있습니다.

"추진 탱크는 일반적으로 우주선 부피의 큰 부분입니다."라고 Lewicki는 말합니다. "3D 프린팅을 통해 추진제를 고정할 최적의 구조를 위해 티타늄과 같은 재료를 사용하여 보다 효율적이고 유기적인 설계를 탐색할 수 있습니다. 그 결과 더 가볍고, 더 저렴하고, 더 안전하고, 대량으로 복제하기가 훨씬 쉬운 우주선이 탄생했습니다." 3D Systems 및 Planetary Resources에서 만든 실물 크기 모델은 3D 프린팅이 Arkyd 200 및 300 설계에 정보를 제공하는 정도를 보여줍니다. 우아한 모델은 믿을 수 없을 정도로 단순 해 보입니다. 3D Systems SLA 프린터의 주조 패턴으로 제작된 도넛 모양의 티타늄 연료 탱크는 전체 우주선의 외부 프레임워크 역할을 합니다. 고정 장치, 케이블 라우팅 및 기타 요소가 설계에 내장되어 부품 수를 줄이고 강도와 안정성을 추가합니다. 도넛 중앙의 구멍에는 열 레이저 센서와 통신 구성 요소가 들어 있습니다.

3D 인쇄 패턴을 사용한 최초의 연료 탱크 디자인은 2016 년 말에서 2017 년 초에 출시 될 예정인 Arkyd 100에서 데뷔 할 예정입니다. Arkyd 100은 지구 관측을 수행하고 소행성을 찾도록 설계되었습니다. 소행성의 물리적 특성에 대한 과학적 데이터를 수집하도록 설계된 Arkyd 200이 뒤 따를 것입니다. 그리고 Arkyd 300은 심우주 탐사를 가능하게 하는 더 큰 추진 시스템을 특징으로 할 것입니다.

 

 

항공우주 제조의 미래

 

3D Systems 프린터는 설계 원형 제작에서 실제 우주선용 생산 부품 제조에 이르기까지 Arkyd의 전체 제품 개발 스펙트럼에서 중심적인 역할을 하고 있습니다.

Planetary Resources는 연료 탱크와 같은 QuickCast 프로토타입 및 생산 부품에 SLA, 플라스틱 프로토타입을 위한 ProJet 7000 SLA 프린터, 직접 금속 인쇄를 위한 ProX DMP를 사용합니다.

Lewicki는 "3D 프린팅을 통해 설계 개념을 실험하고 기존 제조와 관련된 프로세스에 대한 걱정 없이 훨씬 더 잘 작동하는 생산 부품을 훨씬 더 빠르게 생산할 수 있습니다.

"우리는 절삭에서 적층 제조로 전환하고 있습니다. 3D 프린팅은 시대가 도래했으며 우리는 이것이 항공 우주 제조의 미래를 대표한다고 믿습니다."