'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.

 

<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.

 

<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.

 

<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.

 

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

 

<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

 

 

 

과제

- 치열해지는 타이어 업계에서 신제품 디자인과 개발이 필요로 되고 있음.

 

해결방안

- 형태와 기능을 평가할 수 있는 완벽한 풀 컬러 모델용 3D 프린터 ProJet CJP 660 활용.

 

결과

- 시장 내 발 빠른 대응을 위한 컨셉 모형 검토가 매일 가능하게 됨. 

 

 

한국타이어의 디자인 부서는 3D Systems의 ProJet CJP 660 3D 프린터를 컨셉 디자인 프로세스의 핵심 부분으로 사용하고 있습니다. 

 

3D 프린팅 기술은 디자인 팀이 부서 간의 커뮤니케이션 개선, 비용 절감, 디자인 데이터 보안 향상을 위해 도움을 주었습니다.

 

 

1941년에 설립된 한국의 한국타이어는 현재 세계에서 7번째로 큰 타이어 제조업체이자 가장 빠르게 성장하고 있는 회사 중 하나입니다. 

 

현재 전 세계 185개국에서 판매되고 있는 이 회사는 합리적인 가격에 고품질 타이어로 명성을 떨치고 있습니다. 

 

하지만, 타이어 산업은 치열한 경쟁을 동반하고 있고, 한국타이어는 신제품의 디자인과 개발을 심각하게 받아들이고 있습니다. 

 

최고 수준의 타이어를 공급하기 위한 노력의 일환으로, 한국타이어는 현재 진행 중인 타이어 디자인을 비밀로 유지하면서 혁신적인 타이어 디자인의 신속한 개발과 테스트를 가능하게 하는 최선의 방법을 찾고 있습니다.

 

 

이를 염두에 두고 회사는 ColorJet 기술(CJP)을 사용하여 형태와 기능을 평가할 수 있는 완벽한 풀 컬러 모델을 만드는 3D 프린터인 3D Systems ProJet® CJP 660에 투자했습니다.

 

 

한국타이어 디자인 부서의 캐드 전문가인 이명중 씨는 퇴근 전 프로젯 660에 타이어 디자인을 인쇄하고, 다음 날 아침 출근하면 최종 모델을 확인합니다.

 

 

하룻밤 사이에 완성되는 모형 제작에는 겨우 7~8시간만이 소요됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rodin Cars, 3D 프린팅을 사용해 최고 성능의 하이퍼카에 적합한 티타늄 기어박스 제작

 

- 3D Systems 의 DMP Factory 500은 최대 제작 크기와 프리미엄 소재 기술을 사용해 새로운 하이퍼 성능 Rodin FZERO 자동차에 숨겨진 과학을 한 단계 발전시켰습니다 

 

뉴질랜드에 위치한 자동차 제조사인 Rodin Cars는 3D Systems의 대규모 DMP Factory 500 금속 3D 프린터를 사용해 새로운 맞춤형 레이싱 자동차인 Rodin FZERO의 티타늄 구성품을 제작하고 있습니다. 성능과 품질을 중심으로 엔지니어링 결정을 내린 끝에 주로 탄소 섬유와 티타늄을 사용해 제작됩니다. Rodin Cars는 업계 최초인 8단 시퀀셜 기어박스를 포함해 크기에 상관없이 모든 부품의 설계와 성능을 한층 개선하여 복잡한 티타늄 구성품까지 생산할 수 있는 방법으로 3D Systems의 금속 적층 제조(AM)를 선택했습니다.  

 

"우리는 모든 자동차 구성품을 어디에서도 손색이 없는 최상의 제품으로 제작하는 것이 목표였습니다. 그래서 Rodin FZERO는 오직 적층 제조로만 제조가 가능합니다.”

- Adam Waterhouse, Rodin Cars의 책임 엔지니어

     

 

티타늄 소재의 프린팅으로 양산 부품 달성

1인승 Rodin FZERO ("무한계'를 의미함)는 650kg에 불과한 최종 중량을 목표로 하고 있으며, 4,000kg의 다운포스를 형성하여 오늘날 그랑프리 포뮬러 1 경주용 자동차보다 더욱 빠르게 서킷 랩타임을 기록할 수 있도록 설계되었습니다. Rodin Cars는 업계의 판도를 바꿀 수 있는 엔지니어링을 모든 구성품에 적용하여 각 부품마다 최고의 구성품을 제작할 수 있는 최적화에 전념했습니다.

 

자동차 전체에 티타늄 적층 제조 기술을 사용하려고 했지만 특히 대형 부품에서 크기가 증가하면서 문제가 발생했습니다. 예를 들어 기어박스 같은 구성품을 사양에 맞게 제작하려면 커다란 제작 용적이 필요했지만 대부분 금속 프린터의 기술로는 부족했습니다. 그렇다고 마그네슘을 사용해 기어박스를 주조하는 기존 제조 방식으로 돌아갈 수도 없었습니다. 이러한 제조 방식과 소재는 Rodin Cars의 목적에 부합하지 않기 때문입니다. Rodin Car는 궁극적인 하이퍼카를 제조할 목적으로 적층 제조 기술을 사용해 중량과 기능을 최적화하는 데 가장 높은 우선순위를 두었으며, 이러한 가치를 고려하여 시간이 지나도 최고의 성능과 형태를 유지하는 프리미엄 내부식성 소재로 티타늄을 사용했습니다.

 

Rodin Cars는 중량과 기능을 최적화하는 데 가장 높은 우선순위를

두고 시간이 지나도 최고의 성능과 형태를 유지하는 내부식성 소재를 사용했습니다.

 

 

솔루션

01 경량 기어박스 제작을 위한 혁신 기술 

기어박스 최적화의 첫 단계는 유명한 기어박스 제조사인 Ricardo와 함께 맞춤형 설계를 제작하는 일이었습니다. Rodin Cars 는 처음 적층 제조 도입 후 3D Systems와 폭넓게 협력하면서 습득한 지식을 Ricardo와 공유했을 뿐만 아니라 적층 제조 기술을 이용해 설계하고 제조했을 때 얻을 수 있는 고유 이점을 알렸습니다. 매우 구체적인 기어비와 케이스 치수가 필요했고, 이러한 설계를 제작하려면 반드시 적층 제조를 사용해야 한다는 사실을 알고 있었기 때문입니다. 과잉 질량을 제거하는 일도 매우 중요해서 일부 영역에서 측면 벽 두께를 2mm까지 줄였습니다. 두 회사는 Rodin Cars가 원하는 기하형상 최적화를 중심으로 부품을 설계하는 데 협력했고, 내부 유로와 유체 채널을 내장하여 최종 기어박스의 크기를 400 x 650 x 300mm로 줄이는 데 성공했습니다. 

 

Rodin Cars는 필요한 치수와 정밀 피처에 따라 티타늄 AM 부품을 제작하기 위해 독자적인 대형 포맷 기술과 검증된 품질 및 반복성으로 잘 알려진 3D Systems의 DMP (Direct Metal Printing)를 선택했습니다.

 

02 검증된 티타늄 워크플로

고성능 차량에서 중량 대비 출력 비율의 최적화는 매우 중요합니다. 따라서 최고 성능이라는 Rodin Car의 사명을 실현하는 동시에 전체적으로 중량을 최대한 줄이려면 복잡한 금속 구성품도 티타늄 소재로 프린트할 수 있어야 합니다. 또한 티타늄은 부식을 방지하는 무결점 소재이기 때문에 시간이 지나면서 변형이나 성능 저하가 일어나지 않아 Rodin Car의 설립자인 David DIcker에게도 의미가 컸습니다.

 

Rodin Cars에서 엔지니어 팀장을 맡고 있는 Adam Waterhouse에 따르면 볼트를 제외한 모든 금속 구성품을 3D 프린팅 할 수 있다는 점이 효과적입니다. Waterhouse는 "기어박스에 연결되는 브래킷을 모두 프린팅 했습니다. 프린트 할 수 있는 부품의 범위가 엄청나게 넓습니다. 시스템 대부분이 3D 프린팅으로 제작되었으니까요."라고 밝혔습니다. 최종 티타늄 기어박스는 LaserForm Ti Gr23 (A)로 프린트되어 강재 내장품까지 포함해도 중량이 68kg에 불과합니다. 

 

3D Systems의 종합 금속 솔류션에는 금속 프린팅 워크플로를 준비하고, 최적화하고 관리 할 수 있는 올인원 소프트웨어인 3DXpert가 포함되어 있습니다. 이 소프트웨어에는 포괄적으로 개발된 프린트 파라미터가 있어서 3D Systems의 LaserForm 소재에 적합할 뿐만 아니라 3D Systems 엔지니어의 전문성을 워크플로에 그대로 반영할 수 있습니다. 그 밖에도 3D Systems의 DMP 장비는 독자적인 시스템 구조를 바탕으로 소재를 성능 저하 없이 모두 사용할 수 있도록 설계되었습니다.

 

03 대규모 금속 3D 프린팅

Rodin Cars는 처음에 기어박스를 더욱 작은 구성품들로 분할하여 사내에서 기존 ProX DMP 320 장비를 사용해 프린트할 계획이었습니다. 하지만 엔지니어링 팀은 3D Systems 의 DMP Factory 500에 대해 학습하여 이러한 수고를 덜 수 있다는 생각에 매우 기뻐했습니다. 이 플랫폼은 유일하게 확장이 가능한 금속 적층 제조 솔루션으로서 대형 부품도 최대 500 x 500 x 500mm까지 원활한 고품질 생산이 가능합니다. 새로운 플랫폼을 사용한 덕분에 이제는 구성품 4개를 한 번에 프린트 할 수 있는 어셈블리로 기어박스 제작이 가능합니다.

 

DMP Factory 500은 유일하게 확장이 가능한 금속 적층 제조 솔루션으로서

대형 부품도 최대 500 x 500 x 500mm까지 원활한 고품질 생산이 가능합니다.

DMP Factory 500은 동종 제품 중 가장 낮은 산소 농도 (< 25ppm)와 불활성 프린팅 환경을 자랑하여 높은 화학적 순도로 강도와 정확도가 우수한 부품을 제작할 뿐만 아니라 양산에 필요한 반복성까지 보장합니다. Waterhouse에 따르면 측면 벽 두께가 2mm로 매우 얇은 기어박스 케이스를 사용해 이러한 품질 테스트를 마쳤습니다.

 

Waterhouse는 "이 솔루션을 사용한 프린트의 정확도는 매우 우수한 것으로 확인되었습니다. 우리는 정말 가장 커다란 구성품을 제작하면서 뒤틀림이 0,2도에 불과하다는 사실에 놀랐습니다. 그 뿐만 아니라 내부 채널과 엄청나게 얇은 측면 벽으로 적층 제조의 이점을 모두 활용하고 있습니다. 다른 방법을 사용했다면 상상조차 못할 일이죠."라고 강조했습니다.

 

 

04 Application Innovation Group의 금속 전문성

Rodin Cars는 DMP Factory 500을 사내에 설치하기 전에 대규모 금속 프린팅에 더욱 빠르게 익숙해질 수 있도록 3D Systems의 AIG (Application Innovation Group)와 협력하여 첫 번째 티타늄 기어박스를 프린트 했습니다. 3D Systems의 AIG는 풍부한 경험과 기술을 바탕으로 여러 산업에서 적층 제조 응용 분야를 지원할 수 있는 글로벌 리소스로서 응용 분야 개발과 프론트엔드 엔지니어링부터 장비 검증, 공정 검증 및 부품 인증에 이르기까지 어떤 단계에서든 프로젝트에 대한 자문과 지원을 제공합니다.

 

3D Systems는 Rodin Cars의 적층 제조 기술 도입 이후로 전문 지식과 기술 이전을 지속적으로 제공하면서 Rodin Cars가 성공적인 적층 제조 설계 및 생산에 필요한 원리를 이해할 수 있도록 지원했습니다. 하지만 대규모 프린팅 체제로 전환하려면 새로운 모범 사례까 필요했습니다. 3D Systems의 AIG는 엔지니어링 및 응용 분야 개발 서비스를 제공하여 Rodin Cars가 4가지 기어박스 구성품을 최종적으로 프로그래밍하거나, 첫 번째 기어박스를 프린트하는 등 개념을 입증할 수 있도록 도왔습니다. 또한 프로그래밍된 제작 파일과 기술 이전을 제공하여 Rodin Cars의 생산 현장에 DMP Factory 500을 설치한 후 성공적인 댁ㅍ모 금속 프린팅에 빠르게 접근할 수 있도록 길을 닦아주었습니다.

     

결과

1. 적층 제조를 통한 고성능 자동차의 엔지니어링 개선

2. 티타늄을 활용하여 400 x 650 x 300mm 크기로 프린트된 기어박스

3. 업계 최초 강재 내장품 포함

4. 산소 농도 < 25ppm

5. 최고의 기계적 부품 품질과 완전한 소재 사용

6. 2mm 두께의 케이스 측면 벽

7. 높은 정확도와 반복 작업으로 프린트

 

 

 

 

 

 

Starburns 컬러젯 3D프린터로 스톱 모션 인형 제작

 

"슬픔", "아름다움", "발랄함", "매혹적" 등의 단어들은 스톱 모션 영화와 관련된 단어가 아니였습니다.

 

그러나 영화 Anomalisa에서는 기존의 스톱 모션 영화의 틀에서 벗어나게 되었습니다.

 

Projet CJP 660의 고해상도 3D 컬러 프린팅으로 스톱모션 영화에서 감정 표현이 가능해 졌습니다.

 

Starburns Industries는 3D 프린터를 사용하여 주름, 미소, 찡그린 얼굴, 걱정, 다크서클 등의 감정표현하는 얼굴을 다양하게  제작하였습니다.

 

 

미적가치&생산성

 

지난 몇 년간 영화 산업에서 3D프린팅은 시제품 제작, 소품 제작 등 기존 방식으로는 제작하기 어려운 물체를 소량으로 생산하는데 활용되었습니다.

 

그러나 Anomalisa의 제작자인 Duke Johnson은 Charie Kaufman과 함께 3D프리닝을 통해 캐릭터의 내적 감정 묘사와 더 높은 수준의 디테일을 표현하였습니다.

 

254 X 381 X 203mm의 빌드 영역을 바탕으로 다양한 표정을 가진 수십 개의 얼굴을 한번에 제작할 수 있었습니다.

 

Starburns Industries의 운영 감독자인 Bryan LaFata는 "우리에게 있어 색상표현이 매우 중요하였습니다. 수작업으로 했다면 매우 비효율 적 이었을 겁니다." 라고 전하였습니다.

 

Anomalisa의 제작 기간의 1년 반 동안 쉬지 않고 작업하여 수 천 개의 얼굴을 만들었습니다.

 

 

 

 

수 천 개의 얼굴표현

 

Starburns는 Anomalisa를 위한 세 가지 기본 얼굴 디자인을 모델링하고 인쇄했습니다.

 

하나는 주인공 Michael과 Lisa를 위한 것이고 다른 하나는 20명 이상의 Starburns 직원을 모델로 한 합성 얼굴이 대표적인 얼굴로 표현한 것 이었습니다.

 

Starburns는 캐릭터를 위해 수천가지 표현을 모델링하고 인쇄하였습니다. 이를 통하여 애니메이터는 주어진 상황에 가능한 표현을 모두 제작할 수 있었습니다.

 

Mekado Murphy의 New York Time 기사에서 Kaufman 감독은 다음과 같이 표현하였습니다.

 

"우리는 모델에 보이는 선들을 그대로 보여주면서 스톱 모션 이라는 사실을 숨기고 싶지 않았습니다. 있는 그대로 표현하면서 애니메이터의 열정과 정신력을 나타내 준 것 입니다"

 

Starburns는 또한 Project(Projet CJP 660)에서 바로 출력된 모양과 느낌을 유지하면서 캐릭터의 얼굴에 최소한의 후처리 작업을 수행하였습니다.

 

Starburns Puppet Supervisor인 Caroline Kastelic은 한 인터뷰에서 Project(Projet CJP 660)에 대하여 이렇게 표현하였습니다.

 

"출력물이 멋진 질감을 가지고 있는 이유가 바로 그것입니다. 저는 이러한 장치가 미적으로 훌륭하다는 것을 알게되었습니다."

 

 

 

 

 

Anomalisa와 같은 영화제작을 위한 캐릭터 표현작업을 위해서 수 천 개의 얼굴, 수 백 개의 바디 모델 등을 제작하는데는 팀워크가 필요합니다.

 

200명의 Starburns 직원들뿐만 아니라 외부 파트너도 마찬가지 입니다.

 

LaFata는 3D Syrtems파트너인 3D Rapid Prototyping를 통하여 Starburns에 재료를 공급하고 필요시 얼굴 모델도 인쇄할 수 있었습니다.

 

끝이 아닌 시작 스톱 모션 필름의 미래 - 3D 프린팅

 

영화에 대한 비하인드 기술이 아무리 매혹적이더라도 필수적인 사항은 스토리 전달방식 입니다.

 

Anomalisa의 경우 3D프린팅은 단순한 특수효과나 기발한 대화가 아닙니다. 캐릭터를 표현하는데 필수적으로 필요한 방식입니다.

 

오스카와 골든 글로브 후보를 넘어선  Anomalisa는 "제72회 베니스 국제 영화제" 에서 최우수 심사위원상을 수상한 최초의 애니메이션 영화입니다.

 

피터 트래버스는 롤링 스톤 잡지에서 Anomailisa에 별 5개를 주며, 스톱 모션 걸작이라고 표현하였습니다.

 

Bryan LaFata는 "Anomalisa가 일회성의 이라고 생각하지 않습니다."라고 하였습니다.

 

"ProJet CJP 660과 같은 기계에서 풀 컬러 모델을 생성 할 수 있는 규모와 속도는 확실이 큰 장점입니다."라고 하였습니다.

 

"3D 프린팅이 스톱 모션 필름의 미래라고 생각합니다."

 

 

 

 

 

 

 

 

두개 악안면 외과의사는 머리와 목 부위의 뼈와 연조직 (피부와 근육)을 포함하는 주요 구조 수술을 진행합니다. 

 

두개 안면 골격의 복잡한 해부학은 이상적/기능적 결과를 달성하려고 할 때 어려움을 겪습니다.

2층에서 떨어져 왼쪽 안와 골절을 앓고 있던 22세 여성이 이스라엘 나하리야에 있는 갈릴리 메디컬 센터의 두개악안면외과에 입원했으며, 사메르 사루지 교수가 이끌었다. 왼쪽 궤도에서 누락 된 부분을 재구성하기 위해 임플란트를 만들기로 결정했습니다.

" 골절의 복잡성과 섬세한 위치로 인해 팀이 직면한 과제 중 하나는 기능과 최고의 미적 결과를 유지하면서 환자의 해부학적 구조에 임플란트를 최적으로 맞추는 것이었습니다"라고 Galilee Medical Center의 수석 두개악안면 외과 의사인 Lior Tzadok 박사는 말했습니다.

해결방안

6개월 전에 이 기관은 3D Systems의 수술 계획 소프트웨어 애플리케이션과 3D 프린터를 사용하여 수술 계획 워크플로를 시작했습니다.

"같은 회사의 몇 가지 제품을 사용할 수 있는 능력은 워크플로 단계 사이에 시간을 낭비하지 않고 최종 결과까지 더 빠르고 원활한 프로세스를 달성하는 데 도움이 되었습니다"라고 갈릴리 의료 센터의 두개악안면 펠로우인 Adib Zoabi 박사는 말했습니다.

" D2P소프트웨어를 사용하여 환자의 CT 스캔에서 복제 구조를 분할하고 3D 실험실(CJP 460 프린터, 3D Systems)에서 프린팅을 위해 보낼 수 있었습니다. 인쇄 된 석고 모델을 통해 환자의 병리를 더 잘 이해할 수있었습니다. FreeForm 3D Systems의 설계 소프트웨어를 사용하여 건강한 면을 반영하고 임플란트를 형성한 다음 벨기에 루벤에 있는 3D Systems의 FDA 및 CE 등록 시설로 임플란트 파일을 전송하고 환자 맞춤형 티타늄 임플란트(PSI)를 받았습니다"라고 Zoabi 박사는 말했습니다.

수술 계획 외에도 의사는 인쇄 된 석고 모델을 사용하여 티타늄 임플란트 피팅을 확인하고 환자와 가족에게 문제의 심각성을 설명하고 수술 계획과 예상 결과를 간략하게 설명했습니다.

Tzadok 박사는 "이 기술을 통해 계획한 대로 결과를 정확하게 예측하고 도달할 수 있기 때문에 이제 수술 계획을 환자 및 그의 가족과 더 쉽게 공유할 수 있습니다.

이것은 또한 환자의 이해와 신뢰에 긍정적 인 영향을 미칩니다. "의사는 건강하고 골절 된 궤도의 인쇄 된 모델을 보여주었습니다. 골절 크기를 볼 때까지 문제의 심각성을 깨닫지 못했습니다. CT를 보면서 이해할 수 없었습니다." 라고 환자는 말했습니다. "시술에 대한 의사의 설명과 임플란트를 본 후 수술을받을 수 있다는 자신감이 생겼습니다."

 

 

결과

재건 수술은 역사적으로 금속판 임플란트를 구부린 후 시각적 해부학적 검사를 기반으로 한 수술 중 의사 결정과 함께 수술 전 및 수술 중 형태와 미학에 대한 외과의의 주관적인 평가에 의존해 왔습니다. 

 

이 과정은 외과 의사 별 결과가 다양하고 수술 시간이 길어질 수도 있습니다.

"수술은 부드럽고 신속했으며 결과는 우리의 기대 이상이었습니다."라고 Tzadok 박사는 말했습니다. "계획에 대한 가장 놀라운 반응은 수술실에서 받았습니다. 

 

일반적으로 수술 후 팀은 안구를 제자리로 가져 왔는지 확인하기 위해 다른 각도에서 환자를 검사했습니다. 우리는 다음날 아침 이미징까지 우리가 올바른 위치에 있는지 알 수 없었고 이것은 우리를 밤새도록 유지했습니다. 이

 

 수술에서는 계획에 따라 인쇄판을 제자리에 놓는 즉시 우리 모두를보고 있었고 올바른 위치를 가지고 있음이 분명했습니다. 눈알은 정확히 우리가 계획 한 곳이었습니다. 외과의에게는 문제의 심각성을 알고 건강한 측면에서 병리학적인 측면으로 복사하고 결과를 예측할 수 있는 이전에는 없었던 것들을 가져올 수 있습니다. 

 

이를 통해 오류 위험을 최소화하고 수술 시간을 단축하며 최종 제품이 무엇인지 알고 환자에게 '약속'하는 데 도움이 됩니다."

시술 시간 단축과 환자에 대한 우수한 수술 결과 효과가 분명했습니다. 

 

"수술은 한쪽 눈에 약간의 통증을 제외하고는 빠르고 거의 통증이 없었습니다. 나는 이틀 후에 석방되었습니다. 흉터도 없었고 아무도 내가 눈 수술을 받았다는 것을 알지 못했습니다. 환자는 3 일 후 집에서 책을 읽었습니다." 라고 환자는 말했습니다.

Galilee Medical은 두개 악안면 장치에 3D 인쇄 실험실을 설립했습니다. 

 

센터의 의사들은 3D Systems의 수술 계획 애플리케이션 및 3D 프린팅을 사용하는 노하우를 보유한 사내 엔드 투 엔드 수술 계획 워크플로우를 통합한 이스라엘 최초이자 현재 유일한 센터입니다.

"우리는 일상 업무에서 이 워크플로를 사용하기 시작했으며 이미 환자 결과에서 큰 진전을 보고 있습니다. 오류가 크게 줄어들고 외과 의사의 수술 능력이 지속적으로 향상됩니다. 또한 이러한 기능을 사내에 보유하면 절차 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 우리의 성공은 3D Lab 사용을 신경 외과와 같은 다른 부서로 확장하려는 병원에 대한 관심으로 이어졌습니다. 우리는 이러한 추세가 점점 더 많은 분야에서 환자 결과를 개선하기를 희망합니다."라고 Saruji 교수는 말했습니다.