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활용사례

활용 사례

독일 항공우주 센터(DLR), 액체 로켓 엔진 인젝터 설계

독일 항공우주 센터(DLR), 액체 로켓 엔진 인젝터 설계

독일 항공우주 센터(DLR), 3D Systems로 액체 로켓 엔진 인젝터 설계


유럽연합(EU)의 Horizon 2020 프로젝트인 "SMall Innovative Launcher for Europe"(SMILE 프로젝트라고도 함)은 소형 위성(최대 150kg)을 500km 태양 동기 궤도에 전송하는 소형 위성 발사체를 설계하는 것을 목표로 합니다. 독일 슈투트가르트에 소재한 독일 항공우주 센터(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) 구조 및 설계 연구소는 14개 참여 기관 중 하나로, SMILE 프로젝트 발사대용 액체/액체 로켓 엔진 인젝터 개발을 담당하고 있습니다. 이 연구소가 액체 추진 시스템에 초점을 맞추는 이유는 시스템 개조 및 재사용이 가능하기 때문에 소형 위성 발사대에 보다 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있기 때문입니다.


"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다."

- Markus Kuhn 및 Ilja Müller, DLR 인젝터 수석 프로젝트 관리자


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도전 과제

액체 로켓 엔진을 위한 매우 복잡한 인젝터 헤드 개발 및 생산

액체 산소(LOX)/등유 엔진의 인젝터 헤드 구성 요소가 매우 복잡하다는 점을 감안하여 DLR은 벨기에 루벤에 있는 3D Systems의 고객 혁신 센터(CIC)와 협력하여 새로운 가능성과 성능을 가능하게 하는 3D 프린팅 인젝터를 설계했습니다. 3D Systems의 Leuven CIC는 고객이 제품을 개발, 검증 및 상용화하는 데 필요한 리소스에 액세스할 수 있도록 하여 고급 응용 분야를 가속화하는 데 전념하는 전 세계 4개 센터 중 하나입니다.


EU Horizon 20/20 SMILE 프로젝트를 위한 금속 3D 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터

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금속 프린팅 인젝터 헤드는 부품 수를 30:1로 줄이고 무게를 10% 줄입니다.


솔루션

성공을 위한 파트너십

DLR은 동축 인젝터 헤드를 3D 프린팅하기로 선택함으로써 모놀리식 설계를 통한 부품 수 감소, 전체 추진 시스템의 성능 향상을 위한 냉각 채널 등의 주요 기능 통합 등 적층 제조의 여러 주요 이점을 활용하고자 했습니다.


DLR에서 인젝터 헤드 프로젝트를 관리하는 Markus Kuhn과 Ilja Müller는 항공우주 응용 분야를 위한 금속 3D 프린팅 분야에서 3D 프린팅 회사의 성공적인 실적을 감안하여 3D Systems를 파트너로 선택했다고 말합니다. Kuhn은 "DMP와 관련된 우주 관련 이니셔티브의 성공을 바탕으로 3D Systems가 센서 통합과 연료 및 냉각수 분배에 대한 새로운 가능성을 염두에 두고 인젝터 헤드의 제조를 위한 설계 측면을 제공하는 데 완벽하게 적합하다고 생각했습니다"라고 말합니다.

 

SMILE Project 발사대 열화시험

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3D 프린팅된 인젝터 헤드의 고온 연소 테스트는 우수한 혼합 및 연소 효율을 보여주었습니다. 이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.

 

01 연료 인젝터 설계 최적화 및 부품 수 감소

로켓의 인젝터는 연료와 산화제가 연소실로 들어가는 부분입니다. 성공적인 액체 로켓 연료 인젝터는 로켓을 움직이는 데 필요한 연소를 생성하기 위해 적절하게 분무되고 혼합되도록 하는 방식으로 이러한 구성 요소를 배출합니다.


3D Systems의 프로젝트 엔지니어인 Koen Huybrechts에 따르면, DLR이 구상한 액체 연료 인젝터 헤드에는 DMP를 사용한 3D 프린팅을 통해 고유하게 구현된 몇 가지 성능 향상 기능이 포함되어 있습니다. "최적화된 성능 및 냉각에 대한 필요성, 압력 및 온도 센서 채널의 설계 복잡성, 조립 및 생산을 일관되게 단순화하려는 욕구, 쉽게 반복할 수 있는 프로세스는 모두 프로엑스 DMP 320®"라고 Huybrechts는 말합니다.


DMP를 사용한 금속 3D 프린팅 DLR은 다음을 수행할 수 있습니다.


  • 연료 및 냉각수 분배를 위한 새로운 기회를 통해 부품 성능을 최적화합니다.
  • 3D 경로 압력 및 온도 센서 채널을 쉽게 구현할 수 있습니다.
  • 중간 생산 및 조립 단계를 제거합니다.
  • 전통적인 제조 방법의 제한 없이 열, 질량 및 유압 성능을 독립적으로 최적화합니다.
  • 조립 실패 지점을 피하고 모놀리식 설계로 품질 측면을 향상시킵니다.
  • 가공 단계를 줄여 고집적 다기능 인젝터를 생산합니다.

DLR은 금속 3D 프린팅을 사용하여 동축 인젝터의 설계 방법론을 크게 변경하고 여러 하위 구성 요소의 필요성을 피할 수 있어 생산 시간과 비용을 크게 절감할 수 있었습니다. 부품 수를 30개에서 1개로 줄임으로써 최종 중량을 10% 줄였으며 체결 부위에서 알려진 고장 지점을 제거하여 관련 품질 관리 조치를 완화하고 시스템 성능을 개선했습니다.


유량이 있는 DMP 프린팅 액체 로켓 엔진 인젝터의 3D 모델 단면

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인젝터 헤드 유량: 파란색 = LOX; 주황색 = 등유; 빨간색 = 필름 층; 녹색 = 증산 냉각.

 

02 정밀 금속 인쇄로 부품 통합

3D Systems의 응용 분야 엔지니어는 3DXpert™를 사용하여 프린팅할 인젝터 헤드 파일을 준비했습니다. 3DXpert는 전체 금속 적층 제조 공정을 포괄하는 올인원 소프트웨어입니다. 3D Systems는 후처리에서 파우더를 쉽게 제거할 수 있도록 사전 프린팅 작업을 수행했으며, 부품이 복잡하지 않게 제작될 수 있도록 프린팅 가능성을 확인했습니다.


최종 부품은 3D Systems의 Leuven CIC에서 3D Systems ProX DMP 320 금속 프린터로 프린트되었습니다. 레이저폼 Ni718 (A)®, 산화 및 부식 방지 인코넬 합금. LaserForm Ni718 (A)은 최대 700°C의 극저온에서 인장, 피로, 크리프 및 파열 강도가 우수하여 고온 응용 분야에 이상적입니다.


프린팅이 완료되면 3D Systems 팀은 부품 내부에서 사용하지 않는 재료를 제거하고 응력 제거를 위해 부품을 열처리한 다음 와이어 방전 가공(EDM)을 사용하여 빌드 플레이트에서 부품을 제거했습니다.


액체 로켓 엔진 인젝터의 구성 요소

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3D 프린팅 인젝터(파트너: 3D Systems) 및 세라믹 연소실을 사용한 LOX/등유 로켓 엔진 설정.

 

03 공구가 필요 없는 생산으로 설계 주기 단축

3D Systems의 적층 제조 전문 지식과 DMP를 통해 DLR은 시간이 많이 걸리는 툴링 없이 설계 변경 사항을 신속하게 통합하고 탐색할 수 있었습니다. 이 기능은 DLR의 설계 주기에 매우 중요했는데, 인젝터 헤드 프로토타입의 1단계 설계 및 테스트에 단 몇 주의 리드 타임이 소요되었기 때문입니다.


"ProX DMP 320과 3D Systems의 3D 프린팅 설계 지식이 결합되어 훨씬 더 짧은 시간에 더 많은 설계 옵션을 테스트할 수 있었습니다"라고 Kuhn과 Müller는 말합니다.


금속 3D 프린팅을 통해 DLR은 이중 소용돌이 인젝터 엘리먼트와 함께 동축 분사 기술을 적용하여 인젝터 헤드의 산화제-연료 혼합을 최적화할 수 있었습니다. 두 가지 다른 냉각 솔루션이 구현되었으며, 각 솔루션은 최소 피처 크기가 0.2mm이고 최대 길이/직경 비율이 45인 미세 채널을 사용했습니다. 이 설계는 또한 인젝터 헤드에 필름 배치 기능을 통합하여 엔지니어가 인젝터에서 직접 필름 질량 유량을 조정할 수 있도록 합니다.


금속 3D 프린팅 인젝터 헤드 디자인 내부 보기

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인젝터 헤드 내부의 모습은 금속 3D 프린팅으로 구현된 복잡성을 보여줍니다.

 

04 더 낮은 비용으로 더 높은 성능

DLR은 냉각수 분배 시스템을 인젝터와 직접 통합하여 엔지니어가 벽 증산 및 필름 냉각 기술을 구현하고 독립적으로 제어할 수 있도록 함으로써 추가적인 성능 향상을 실현했습니다. 인젝터 내부에 적용하면 연소실의 뜨거운 내부에 냉각수 피막이 형성되어 높은 열유속으로부터 벽 구조를 보호합니다. 이러한 유형의 시스템은 기존의 회생 냉각보다 제조가 훨씬 쉽고 저렴한 것으로 간주됩니다.


DLR 및 3D Systems에서 개발한 설계 및 제조 접근 방식은 세라믹 섬유 매트릭스 복합재(CMC)와 같은 정교한 세라믹 재료와 함께 인젝터 헤드용으로 개발된 구조 및 시스템을 여러 번 재사용하고 기술을 다른 응용 분야로 이전할 수 있도록 할 수 있습니다.


새로운 설계를 평가하기 위해 DLR은 내부 흐름에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하여 각 추진제의 공급 라인에서 연료 분포 및 관련 압력 손실을 추정했습니다. 후속 콜드 플로우 테스트에서는 수치적으로 측정된 데이터와 실험적으로 측정된 데이터 간에 양호한 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 스페인의 PLD Space(또 다른 SMILE 프로젝트 파트너)에서 최종 3D 프린팅 인젝터 헤드에 대한 고온 연소 테스트는 DLR이 설계한 로켓 추력 챔버 어셈블리와 함께 우수한 혼합 및 연소 효율성을 보여주었습니다.


앞으로 금속 프린팅으로 가능해진 새로운 설계 및 제조 공정은 높은 수준의 기하학적 자유도, 시장 출시 시간 단축을 위한 생산 단계 감소, 재료 및 부품의 최적화된 사용, 지속적인 성능 개선, 인젝터의 수명 연장을 위한 향상된 구조적 무결성을 지속적으로 제공할 것으로 예상됩니다.


Müller는 "3D 프린팅 인젝터 헤드의 통합 기능이 우수하고 기존 방법을 통해 제조된 최첨단 동급 부품과 비교할 때 생산 시간과 비용이 더 낮다고 자신 있게 말할 수 있다고 생각합니다.


결과

최종 부품 성능 향상 및 생산 효율성 향상

최적화된 부품 기능

더 나은 성능 도입


30:1 부품 수 감소

설계와 적층 제조를 통합할 수 있는 능력을 통해


중량 10% 감소

기존 설계 대비


설계 주기 단축 및 생산 비용 절감

툴링 제거


항공우주 분야의 금속 첨가제

금속 3D 프린팅은 중량 감소, 연료 절약, 운영 효율성 향상, 부품 통합, 시장 출시 시간 단축, 부품 보관 요구 사항 감소 등 업계의 주요 우선 순위와 이점을 일치시킴으로써 항공 및 항공 우주 분야의 핵심 기술로 추진력을 얻었습니다.


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


  • 최초의 3D 프린팅 무선 주파수(RF) 필터는 상업용 통신 위성에서 사용할 수 있도록 테스트 및 검증되었습니다. Airbus Defence and Space의 새로운 필터는 이전 설계에 비해 무게를 50% 줄였습니다.
  • 기존 방식으로 제조된 티타늄 브래킷보다 25% 더 가볍고 강성 대 중량 비율이 더 우수한 티타늄 브래킷은 Thales Alenia Space와 3D Systems의 협업을 통해 도입되었습니다.
  • 유럽우주국(ESA)과 3D Systems의 프로젝트에서 제작한 엔진 부품으로, 무게를 줄이고, 조립을 간소화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계 설계를 더 쉽게 조정할 수 있습니다.
  • 토폴로지적으로 최적화된 항공기 브래킷은 무게를 70% 줄이면서 모든 기능 요구 사항을 충족하고 GE Aircraft 과제를 충족합니다.

응용 분야를 위한 DMP에 대한 자세한 내용은 당사로 문의하십시오.


이 작업은 'SMall Innovative Launcher for Europe' 프로젝트의 일환으로 진행되고 있습니다. NLR이 주관하는 SMILE은 보조금 계약 No 687242에 따라 유럽 연합의 'Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램'으로부터 자금을 지원받았습니다.

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DMP 3D프린터를 통해 우주 위성 엔진용 부품 이중 추진제 통신 위성 엔진 인젝터, 연소실 및 팽창 노즐 생산

DMP 3D프린터를 통해 우주 위성 엔진용 부품 이중 추진제 통신 위성 엔진 인젝터, 연소실 및 팽창 노즐 생산

유럽우주국(ESA)은 제조 서비스 팀과 함께 DMP(Direct Metal Printing)를 통해 이중 추진제 통신 위성 엔진을 대표하는 인젝터, 연소실 및 팽창 노즐을 생산했습니다.


이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 더욱 개선할 수 있는 잠재력을 평가할 수 있습니다. 또한 ESA와 전문가들은 DMP의 설계 기회를 활용하여 앞서 언급한 위성 엔진 부품에 대한 기능적으로 분리된 설계 대안을 설계했습니다. 예를 들어, 모놀리식 연소실 설계는 얇은 벽 압력 용기와 지지하는 외부 구조 비계를 통합합니다. DMP는 무게를 줄이고, 조립을 단순화하고, 제조 속도를 높이고, 후기 단계의 설계 조정을 지원합니다. ESA와의 협력은 우주 및 항공우주 제조 우수성을 지원하는 고유한 노하우를 제공합니다.


혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화할 수 있습니다.



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DMP의 현재 상태

통신위성은 모바일 인터넷과 은행 간 안전한 금융 통신, TV 직접 방송, 일기예보를 위한 지구 관측에 필수적입니다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것입니다. ESA는 내부 자금 지원 프로그램의 일환으로 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하고 향후 엔진 개발에 비추어 잠재력과 성숙도를 평가하고 있습니다.

 

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혁신적인 DMP 매니폴딩을 통해 밸브에서 연소실로의 추진제 흐름을 최적화 할 수 있습니다.

 


혁신적인 인젝터 매니폴드

"DMP는 추진제 밸브에서 연소실까지의 흐름을 최적화하기 위해 혁신적인 매니폴드를 제공합니다"라고 Simon Hyde는 말합니다. 설계 자유도를 통해 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조에서 5개 이상에서 1개로 줄일 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 유압 분사 작업을 달성하는 데 필요한 많은 위험한 밀봉 용접을 제거합니다. 비용과 위험을 상당히 줄입니다. 3D Systems는 AM 생산 공정을 완벽하게 제어함으로써 티타늄을 포함한 금속 및 합금의 수가 증가함에 따라 최대 99.98%의 상대 밀도를 가진 균일한 미세 구조를 달성합니다.

 

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130미크론 해상도의 X선 이미지로 판단할 때 DMP는 

인젝터 제조에 대한 실용적인 접근방식 입니다.

 


DMP는 열이 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체로 다시 스며드는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 수립하는 데에도 적합합니다. 툴링 접근 제약이 없기 때문에 대신 금속 스캐폴드를 사용하여 전도도를 제어하여 열 스탠드오프를 재설계할 수 있습니다. 비행 가능한 티타늄 소재(Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요구 사항과 로켓 모터 설계자의 설계 요구 사항에 근접하고 있습니다.


분리된 챔버 기능

소형 우주 위성 엔진의 연소실은 일반적으로 지지되지 않는 노즐 출구가 있는 수렴 발산 노즐로 구성됩니다. 추진제 반응은 배기 가스가 목구멍 수축을 통해 발산 부분으로 흐르기 전에 수렴 섹션에서 완료되어 초음속으로 팽창합니다. 기존 챔버는 발사와 관련된 비작동 하중을 견디도록 설계되었으며, 더 두꺼운 벽은 이러한 과도 하중에 반응합니다. 일단 스테이션에 있고 작동하면 챔버는 그렇게 두꺼운 벽이 필요하지 않습니다.

 

 

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Simon Hyde는 DMP를 통해 챔버 기능을 작동 부하 케이스와 비작동 부하 케이스로 분리할 수 있었다고 말합니다. 직관적으로, 이것은 얇은 연소기 벽과 팽창 노즐 부착을 위한 용접 플랜지를 지지하는 스트럿 워크 리브로 해석됩니다.  조잡한 스트럿 작업 대신 서포트 구조물을 저밀도 메쉬로 제작한 결과 체적 밀도가 12%로 낮기 때문에 DMP는 잠재적으로 연소실 무게를 크게 줄이거나 구조적 안전 마진을 개선할 수 있습니다.


Ti6Al4V 소재로 제작된 진정한 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위한 내화 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 및/또는 레늄 기반)입니다. 이 혁신적인 연소실 설계에 대한 추가 조사에는 응력 필드에서 메쉬의 등방성과 상세한 열 영향에 대한 연구가 포함됩니다. 이 메쉬는 유효 표면 방사율을 증가시키므로 챔버 주변의 열유속에 확실히 영향을 미칩니다.


대규모 DMP

ESA 엔지니어들은 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 조사했습니다. DMP 생산량에 대해 말하자면,  275 x 275 x 450mm 상자에 맞는 모든 부품 형상을 생산할 수 있습니다. 노즐의 응력은 비교적 낮으며 오버행 질량을 최소화하는 것은 캔틸레버 엔진 설계의 마진을 높이는 데 중요합니다. 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 생산했으며, 이 노즐은 팽창 노즐의 기계적 및 열적 요구 사항을 대부분 충족합니다.


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Hyde에 따르면, DMP는 모든 설계 유연성을 없애는 시트 재료의 기존 스핀 성형에 비해 뚜렷한 제조 이점을 제공합니다. 이를 통해 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 공정 후반까지 많은 설계 옵션을 열어 둘 수 있습니다.


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Rita Leibinger Medical이 장애견들을 빠른 속도로 그들 발에 의해 다시 일어서게 합니다.

Rita Leibinger Medical이 장애견들을 빠른 속도로 그들 발에 의해 다시 일어서게 합니다.

10,000마리 이상의 개들이 3D로 인쇄된 혁신적인 정형외과 TTA RAPID™ 임플란트를 받았습니다. 시스템 다이렉트 금속 인쇄(DMP) 및 Rita Leibinger Medical이 설계한 제품 입니다.

 

2012년부터 3D Systems와 독일의 혁신적인 수의사 의학 회사인 Rita Leibinger Medical이 협력하여 개를 위한 혁신적인 정형외과 무릎 이식 수술인 TTA RAPID를 개발 했습니다. 이 작고 정밀한 3D 프린팅된 티타늄 임플란트는 진단을 받은 거의 10,000마리의 개들에게 성공적으로 이식되었습니다. : 잭러셀 (Jack Russells)에서부터 그레이트 데인즈 (Great Danes)에 이르기까지 십자 인대 문제가 발생했습니다. 몇 주 만에 개들은 마치 아무 일도 없었던 것처럼 걷고, 뛰고, 놀 수 있었습니다. 이는 광범위한 것과 극명한 대조를 이룹니다. 전통적인 시술에 필요한 회복입니다. "새로운 TTA RAPID 임플란트는 훨씬 더 좋고 영구적인 숨막히는 관절 안정성을 제공함으로써 개들의 움직임을 복원하기 위해 뒷다리에 있는 오늘날의 수술 절차를 대폭 간소화 합니다."라고 3D 시스템의 기술 및 애플리케이션 개발 매니저인 Peter Mercelis는 말합니다.

 

 

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"당신의 개가 고통스러워하고 거의 걸을 수 없는 것을 보는 것은 가슴 아픈 일 입니다"라고 말합니다. 장애가 있는 개들은 종종 십자 인대의 고장으로 진단을 받고, 이로 인해 경직된 관절의 불안정성이 발생합니다. 경직된 관절은 허벅지 뼈와 개의 뒷다리에 있는 두 개의 아래쪽 다리뼈를 연결하는데, 이것은 사람의 무릎과 맞먹습니다. 십자인대의 고장은 일반적으로 외상, 퇴행성 또는 유전적인 원인을 가지며, 그 결과로 나타나는 불안정한 경직된 관절은 보통 개의 운동 범위를 상당히 감소시켜 그들은 뛰고 걷는데 어려움을 겪습니다.


그러나 TTA RAPID(Tibial Tuberosity Advancement)는 3D 시스템의 다이렉트 메탈 프린팅의 속도와 정확성에 의해 가능하게 되었고, 치료를 성공적으로 받은 수천 마리의 개들이 보여주는 인상적인 결과들을 만들어내고 있습니다. 이 획기적인 임플란트의 성공의 열쇠는 복잡하고 개방적인 구조입니다. 이것은 3D 프린팅을 사용해야만 만들어질 수 있었습니다. 티타늄으로 인쇄된 이 구조는 더 큰 안정성과 훨씬 더 빠른 회복을 위해 빠른 뼈 성장을 촉진합니다. 개들은 이전 수속으로 더 적은 시간 동안 마취를 받고 더 적은 감염을 경험합니다.


  

 


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중요한 3D 프린팅 티타늄 임플란트


"수의과 의사는 투베로시타스 하부 다리 뼈를 정확하게 부분적으로 절단합니다."라고 부슐레는 설명합니다. "그런 다음 외과의사는 정확한 크기의 티타늄 임플란트를 절단 부위에 삽입하여 쐐기 역할을 합니다. 이 변형된 뼈 모양은 숨막히는 관절의 기계적 힘을 간접적으로 재구성하여 역동적인 무릎 안정성을 만듭니다. 이러한 TTA RAPID는 수술 후 6주만에 개들이 자유롭게 걷고 뛸 수 있도록 해줍니다."


벨기에 겐트 대학 수의학 영상학과 정형외과 전문의 이브사모이(Yves Samoy)가 참여 했습니다. TTA RAPID 임플란트의 개발과 적용 초기에 그는 "새로운 티타늄 임플란트의 주요 장점은 모양과 강도 그리고 비교적 간단한 수술 절차입니다. 저는 정기적으로 TTA RAPID를 5kg에서 85kg 사이의 개에게 이식하면 높은 수술 성공률과 매우 우수한 정형외과 결과를 얻을 수 있습니다." 작은 패키지로 최대의 복잡성을 포장하는 능력에 크게 의존하는 임플란트는 뼈에 정확하고 안정적인 요소를 형성하여 개의 장기 운동 범위를 급격하게 증가시킵니다.

 

 

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거대한 분야를 넘나드는 시장 잠재력


"상업 출시 1년 후, 거의 10,000개의 TTA RAPID 장치가 이식 되었습니다"라고 부슐레는 결론 짓습니다. “우리는 TTA RAPID가 십자인대 부상으로 고통받는 많은 개들의 움직임을 회복할 수 있는 엄청난 잠재력을 보고 있습니다. TTA RAPID 임플란트의 성공으로 다른 의료 응용 분야에 유사한 임플란트 유형이 개발되었습니다. 예를 들어 고양이와 장난감 개를 위해 특별히 설계된 새로운 TTA RAPID 소형 임플란트 라인이 있습니다."


TTA RAPID는 유럽의 Rita Leibinger GmbH의 특허 기술이며 미국에 특허 출원 중입니다.

 

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관련영상

https://www.linkedin.com/posts/rita-leibinger-gmbh-co-kg_tta-activity-7158189696781635584-85oH/

 

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금속 3D 프린터로 항공우주 부품의 생산성과 안전성을 동시에 향상시킨 MOLYWORKS

금속 3D 프린터로 항공우주 부품의 생산성과 안전성을 동시에 향상시킨 MOLYWORKS

MOLYWORKS의 한 관계자는 사업 확장으로 인해 늘어난 고객 수요를 만족시키기 위해 3D SYSTEMS와 손을 잡았다고 밝혔습니다. MOLYWORKS는 3D SYSTEMS의 DMP 장비를 생산 공정에 도입하여 자체 생산성을 크게 강화할 수 있었다고 덧붙였습니다.

 

 

 

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큰 빌드 사이즈와 특유의 진공 챔버를 지닌 3D SYSTEMS의 DMP 시리즈는 MOLYWORKS의 생산 효율성 향상에도 크게 이바지했습니다. 이런 혁신적인 변화는 MOLYWORKS로 하여금 더 많은 기업 고객을 유치할 수 있도록 도왔으며 미국 공군과의 계약을 성사시켰습니다.

 

 

MOLYWORKS의 설립자이자 임원을 맡고 있는 CHRIS EONTA는 3D SYSTEMS의 DMP 3D 프린터를 이렇게 평가했습니다. "부품 설계 속도와 반복 제작 방면에 있어서 3D SYSTEMS의 DMP 금속 3D 프린터는 타의 추종을 불허합니다. 업계 최고 수준의 기술력을 바탕으로 MOLYWORKS는 한 발자국 더 나아갈 수 있게 되었습니다. DMP 시리즈는 3D 프린팅 기술로 제작될 수 있는 제품에 대한 우리의 인식을 송두리째 바꿔놓았습니다." - MOLYWORKS 설립자 겸 임원, CHRIS EONTA

 

 


THE CHALLENGE

 

폐기물에서 금속을 재활용하는 독특한 기술력을 바탕으로 MOLYWORKS는 육상, 해상, 항공, 우주 용도의 합금을 제작해 왔습니다. 규제가 심한 항공우주 시장에서 꾸준히 증가하는 고객 수요를 만족시키기 위해 MOLYWORKS는 3D SYSTEMS의 AIG(Application Innovation Group)과 협업하여 자체 생산성을 강화하기로 결정했습니다. 핵심은 인하우스 메탈 적층 제조 시스템 확립이었습니다.

 

 

MOLYWORKS는 DMP 3D 프린터에서 빛을 보았습니다. DMP 시리즈는 3D CAD 데이터를 바탕으로 복잡한 형상의 금속 부품을 출력하는 고출력 레이저 기반 장비입니다. 먼저 3D CAD 파일을 소프트웨어에 불러옵니다. 소프트웨어는 부품 데이터를 매우 얇은 여러 개의 레이어, 즉 층으로 쪼갠 후 장비로 전송합니다. 이를 기반으로 장비는 고출력 레이저를 활용해 각 레이어의 모양대로 금속 분말 위에 그림을 그립니다. 한 층의 모양이 그려지면 그 위에 새로운 금속 분말이 깔리게 되고 레이저는 다시 그림을 그리죠. 이 과정을 반복하며 최종 형상을 만들어 나갑니다. 

 

 

DMP 시리즈의 장점은 큰 빌드 사이즈를 바탕으로 높은 설계 자유도를 제공하며, 부품의 기하학적 형상에 구애받지 않고 복잡한 형상이라도 출력할 수 있습니다. 절삭 방식 등 기존 생산 기술은 제작하고자 하는 부품 형상이 얼마나 복잡한지, 단순한지에 따라 가격과 소요 기간이 좌지우지되었습니다. 하지만 금속 3D 프린터는 재료만 있다면 복잡한 형상도 뚝딱 출력할 수 있기에 훨씬 경제적이며 빠르기까지 합니다.

 

 

 

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THE SOLUTION

 

1. REFINED TITATIUM PRODUCTION

 

MOLYWORKS는 고품질 부품 제작용 금속 분말 공급 기업으로서 매우 낮은 산소 농도를 지닌 적층 제조 솔루션이 필요했습니다. 산소 농도가 낮을수록 금속 부품의 화학성분이 더 잘 유지되기 때문이었습니다.

 

 

DMP 금속 3D 프린터는 고유의 진공 챔버를 통해 매우 낮은 산소 농도(>25ppm)을 유지했기 때문에 MOLYWORKS에게 안성맞춤이었습니다. 특히 정밀한 산소 농도 조절을 필요로하는 티타늄 합금 제작에 도움을 주었습니다. 아울러 낮은 산소 농도는 아르곤 사용량을 감축시켰으며 완벽한 표면 마감을 가능하게 했습니다.

 

 

뿐만 아니라 낮은 산소 농도를 바탕으로 경쟁사 장비보다 월등히 뛰어난 화학성분 유지율을 보여주었으며 금속 분말 재사용이 가능해 경제적인 이점까지 톡톡히 보았습니다. 

 

 

2. GREATER APPLICATION FLEXIBILITY AND SPEED

 

3D SYSTEMS의 금속 3D 프린터를 도입하기 전, MOLYWORKS는 지극히 제한적인 3D 프린팅 기술만 사용할 수 있었습니다. 하지만 3D SYSTEMS의 DMP 금속 3D 프린터는 이러한 제약들로부터 MOLYWORKS를 해방시켜주었습니다. 탈부착이 가능한 프린트 모듈은 클리닝과 재료 교체 시간을 획기적으로 줄여주었으며 개발 싸이클 역시 단축시켰습니다.

 

 

MOLYWORKS의 한 관계자는 DMP 금속 3D 프린터가 MOLYWORKS의 시제품 제작 역량을 향상시켰다고 설명했습니다. 이전에는 새로운 합금으로 교체할 때마다 생산 라인이 몇 주간 가동을 멈췄지만, 동일한 파트를 각기 다른 9가지 방식으로 출력할 수 있는 DMP 3D 프린터를 도입한 후부터 회전율이 눈에 띄게 좋아졌다고 밝혔습니다.

 

 

3. STREAMLINED DESIGN TO PRODUCTION

 

DMP 금속 3D 프린터는 복잡한 형상을 가지고 있는 부품 제작에 특히 유리합니다. 굴곡, 패턴, 텍스처 등 요소를 선명하게 출력할 수 있기 때문입니다.

 

 

물론 옥톤社의 3DXpert 소프트웨어의 도움 없이는 힘들었을 겁니다. 3DXpert는 문제가 자주 발생하는 STL 파일과 씨름할 필요 없이 CAD 파일로 즉시 파트를 출력할 수 있고 이는 제품 설계부터 출력까지 소요되는 시간을 대폭 감소시켰습니다. 이 단일 소프트웨어 시스템은 사용자가 여러 소프트웨어를 오가며 작업한 파일을 저장하고 불러오는 수고를 덜어주며, 사용자 친화적 인터페이스를 통해 비숙련자도 쉽게 익히고 사용할 수 있습니다.

 

 

4. LARGER SCALE MANUFACTURING

 

DMP 금속 3D 프린터는 고출력 레이저 기반 3D 프린터 시장에서 가장 큰 빌드 사이즈를 가지고 있는 장비 중 하나입니다. 큰 빌드 사이즈는 진정한 의미의 설계 자유도를 제공하는 동시에 대형 파트 혹은 다수의 소형 파트를 한 번에 제작하기 유리합니다.

 

 

이런 장점들은 MOLYWORKS가 사업을 확장하는 데 큰 도움을 주었습니다. 실제로 DMP 금속 3D 프린터라는 날개를 단 MOLYWORKS는 미국 5개 정부 부서와 새로운 계약을 맺었으며, 헬스케어, 모빌리티, 항공우주, 국방, 석유, 가스 산업의 터줏대감 기업들과 신규 사업을 시작했습니다.

 

 

 

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THE RESULTS

 

1. ACCELERATED WORKFLOWS: 생산 효율 향상을 통해 개발 싸이클 단축에 성공했습니다.

2. QUALITY AND PERFORMANCE IMPROVEMENTS: 고유의 진공 챔버는 매우 낮은 산소 농도에서 작업이 가능하게 했고 이는 퀄리티 향상으로 이어졌습니다.

3. PRODUCTIVITY EFFICIENCIES: 탈부착이 되는 프린트 모듈은 재료를 신속히 교체할 수 있도록 하여 MOLYWORKS의 생산성을 크게 강화시켰습니다.

4. STREAMLINED DESIGN TO PRODUCTION: 단일 소프트웨어로 부품 모델링부터 시뮬레이션, 출력 등 전반적인 제작 공정을 제어할 수 있었습니다.

5. MAXIMIZE GROWTH POTENTIAL: 자체 금속 적층 제조 역량 강화를 바탕으로 사업을 더욱 확장시켰습니다.

 

 

어떠셨나요? DMP 금속 3D 프린터에 대해 자세히 알 수 있었던 유익한 시간이었나요?

 

 

한국기술은 미국 3D SYSTEMS의 국내 최초, 최대 리셀러입니다. 국내 굴지의 대기업부터 수 많은 정부 기관까지... 수십 년간 축적된 업계 최고 수준의 노하우를 바탕으로 귀사에 가장 적합한 솔루션을 제공해 드리고 있습니다. 장비 도입이 부담되는 분들 혹은 퀄리티를 직접 확인하고 싶은 분들을 위한 시제품 제작 서비스도 제공하고 있으니까요, 언제든 편하게 한국기술로 문의해 주세요~

 

 

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금속 3D 프린터를 활용하여 정형외과 임플란트 제작에 성공한 누바시브(NuVasive)

금속 3D 프린터를 활용하여 정형외과 임플란트 제작에 성공한 누바시브(NuVasive)

샌디에이고에 위치한 정형외과 의료기기 제작 전문 회사 누바시브(NuVasive)는 2015년에 이미 적층 제조 기술의 가능성을 눈여겨보고 있었습니다. 즉, 복잡한 설계의 위상 최적화가 가능한 적층 제조 기술이 향후 인공 척추 설계와 의료기기 제조 산업의 전반적인 패러다임에 커다란 변화를 가져다 줄 것이라고 확신한 것입니다.

 

 

 


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곧이어 누바시브는 적층 제조 프로세스를 위해 서비스 및 제조 제공 업체와 긴밀히 협력할 필요가 있다고 판단하였고 적층 제조 기술의 장점을 누구보다 빨리 적용하여 2017년에 임플란트 라인 Modulus를 시장에 선보였습니다. 그들이 고작 14 개월 만에 성과를 거둘 수 있었던 배경에는 전문성을 갖춘 파트너 선정, 전략적인 혁신과 뼈를 깎는 노력이 있었습니다.

 

누바시브가 시장에 선보인 제품이 전통적인 절삭 방식으로 제조된 제품이었다면 물론 놀랄만한 일이 아니었을 것입니다. 그들이 시장의 주목을 받은 이유는 기존과는 완전히 새로운 방식인 적층 제조 기술을 활용했기 때문이었습니다.

 

인체 삽입형 의료기기 제작에 있어 가장 중요한 부분은 품질과 신뢰성입니다. 3D 프린팅을 통해 임플란트 제품을 만들기 위해 소프트웨어 응용 프로그램과 전문가의 지원이 필요했던 누바시브는 다방면에 거쳐 조사를 했고 꼼꼼한 검수 끝에 DMP(Direct Metal Printing) 장비와 3D Systems의 전문가들을 파트너로 선택했습니다. 애플리케이션 엔지니어 및 적층 제조 전문가로 구성된 3D Systems 전문가 팀의 도움으로 누바시브는 결국 Modulus 상용화에 성공했습니다.

 

 

 


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위 사진이 바로 Modulus 라인입니다. Modulus 라인은 새로운 기술을 활용한 새로운 장치 개발에 초점을 두지 않고 최적화된 장치를 공급하는 것에 집중했습니다. 그 결과 Modulus 라인은 다공성 구조에 하중 균형을 이룰 수 있었고 각각의 독립적인 SKU의 방사선 투과성 역시 향상시킬 수 있었습니다. 

 

어떻게 이런 성과를 이루어냈을까요? 누바시브는 장치 설계의 전반적인 과정에서 구조 혹은 기능성 목적에 어울리지 않는 소재를 제거하는 알고리즘 기반 설계 전략인 topological optimization(위상학적 최적화)를 사용했습니다. 위상학적으로 최적화된 부품은 뛰어난 강도와 가벼운 무게를 자랑합니다. 또한 더 나은 이미징 특성을 촉진하여 외과의가 골격 융합을 더 잘 볼 수 있도록 합니다. 추가로 최적화된 격자 구조를 통해 만들어지는 다공성구조는 뼈 성장에 도움이 되는 환경을 조성하기도 하죠.

 

 

 


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누바시브의 한 관계자는 "우리는 우리가 전에 할 수 없었던 일들을 해내고 싶었다. 이 장치는 단순히 새로운 기술을 활용했다는 것 이상의 의미를 담고 있다. 이 장치가 특별한 이유는 바로 새로운 기술을 통해 환자의 임상 결과를 개선시켰기 때문이다" 라고 전했습니다.

 

누바시브는 3D Systems의 전문가 팀과 함께 다수의 파일을 반복적으로 생성하며 연구를 이어나갔습니다. 3D Systems의 전문가 팀은 기술적 도움을 최대한으로 제공했고 이를 바탕으로 누바시브는 설계에서 생산까지 전반적인 연구에 필요한 대규모 초반 자본 없이도 다양한 기술을 활용하며 성과를 낼 수 있었습니다.

 

Modulus 라인의 상용화까지 걸린 시간은 약 14개월로 기존 제조 공정과 큰 차이가 없었습니다. 하지만 적층 제조 기술을 처음 적용했음에도 기존 방식과 동일한 속도를 유지했다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

 

누바시브는 현재 회사 내에서 DMP 3D 프린터를 활용하여 R&D 시제품 제작 및 생산 공정 혁신을 도모하고 있다고 하니 앞으로의 성장세가 기대되는데요, 다양한 산업에서 활용가치가 높은 금속 3D 프린터 DMP에 대해 자세한 상담이 필요하신 분은 한국기술로 꼭 문의해 주세요.

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