3D 프린팅을 이용한 첨단 로봇 선박 청소 시스템 제작

국제 무역은 오늘날처럼 비용이 많이 들고 치열하게 경쟁한 적이 없었습니다. 배송 비용에 영향을 미칠 수 있는 모든 요소가 면밀히 조사되고 있습니다. Yair Tamir와 Aviv Melman이 설립한 Nakai Robotics는 언제든지 수천 척의 화물선을 보유한 Maersk나 MSC와 같은 대형 해운 회사의 비용을 절감할 수 있는 첨단 로봇 솔루션을 개발했습니다. 

Nakai의 로봇은 자율 청소 차량으로, 조류, 식물 및 동물의 축적물인 생물 부착을 제거하여 선박이 보다 효율적으로 운항할 수 있도록 지원하는 동시에 청소 프로세스와 관련된 엄격한 항구 규정을 준수할 수 있도록 지원합니다.

Tamir는 2005년부터 3D 프린팅을 해왔습니다. 3D 프린터는 그의 일상적인 작업 과정의 일부였으며, 주문형 설계 및 생산 기술을 활용하여 문제를 신속하게 해결하는 방법을 배웠습니다. Nakai에서 설계 및 생산을 늘릴 때가 되자 팀은 접근 가능한 SLS로 눈을 돌렸습니다. Fuse 시리즈 프린터 3대와 Form 3L 및 Form 3B SLA 프린터를 도입했습니다. 
 

Nakai Robotics는 Melman이 Tamir에게 관찰과 아이디어를 제시하면서 시작되었습니다. 레크리에이션 다이버였던 멜만은 항구로 들어오는 선박의 밑면을 보고 선체에 쌓인 진흙에 감탄했습니다. Tamir 씨는 "우리는 1년 동안 항구에서 생물 오염이 환경에 미치는 영향과 선박의 연료비에 대해 공부했고, 수익과 환경 안전을 모두 개선할 수 있는 솔루션을 개발할 수 있다는 사실을 깨달았습니다."라고 말합니다.

생물 부착은 주로 선박의 속도를 늦추기 때문에 운송 비용에 영향을 미칩니다. 선체에 달라붙은 유기 및 무기 물질의 축적으로 인해 엄청난 항력이 발생하기 때문입니다. 선박은 일정을 맞추기 위해 더 많은 연료를 태워야 하며 그에 따라 비용도 증가합니다. 선체를 깨끗하게 유지하면 효율성이 극적으로 향상될 수 있습니다. Nakai는 자사의 로봇으로 연료 비용을 10~15% 절감할 수 있다고 추정합니다.

정책이 엄격한 일부 지방 정부는 선체 검사를 통과하지 않으면 선박이 항구에 들어오는 것조차 허용하지 않습니다. 호주에서는 크루즈선이 청소를 마치고 입항 허가를 받기까지 시드니 항구 밖에서 1주일 넘게 대기해야 했습니다. 크루즈 회사와 승객 모두에게 막대한 비용이 든 셈입니다.

비용 외에도 생물 부착은 항구의 해안 환경에서 미묘한 생태계 균형에 큰 문제를 야기합니다. 선박이 항구에 들어오면 이미 취약한 해안선 생태계는 선박 선체에서 자연스럽게 떨어져 나오는 이물질과 외래종의 유입을 견딜 수 있습니다. 선박을 청소해야 할 경우(일반적으로 원격 제어 차량이나 인간 다이버가 청소), 이물질을 폐기해야 합니다. 규제가 덜한 일부 국가에서는 해당 국가의 해역에 직접 폐기하는 것을 허용하여 지역 종의 멸종, 산호 백화, 외래종 번식 등 환경에 영향을 미칠 수 있습니다.

Nakai에는 두 가지 플랫폼 솔루션이 있습니다. 첫 번째, PLECOS는 항구에서 운영됩니다. 특허받은 필터와 수집 탱크를 사용하여 파편이 지역 수역에 버려지지 않도록 했습니다. 두 번째로 GOBY는 선박과 함께 공해를 항해하며 새로운 생물 부착이 축적되는 즉시 이를 지속적으로 제거하여 환경에 미치는 영향을 완화하고 선박 운영자가 규제 정책을 준수할 수 있도록 지원합니다.

"생물 부착은 환경에 엄청난 피해를 주고 해양뿐만 아니라 연료 비용에도 악영향을 미칩니다. 세척 서비스를 제공하는 회사가 있긴 하지만, 특정 국가의 해상 경계 내에 있는 동안 엄격한 항만 규정을 준수하기는 어렵습니다. 따라서 심해 여행의 힘을 견딜 수 있는 무언가를 개발하거나 제거한 것을 수집할 수 있는 방법이 필요했습니다.”라고 Tamir는 말합니다.

3D 프린팅은 처음부터 솔루션의 일부였습니다. 타미르는 Nakai를 설립하기 전 이미 20년 동안 3D 프린터를 사용해 왔으며, 시장에 출시된 모든 기술과 주요 3D 프린팅 제조업체에 익숙했습니다. 이 프로젝트의 경우, 그는 팀이 매우 복잡한 다중 소재 어셈블리에 쉽게 맞출 수 있도록 정밀한 공차로 기능성 파트를 신속하게 개발할 수 있는 솔루션이 필요했습니다. Tamir는 "우리는 항상 프린팅을 하고 있습니다. 24시간 7일, 개발을 멈추지 않습니다."라고 말합니다.

전반적으로 Nakai 로봇에는 1,500개의 다양한 부품이 포함되어 있으며, 이 중 300개는 로봇의 최종 버전에서 최종 사용을 위해 3D 프린팅되었습니다. 3D 프린팅 솔루션은 대량 생산이 가능해야 할 뿐만 아니라 일관성, 반복성, 정확성도 갖추어야 하며, 외부의 강한 힘을 견딜 수 있는 소재를 사용해야 합니다. 3D 프린팅으로 제작된 최종 사용 부품이 300개에 달하는 Nakai는 신규 주문이 들어올 때 백 스톡으로 활용할 수 있도록 대량 생산도 가능한 솔루션이 필요합니다.

Tamir는 별도의 의료 기기 벤처를 위해 Formlabs의 대형 SLA 프린터인 Form 3L과 생체 적합성 데스크톱 버전인 Form 3B를 시작했습니다. SLA 라인에서 사용할 수 있는 소재의 범위가 넓어 다양한 프로젝트에 맞는 레진으로 쉽게 전환할 수 있었습니다. Formlabs 레진을 활용하여 로봇의 고성능 탄소 섬유 쉘용 몰드를 신속하게 실험하고 씰용 플렉서블 파트를 제작할 수 있었습니다. 타미르 씨는 “저희가 사용하는 SLA 소재는 거의 모든 작업에 Tough 1500 Resin을 사용합니다. 금형에도 사용하죠.”라고 말했습니다. 

하지만 최종 사용 부품을 제작할 때가 되자 Tamir는 유리 섬유 강화 소재로 강성과 치수 정확도가 매우 높은 Nylon 12 GF Powder를 사용하여 Fuse 1을 도입했습니다. 

최종 사용 로봇에 필요한 수천 개의 SLS 부품을 생산하기 위해 Nakai 팀은 매일 하루 종일 프린터를 가동합니다. “로봇 한 대에 SLS 파트가 300개 이상 들어가면 상업적 기업 수준의 생산량이 나오는 거죠.”라고 Tamir가 말합니다. 이러한 상업적 규모를 달성하려면 각 로봇이 다음 로봇과 동일하게 조립되고 작동할 수 있도록 부품의 정확성과 일관성에 의존해야 합니다. Fuse 시리즈로 수년 동안 프린팅을 해 온 Tamir와 그의 생산팀은 그들의 파트가 일관된 치수 정확도를 제공한다는 사실을 발견했습니다. 

자율 로봇을 제작하는 것만으로도 충분히 어렵지만, 수중에서 작동해야 하고 강한 힘이 작용하는 로봇을 제작하는 것은 완전히 새로운 수준의 도전입니다. GOBY 로봇이 선체 측면에 달라붙어 있도록 하는 기술은 독점 기술이지만 Nakai는 다가오는 물의 힘을 이용해 로봇을 작동시키고 선박에 단단히 부착시킨다고 말합니다. 

로봇의 외부 쉘은 탄소 프리프레그 공정을 통해 제작된 탄소 섬유로 만들어졌습니다. 하지만 모든 최종 사용 SLS 구성품의 경우 Tamir는 3D 프린팅 부품이 수중에서 몇 달이 지나도 방수 기능을 유지할 수 있는 솔루션을 찾아야 했습니다.  

팀은 SLS 3D 프린팅 파트를 염수욕과 염수 분무로 테스트하여 해수의 부식 효과를 확인했습니다. 장시간 노출 후 SLS 3D 프린팅 부품에서 부식 징후가 나타나기 시작했고 Tamir는 다양한 코팅 방법을 모색하기 시작했습니다. 다양한 도금 및 코팅 방법을 테스트한 후 Cerakote로 결정했습니다. "저희는 파트를 보호할 수 있을 것이라고 생각되는 후처리 방법과 솔루션을 테스트해 보았지만, Cerakote를 사용하기 시작하자 모든 것이 잘 작동했습니다. 현재 SLS 파트를 사내에서 세라코트로 코팅하고 있으며, 소금물 분무와 수중 침지에도 잘 견딥니다."라고 Tamir은 말합니다. 

세라 코트는 얇게 도포할 수 있고 성능이 우수한 세라믹 코팅제이며 기계적 물성과 심미성을 동시에 얻을 수 있는 제품으로 NIC Industries사에서 개발했습니다. 최종 용도 SLS 제품과 조립품의 경우 Cerakote를 사용하면 기능성이 향상되어 3D 프린팅 부품의 수명과 내후성이 연장됩니다.

수명 주기 테스트와 베타 테스트까지 성공적으로 마치고 나니 Nakai는 최종 사용 로봇을 전 세계를 횡단하는 여러 선박에 실어 보낼 수 있었습니다. 입소문이 나면서 에너지 절약과 경제적인 이 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 화물선에서 크루즈선에 이르기까지 거의 모든 유형의 운송 솔루션이 생물 부착에 대한 규제 문제에 직면해 있으며 예외 없이 모든 사람들이 연료를 더 멀리 실어나르고 싶어합니다. "로봇이 선박을 청소하면 비용을 절감하고 탄소배출권을 절감할 수 있습니다. 풍력이나 전기 추진 방식에서도 마찰이 존재하지만 생물 부착을 청소하면 해결할 수 있습니다."

3D 프린팅은 Nakai의 확장 계획에서 큰 비중을 차지합니다. 빠르고 민첩한 개발 일정의 이점을 얻은 Tamir는 3D 프린팅이 점점 더 경쟁이 치열해지는 업계에서 선두를 유지하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 알고 있습니다. "회사의 다음 단계는 규모 확장입니다. 규모 확대, 지원 확대, 제품 확대. Tamir는 "3D 프린터를 더 구입해서 여기에서 작업할 계획입니다."라고 말합니다. 

Form 시리즈와 Fuse 시리즈를 모두 사용하여 Nakai 팀은 빠른 반복 작업과 동시에 가장 열악한 환경, 즉 고압의 차가운 염수에서 빠르게 움직이는 로봇용 최종 사용 부품을 수천 개 제작할 수 있었습니다. Tamir은 "Formlabs를 선택한 이유는 반복해도 변하지 않는 품질 때문입니다. 무언가를 보내고 싶고, 꺼내고 싶고, 준비가 되어 있습니다. 장난감처럼 다루고 싶지 않아요."라고 합니다. 

고객과 파트너가 늘어남에 따라 Nakai는 SLA와 SLS 3D 프린팅을 모두 확장할 예정입니다. Formlabs 기술에 대해 자세히 알아보려면 최종 사용 애플리케이션과 소재를 살펴보세요.