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3D SYSTEMS, 연료 인젝터에서 열 교환기까지 다양한 사례들 소개

2021-02-15 11:30

3D SYSTEMS, 연료 인젝터에서 열 교환기까지 다양한 사례들 소개

<< 활용장비: DMP Factory 500 & 350 / Flex 350 >>


 

 

 

 

 

 

 

 

금속 프린터 활용한 유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한 유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대.jpg


적층 제조 기술(AM)을 최대로 활용한다는 것은 단순히 프린터를 잘 작동하는 것만을 의미하지는 않는다. 다른 기술과 마찬가지로, 공정에 대한 지식이 깊을수록 프로세스 과정에서 더 많은 것을 얻을 수 있고 관련된 응용 프로그램을 더 많이 개발할 수 있다.

 

자동차와 모터스포츠, 항공우주, 에너지 및 그 외 적층 제조(AM) 기술 채택을 주도하고 있는 다양한 산업에서, 유체 흐름 애플리케이션보다 역동성을 더 잘 보여주는 분야는 없을 것이다.

 

적층 제조(AM) 기술로 성능, 효율성, 신뢰성 면에서 우수한 유체 흐름 시스템을 만들 수 있다. 최근 3D시스템즈는 무료로 다운 가능한 eBook에서 유체 흐름 시스템용 적층 기술 어플리케이션을 소개하고 성능 개선에서 경량화에 이르는 다양한 분야에서의 광범위한 이점을 소개하였다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

 

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DMP 금속 프린터로 제작한 연료 노즐

 

 

디자인 자유도

유체 흐름 에플리케이션을 위한 적층 제조의 다양한 이점은 설계 와도 밀접한 관련이 있다. 적층 제조(AM)는 기존 절삭 방식 제조에 비해 설계 자유도가 뛰어나 복잡한 내부 및 기하학적 구조와 특징을 가진 부품을 제작할 수 있다. 요약하자면, 이는 우리가 이제 유체 흐름 적용을 위하여 혁신적이고 더 뛰어난 디자인을 구상할 수 있다는 것을 의미한다.

 

세계 최대 입자 충돌 가속기(세계 최고 대형 기계)인 거대 하드론 충돌기(LHC)를 운영하는 스위스에 본사를 둔 유럽 조직 CERN은 3D시스템즈 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)과 제휴해 LHC 실험을 위한 티타늄 쿨 바를 재설계하고 제조했다. 적층 제조 기술(AM)은 연구용 목적으로 검출 영역을 -40˚C로 냉각시켜 입자 반응을 보존하는 데 사용되는 금속 부품 제작과 관련된 여러 난제를 극복할 수 있도록 지원했다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

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LHCb 어셈블리용 3D 프린팅 쿨 바를 설계한 CERN 및 3D 시스템즈

 

 

가장 큰 도전은 제한된 공간이었다: 충분한 열을 발산하면서도 제한된 공간에 맞춘 쿨 바를 제작해야 했고 검출기 효율성 및 해상도를 위해 평탄도 사양을 맞추는 동안 길이 140m, 폭 2㎜ 이하의 광 검출 스트립의 길이에 걸쳐 온도 균일성을 달성해야 했다.

 

이러한 요건을 바탕으로 완벽한 부품 설계를 구상했다. CERN의 LHCB SciFi Tracker 프로젝트의 리더인 안토니오 펠레그리노는 해당 문건에서 ‘이 디자인은 매우 아름다웠지만, 일반적인 기존 제작 방식으로 제작할 수 없었다’고 설명했다.

 

3D 시스템즈의 애플리케이션 혁신 그룹(AIG)과 CERN은 DMP(Direct Metal Printing) 프린터를 사용하여 티타늄 쿨바를 300개 이상 제조할 수 있었는데, 각각 0.25mm 벽 두께(열 방출을 개선하기 위한 것), 누설 조임성 및 평탄성 50미크론 등 필요한 사양을 충족했다.

 

산업 부문에 걸친 유체 흐름 시스템

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

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라멜라 열교환기 설계

 

 

유체 흐름 시스템에서 적층 제조(AM)의 이점은 CERN을 훨씬 넘어 열 교환기에서 통합 냉각, 추진 시스템 및 연료 인젝터, 유체 다지관 및 마이크로 유체 공학에 이르기까지 광범위하다. AM은 이러한 모든 유체 흐름 애플리케이션에 대해 한 가지 이상의 방법으로 효율성 향상을 실현하고 있다.

 

한편 적층 제조는 기하학적 구조 최적화 덕분에 더 경량화된 구조물을 생산할 수 있다. 이는 중량의 요인으로 운영비가 증가될 가능성이 있는 추진 시스템과 연료 인젝터와 같은 응용 분야에서 특히 중요하다.

 

예를 들어 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계할 때, 독일 우주 센터(DLR)는 3D 시스템즈 고객 혁신 센터와 협력하여 30개의 부품을 단일 부품으로 통합할 수 있었고, 최종 중량을 최대 10%까지 줄일 수 있었다.

 

여기에 통합 설계는 기존 시스템에 존재하는 고장 지점을 제거해 전반적인 시스템 성능을 개선했다. 3D 프린터로 제작한 연료 인젝터에는 압력 및 온도 센서 채널과 같은 특정 기능도 통합되어 있어 냉각 및 연소 성능이 우수했다. 이러한 성능 향상 기능은 3D Systems의 DMP(Direct Metal Printing) 기술을 통해 실현 가능했다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

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DLR의 발화 테스트

 

 

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하고 있는 마르쿠스 쿤은 같은 자료에서 ‘DMP 기술을 활용한 우주 연구 성공을 바탕으로 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두 했을 때 3D 시스템즈 기술은 인젝터 헤드의 제조 설계 측면에 완벽하게 적합하다고 생각했다’고 설명했다.

 

단순하고 더 뛰어난 흐름성

 

적층 제조(AM)는 또한 유체 역학을 직접적으로 개선함으로써 유체 흐름 애플리케이션의 효율성을 향상시킬 수 있다. 대부분의 기존 제조 공정은 내부 채널을 통해 이동하는 유체가 정체된 구역에 갇힐 수 있기 때문에 모서리 부분이 뾰족한 설계를 선호하는데, 이는 문제가 될 수 있다.

 

이는 결국 압력 손실로 이어지고 효율을 떨어뜨린다. 적층 제조(AM)를 위한 설계는 이러한 골치 아픈 설계 특징을 없애고 유체 역학에 최적화된 내부 채널을 만들 수 있다. 이러한 이점은 반도체 기계의 유체 다 지관과 연구소에 사용되는 마이크로 유체 소자에서 가장 명확하게 볼 수 있다.

 

마찬가지로, 최대 냉각을 달성하기 위해 의도적인 난류를 가진 유체 흐름 시스템을 설계할 수 있다. 예를 들어 열 교환기의 경우 내부 난류는 열 전달을 증가시킬 수 있으며, 이는 냉동 기기, 에너지 생성 및 기타 많은 용도에 유용할 수 있다. 전체적으로 적층 제조(AM)는 엔지니어와 유체 흐름 전문가가 제조상의 제약이 아닌 유체 역학으로부터 설계를 기초할 수 있도록 한다.

 

3D시스템즈(3D SYSTEMS), 금속 프린터 활용한  유체 흐름 어플리케이션 사례 지원 확대

 

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3D 프린터로 제작한 유압 매니폴드

 

 

적층 제조는 유체 흐름 애플리케이션의 상태를 보다 개선하여 부품 통합을 통한 제조 가능성 향상, 중량 감소 및 혼합 효율을 통한 뛰어난 효율성 및 공간 활용도를 제공하고 있다. 이는 LHC용 3D 프린팅 금속 쿨바, 연료 인젝터 또는 작은 채널이 있는 플라스틱 마이크로 유체 소자 등 사실상 모든 유체 역학 영역에 해당된다.

 

그럼에도 연구 곡선은 새로운 제조공정뿐만 아니라 완전히 새로운 설계 방식까지 포괄하기 때문에 상당히 가파르다고 할 수 있다. 다행히 적층 제조(AM) 기술 도입 장벽 화를 위해 전문가들이 손을 잡고 있다.

 

김우겸 기자 | 산업일보 국제산업부

* 출처: http://www.kidd.co.kr/news/219947

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[우주] 3D 프린팅으로 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계한 독일항공우주센터(DLR)

2021-02-03 18:01

[우주] 3D 프린팅으로 액체 로켓 엔진 인젝터를 설계한 독일항공우주센터(DLR)

<< 활용장비: DMP 350 >>


 

 

 

 

 

'유럽형 차세대 소형 발사체'(SMall Innovative Launcher for Europe, SMILE 프로젝트라고도 함)라는 유럽연합(EU) Horizon 2020 프로젝트는 소형 위성 발사체를 설계하여 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 보내는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일항공우주센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, 또는 DLR) Institute of Structures and Design은 참여 기관 14곳 중 하나로 SMILE 프로젝트 발사체의 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당합니다. 이 기관이 액체 추진 시스템에 중점을 두는 이유는 시스템 개조 및 재사용 가능성 때문입니다. 따라서 소형 위성 발사체에 높은 비용의 효율적인 솔루션을 제공합니다.

 

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 고도로 복잡한 인젝터 헤드 부품을 고려하여 DLR은 벨기에 루벤에 위치한 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 지원할 수 있는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 루벤 CIC는 고객이 제품 개발과 검증, 상용화에 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 전문으로 가속화하는 세계적인 센터 네 곳 중 하나입니다.

 

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<금속 프린팅 인젝터 헤드의 특징은 30:1 부품 수 감소와 10% 중량 감소>

 

성공의 파트너

 

동축 인젝터 헤드를 3D 프린트로 제작 하기로 선택할 때 DLR은 적층 제조의 여러 핵심 이점을 활용하고자 했습니다. 예를 들면 모놀리식 설계를 이용해 부품 수를 줄이고 냉각 채널과 같은 주요 기능을 통합하여 전체적인 추진 시스템의 성능을 개선하는 것입니다.

 

DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 3D Systems를 파트너로 선정한 것은 이 3D 프린팅 회사가 항공우주 응용 분야의 금속 3D 프린팅 부문에서 이룬 성공적인 실적을 고려했기 때문이라고 말합니다. "DMP와 관련된 우주 관련 사업의 성공에 근거했을 때, 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배의 새로운 가능성을 생각하는 3D Systmes가 인젝터 헤드의 제조 측면을 위한 설계를 제공하는 데 딱 들어맞는다고 생각했습니다", Kuhn 씨는 설명합니다.

 

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<3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.>

 

연료 인젝터 설계 최적화와 부품 수 감소

 

로켓 인젝터라는 부품을 통해 연료와 산화제가 연소 챔버로 들어갑니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 적절하게 원자화 및 혼합되어 로켓이 움직이는 데 필요한 연소를 만들어낼 수 있는 방식으로 이러한 구성 요소를 분사합니다.

 

3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts 씨에 따르면 DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해서만 가능했던 여러 성능 개선 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능과 냉각의 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 일관되고 쉽게 반복할 수 있는 공정으로 어셈블리와 생산을 간소화하려는 바람이 모두 합쳐져 ProX® DMP 350을 만나게 되었습니다"라고 Huybrechts 씨는 말합니다.

 

DMP를 사용한 금속 3D 프린팅으로 DLR에서 다음이 가능해졌습니다.

 

  • 연료 및 냉각수 분배의 가능성을 통해 부품 성능 최적화
  • 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널의 손쉬운 구현
  • 중간 생산 및 어셈블리 단계 제거
  • 기존 제작 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화
  • 모놀리식 설계로 어셈블리 실패 지점을 방지하고 품질 측면 향상
  • 기계 가공 단계를 줄여 고도로 통합된 다기능 인젝터 생산 

 

금속 3D 프린팅을 사용하여 DLR은 동축 인젝터의 설계 방법을 크게 변경할 수 있었고 여러 하위 구성 요소가 필요 없게 되어 생산 시간과 비용을 현저히 줄였습니다. 30개에서 1개로 줄어든 부품 수로 최종 중량이 10% 감소하고 고정 위치에서 알려진 실패 지점을 제거해 관련 품질 관리 조치를 완화하고 시스템 성능을 개선했습니다.

 


정밀 금속 프린팅으로 부품 통합

 

3D Systems의 응용 프로그램 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 인젝터 헤드 파일의 프린팅을 준비했습니다. 3DXpert는 올인원 소프트웨어로 금속 적층 제조 공정 전체를 포괄합니다. 3D Systems는 후처리에서 분말 제거가 용이하도록 사전 프린팅 작업을 수행하였고 부품이 복잡한 과정 없이 제작되도록 프린트 가능성 검사도 실행했습니다.

 

3D Systems의 루벤 CIC에서 최종 부품은 내산화 및 내부식성 소재인 인코넬 합금 LaserForm® Ni718(A)를 사용하여 3D Systems ProX DMP 350 금속 프린터로 제작 되었습니다. LaserForm Ni718(A)의 특징은 최대 700°C 극저온에서 인장, 피로, 크리프, 파열 강도가 우수하다는 것입니다. 따라서 고온 응용 분야에 이상적입니다.

 

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<인젝터 헤드 유량: 파란색 = LOX, 주황색 = 등유, 빨간색 = 필름 레이어, 녹색 = 증산 냉각>

 

일단 프린트되면 3D Systems 팀은 사용되지 않는 소재를 부품 내부에서 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전가공(EDM)을 사용하여 제작판에서 부품을 제거했습니다.


도구 없는 생산으로 설계 주기 가속화

 

3D Systems의 적층 제조 전문성과 DMP를 사용하여 DLR은 많은 시간이 걸리는 공구 세공 없이 설계 변경을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했습니다. 인젝터 헤드 원형의 1단계 설계와 테스트를 위한 리드 타임이 단 몇 주 밖에 없었기 때문입니다.

 

"ProX DMP 350과 3D 프린팅 설계에 관한 3D Systems의 지식을 결합하여 저희는 훨씬 짧은 기간에 더 많은 디자인 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn 씨와 Müller 씨는 말합니다.

 

금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 요소로 동축 사출 기법을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제 연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 냉각 솔루션은 두 가지가 구현되었고 각각 최소 선폭 0.2mm, 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 또한 설계에서는 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 필름 질량 유속을 인젝터에서 직접 조정할 수 있습니다.

 

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<3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems)와 세라믹 연소 챔버가 적용된 LOX/등유 로켓 엔진 배치>

 

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<인젝터 헤드 내부 뷰는 금속 3D 프린팅으로 가능해진 복잡성을 보여줍니다.>

 

저비용으로 뛰어난 성능 개선

 

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 추가적인 성능 개선을 끌어내 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기법을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있게 했습니다. 인젝터 내에서 적용될 때 냉각수 필름은 높은 열 플럭스로부터 벽 구조를 보호하는 연소 챔버의 뜨거운 내측에 형성됩니다. 이러한 유형의 시스템은 기존 재생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.

 

세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 소재와 함께 DLR과 3D Systems에서 개발한 이 설계와 제조 방법으로 인젝터 헤드용으로 개발된 구조와 시스템은 여러 번 재사용되고 그 기술이 다른 응용 분야에 전달될 수도 있습니다.

 

새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 관한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분배 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 비발화 시험에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 사이에 우수한 상관관계를 보여주었습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 실시된 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트에서는 DLR에서 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 결합하여 훌륭한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다.

 

더 나아가 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계와 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유, 생산 단계 감소로 출시 시간 단축, 소재 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 강화된 구조적 무결성을 계속 제공하여 인젝터의 수명을 연장할 것으로 기대됩니다.

 

"기존 방법으로 제조된 동등한 최첨단 부품과 비교했을 때 3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합된 기능이 월등히 우수하고 제작 기간과 비용이 절감된다고 확실히 말할 수 있습니다", Müller 씨의 설명입니다.

 

항공우주 분야에서 금속 적층

 

금속 3D 프린팅은 항공학 및 항공우주 분야의 핵심 기술로 인기를 얻고 있습니다. 경량화, 연료 절감, 작동 효율 개선, 부품 통합, 출시 기간 단축, 부품 보관 요건 감소 등 업계의 주요 우선순위와 3D 프린팅의 이점이 일치하기 때문입니다.

 

항공우주 시장에서 3D Systems의 DMP 기술을 입증한 최근 프로젝트는 다음과 같습니다.

  • 상업용 통신 위성에서 사용하기 위해 테스트 및 검증된 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계보다 중량 을 50%까지 줄였습니다.
  • 기존 방법으로 제조된 것보다 더 나은 중량 대비 강성 비율에 25% 더 가벼운 티타늄 브래킷. Thales Alenia Space와 3D Systems의 협력을 통해 도입되었습니다.
  • 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 만든 엔진 부품. 이 부품은 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 쉽게 할 수 있습니다.
  • 중량을 70%까지 줄이면서 모든 기능적 요구 사항과 GE Aircraft 과제를 충족하는 토폴로지 최적화된 항공기 브래킷


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[의료] Figure4로 개발된 코로나 바이러스 고속 진단 키트

2021-02-03 12:20

[의료] Figure4로 개발된 코로나 바이러스 고속 진단 키트

<< 활용장비: Figure4 >>




과제

- 휴대 가능한 고속 진단 테스트를 위해 생체에 적합하고 기능적인 마이크로플루이딕스(Microfluidics) 구성요소를 개발합니다.

         

        해결방안

        - 3D Systems의 Figure4 독립형과 생산 등급의 생체적합성 소재

               

              결과

              - 생체에 적합한 마이크로플루이딕스(Microfluidics) 매니폴드의 고속 반복
              - 생체적합성 소재는 필요한 생화학 반응을 억제하지 않음
              - 효율성 개선을 위해 배치 후처리
              - 3D프린트의 속도와 정확성으로 더 많은 실험적인 설계 가능

               

              전 세계적으로 놀랍도록 급속한 COVID-19의 전파로 인해 쉽게 사용할 수 있고 신속한 질병 진단의 중요성이 강조되었습니다. 

              질병 테스트 역량을 통해 추가 확산을 막는 억제 능력을 개선할 수 있을 뿐 아니라 전염병학자가 더 많은 정보를 수집해 보이지 않는 위협을 더 잘 파악할 수 있습니다. 

              전파 수단의 공개부터 감염율까지 이제 전염병 테스트의 중요성이 전 세계적으로 인정되고 있습니다.

               

              Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 Lacewing이라는 병원체 감지를 위한 프로젝트를 통해 이 문제를 정면으로 다루고 있습니다. 

              클라우드 서버와 동기화된 스마트폰 앱에서 20분 내로 결과를 제공하는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA를 포함하여 휴대할 수 있는 질병 테스트가 가능하도록 하고 지오태깅을 통해 질병 진행 단계의 추적을 자동화합니다. 

              분자생물학과 최첨단 기술을 결합해 진단의 세계에서 접근과 정보 격차를 메우겠다는 '첨단 랩 (lab-on-a-chip)' 플랫폼입니다. 

              다른 진단 기술에는 고가의 대형 광학 장비가 필요한 데 반해 전기 감지 방법과 소형 Lacewing은 접근 방식의 진정한 혁신입니다.

               

              Lacewing의 기술 중 핵심은 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 프린터와 생체적합성 생산 등급 소재입니다. 

              Imperial College 박사 과정 학생이자 연구 조교인 Matthew Cavuto에 따르면 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 및 기능성 구성요소의 원형 제작과 생산에 모두 사용되는 핵심 Lacewing 구성요소는 Figure 4의 기능에 기반하여 설계되었다고 합니다. 

              "마이크로플루이딕스 (microfluidics)는 까다로운 문제로, 고가의 느리고 노동 집약적인 무균실 프로세스를 통해 전통적으로 제작되었습니다." 

              "Figure 4를 통해 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 전송하는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어서 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 생산 역량이 크게 개선됩니다."

               

              이 프로젝트에서 설계 요소가 중요한 것만큼 고도로 정교한 솔루션의 한 조각일 뿐입니다. 

              3D Systems의 Figure 4로 가능해진 부품 복잡성 및 세부구조 충실도 외에도 이 3D 프린팅 솔루션으로 연구팀은 프린트 속도, 프린트 품질, 생체적합성 소재 옵션 면에서 도움을 받았습니다.

               

              DLP-01-a.png

              <Figure 4 PRO-BLK 10으로 프린트한 인클로저 내부에 있는 Figure 4 MED-AMB 10으로 3D 프린트한 미소유체 카트리지>

               

              COVID-19 테스트 요구에 부응하는 빠른 반복

              Lacewing 플랫폼은 현재 2년이 조금 넘는 기간 동안 개발되고 있으며 환자 샘플 내 병원체의 DNA나 RNA를 식별하여 작동하는 분자 진단 테스트입니다. 

              이 유형의 테스트를 통해 특정 질병(뎅기열, 말라리아, 결핵, COVID-19 등)에 감염되었는지 여부뿐만 아니라 증상의 심각도를 더 잘 알 수 있는 감염의 정도까지 판단할 수 있습니다.

               

              COVID-19 발발 이전에 이 테스트의 원동력은 세계 벽지에서 휴대할 수 있는 테스트를 가능하게 하는 것이었습니다. 

              스마트폰 시대에 휴대성은 당연한 것으로 생각되는 경우가 많지만 분자 진단에는 전통적으로 고가의 대형 실험실 장비가 필요했습니다. 

              Lacewing은 마이크로칩을 사용하여 이전의 광학 기법을 전기 기법으로 대체하고 Figure 4 모듈형과 생체적합성 소재를 사용하여 빠르게 원형을 제작하고 반복적으로 생산되었습니다. 

              각 Lacewing 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 카트리지는 대략 30mm x 6mm x 5mm로, 10마이크론 레이어로 프린트되었습니다.

               

              연구팀이 세계적인 COVID-19 테스트 요구에 부응하여 테스트를 조정하면서 거의 매일 새로운 설계를 프린트하기 시작했습니다. 

              Cavuto는 이 상황에서 장비 속도가 가장 큰 이점이었다고 했습니다.

              "어떤 때는 Figure 4로 특정 구성요소의 세 가지 버전을 하루에 프린트하고 테스트할 수 있었습니다." 

              설계를 빠르게 반복하는 이 능력은 새로운 것을 시도하는 어려움을 제거했고 그 결과로 발생한 실험과 향상된 정보 수집으로 인해 시스템이 전반적으로 개선되었습니다. 

              "지난 2달 동안 30가지 버전을 수월하게 시도했습니다." Cavuto의 말입니다.

               

              팀은 SOLIDWORKS로 부품을 모두 설계하고 3D Sprint® 소프트웨어를 사용하여 각 빌드를 설정합니다. 

              3D Sprint는 3D Systems의 올인원 소프트웨어로, 3D 프린트 공정을 준비, 최적화 및 관리하며 팀에서 예상치 못한 문제를 발견하고 해결하는 데 유용했습니다. 

              "가끔 발생하는 STL 오류는 3D Sprint의 준비 탭에서 해결할 수 있습니다." 

               

              과거 다양하게 많은 3D 프린터를 사용한 Cavuto는 프린트 시간, 비용, 품질 면에서 장애가 적어서 Figure 4가 다르다고 말합니다. 

              다른 프린터의 경우 Cavuto는 시간과 소재 비용 면에서 모두 프린트 가치가 있는지 의문이 들었지만 Figure 4를 사용하면서 그런 의문이 사라졌습니다. 

              "부품을 프린트하고 잘 작동하는지 확인합니다. 잘 작동하지 않으면 재설계해서 단 몇 시간 만에 다시 프린트합니다." 

              Cavuto의 설명입니다. 

              "프린터의 속도가 워낙 빨라서 아주 신속하게 반복할 수 있습니다."

               

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              <소재의 생체적합성은 억제 없이 의도한 반응이 발생하는 데 중요합니다.>

               

               

              진정한 생체적합성 소재는 화학 반응을 억제하지 않습니다.

              고속 테스트 옵션을 위한 시간 압박에도 불구하고 속도는 연구팀에 가장 중요한 요소가 아니었습니다. 이 응용 분야는 DNA와 직접 접촉하기 때문에 특정 생체적합성 소재로만 가능합니다.

               

              Imperial College팀은 Figure 4® MED-AMB 10, 즉 생체적합성에 관한 ISO 10993-5 및 10 표준(세포 독성, 민감도, 자극)*을 충족하는 투명 황색 소재를 사용하며 오토클레이브를 통해 살균 가능합니다. 이 소재는 반투명 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 매니폴드에 사용합니다. "Figure 4 MED-AMB 10은 PCR 반응에서 인상적인 생체적합성을 보여주었습니다." Cavuto의 설명입니다. "과거에 사용했던 많은 소재는 이 반응을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 화학 반응과 상호작용이 적었습니다." 이 사실은 프로젝트 전체에 매우 중요합니다. 생산 소재에 의한 간섭으로 인해 의도한 반응이 지연되거나 발생하지 않을 수 있기 때문입니다.

               

              Figure 4의 다양한 소재 포트폴리오 사용

              팀에서는 Lacewing의 미소유체 구성요소를 프린트하는 데 Figure 4 MED-AMB 10을 사용할 뿐만 아니라 장치 인클로저에는 생산 등급의 경질, 내열성 소재인 Figure 4® PRO-BLK-10을, 장치 전체의 개스킷에는 새로 출시된 탄성 소재 Figure 4® RUBBER-65A BLK를 사용합니다.  Lacewing의 한 부분은 모양과 감촉이 생산 폴리프로필렌과 같은 소재인 Figure 4® FLEX-BLK 20으로도 제작됩니다.  전자 장치와 일부 하드웨어를 제외하고 현재 거의 장치 전체를 Figure 4 시스템으로 생산합니다.

               

              20분 이내로 세척 및 후처리 완료

              깨끗하고 매끄러운 표면은 Lacewing 카트리지의 최종 성능에 매우 중요합니다. 이런 이유로 연구팀은 단일 레이어로 카트리지를 프린트하기 위해 Figure 4의 쌓기 또는 겹치기 기능을 사용하지 않습니다. 프로젝트가 여전히 설계 단계에 있으므로 팀에서는 아직 제작판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30개의 미소유체 카트리지를 최대 제작 용량으로 예상합니다.

               

              응용 분야의 민감도를 감안하면 후처리가 중요합니다. 프린트되고 나면 부품은 IPA 배스에서 세척하고 경화 및 연마 처리 후 다시 세척하여 부품에 잔여물이나 연마 입자가 완전히 제거되도록 합니다. Cavuto는 "어떤 경우에도 오염이 되지 않는 것이 가장 중요합니다"라고 말합니다. "깨끗하고 멸균 처리된 부품을 유지하는 것이 성공적인 반응과 정확한 진단에 중요합니다."

               

              전체적으로 Cavuto는 후처리에 걸리는 시간이 20분 이내이고 대부분의 부품은 한 번에 공정을 마칠 수 있다고 예상합니다.

               

              DLP-01-c.png

               

              개발 및 혁신을 위한 새로운 기능

              "Figure 4를 통해 프린트할 수 있는 것이나 만들 수 있는 것이 늘었습니다." "해상도, 속도, 표면 품질, 소재 범위, 생체적합성 면에서 Figure 4와 견줄 만한 것은 없습니다. 이제까지 거의 모든 유형의 3D 프린터를 사용해 봤습니다."

               

              Imperial College 연구팀은 COVID-19 테스트를 조만간 영국국립보건서비스(NHS)에서 검증 받아 향후 6개월 내로 생산 확대에 나설 계획입니다. Lacewing의 작동 방식을 자세히 확인하려면 Imperial College 연구팀의 이 정보 페이지를 살펴보십시오.

               

              3D Systems Figure 4와 생체에 적합한 생산 등급 소재를 자세히 알아보려면 소재 백서를 다운로드하십시오.

               

              * 생체 적합성은 ISO 10993-5 및 -10에 따라 설정된 단일 기하형상 및 샘플에 대해 3D Systems에서 실시한 테스트를 기준으로 합니다. 사용자는 사용 적합성 및 응용 분야에 대한 생체 적합성을 확인해야 합니다.

               

               

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