미 해군 사관학교에서 차세대 해군 엔지니어 교육에 3D 프린팅을 사용한 방법

글로벌 위기로 인해 제조업체가 보다 민첩하한 생산 수단을 대안으로 찾게 됨에 따라 연방 법률은 점점 명확하고 노골적인 태도로 군대의 적층 제조 채택을 요구하고 있습니다. 국방 인력에게 이러한 기술을 용이하게 교육하기 위해 군대 학부 프로그램의 교육자들은 3D 프린팅에 관심을 집중하고 있습니다. 미 해군 사관학교(USNA)의 부교수인 브래드 베이커(Brad Baker) 대위는 이미 시대를 앞서고 있으며 수년 동안 다양한 적층 기술에 집중해 왔습니다.

MakerSpaceUSNA에서 미국 해군 사관학교의 학생은 모두 전공과 관계없이 다양한 적층 제조 기술을 접하게 됩니다. 특히 공대생의 경우, 적층 제조 기술을 접하는 데서 멈추는 것이 아니라 훨씬 더 나아가 첨단 제조 및 방위 산업의 해군 엔지니어와 리더로서의 경력을 준비합니다. 교육을 그런 수준까지 진행할 수 있는 있는 것은 Formlabs의 Form 3, Form 3B, Form 3L, Fuse 1을 비롯한 다양한 3D 프린터와 다른 공급업체의 프린터와 장비 덕분입니다.

베이커 대위는 미해군사관학교(USNA)의 기계 공학부 및 무기 공학부에서 모든 재료 과학 장비의 실험실 책임자로서 현미경 검사부터 재료 개발, 이제는 적층 제조에 이르기까지 모든 것을 관리합니다. 저희는 고급 제조 기술 교육에 관한 대위의 접근 방식, 이러한 기술에 대한 연방 및 부서 지침, 메이커스페이스에서 학생들이 작업하고 있는 일부 프로젝트에 관해 대위와 이야기 나눴습니다. 

베이커 대위는 학생 엔지니어링 캡스톤 프로젝트의 기술 고문으로 근무한 후 5년 전에 MakerSpaceUSNA를 시작했습니다. 잠수함 발사 무인 항공기(UAV) 설계를 맡은 학생들에게 조언을 건네던 베이커 대위는 학생들의 반복 과정을 빠르게 진행할 수 없고 따라서 학습 속도에 장애물로 작용하는 것이 제조 장비에 대한 접근성 부족임을 깨달았습니다. 심지어 학생들의 캡스톤(capstone) 프로젝트를 전담하는 기계 공장이 있었지만 각 개인이나 팀이 1년에 서너 번까지만 반복할 수 있었습니다. 

“부품을 설계하고 작은 설계 공간에 들어맞게 맞추는 작업을 훌륭하게 수행했지만 부품 제조의 지연 시간은 본질적으로 길었고 이런 점은 학생들이 어쩔 수 없는 부분이었습니다. 일 년을 통틀어 겨우 서너 번 반복할 수 있었습니다. 프로토타입 제작이 느려터졌었죠. 그리고 학생들은 기회, 실제로 물품을 제작해볼 기회를 놓치고 있었습니다. 저는 간절하게 그 격차를 메우고 싶었어요. 제품 제작 속도를 높이고 학생들이 실제 제조 공정에 참여할 수 방법을 찾아야 했습니다."

물론 베이커 대위 이전에도 학생들의 학습을 위해 캠퍼스에 3D 프린터를 도입한 교수는 있었습니다. 하지만 MakerSpaceUSNA를 열어 캠퍼스의 설계 및 제조 시설 전체를 한 곳으로 모은 사람은 대위였습니다. 베이커 교수는 융용 적층 모델링 방식(FDM, fused deposition modeling) 프린터 몇 대를 시작으로 3D 프린터를 기계 공학 커리큘럼에 도입했고 학생들이 캡스톤 프로젝트를 완료하는 데 3D 프린터를 사용할 수 있게 했습니다. 

"시작하자마자 바로 성공했습니다. 학생들이 요구한 것이었어서 흥미를 가지고 즉각적으로 참여했거든요. 프린터 두 대로 시작하고나서 CAD 장비와 3D 프린팅 장비까지 빠르게 확장하게 되어 저희는 캠퍼스에서 가장 처음 강력한 컴퓨터, CAD, 3D 프린터가 집중된 시설이었고 이 장비들 모두 학생들이 직접 사용할 수 있었습니다.”

연구실에 이런 기술력을 갖추는 데 드는 비용 때문에 학부생이 장비에 완전히 액세스하는 것을 꺼리는 프로그램 관리자가 많습니다. 베이커 대위는 장비가 고장나거나 공간이 난장판이 되는 것을 걱정하기보다는, 사실 그렇게 하도록 장려하고 있습니다.

“저는 학생들이 프린팅에 실패했으면 합니다. 가장 많이 배울 수 있는 기회니까요. 인기가 없을 수도 있고 비용이 많이 들 수도 있지만 사실 학생들은 그런 과정을 거치며 배웁니다. 한 학기에 최대 100명까지 사용합니다. 학생수가 많다보니 그들이 스스로 배우기를 기대합니다. 접착력이나 서포트에 문제가 있는 경우 서포트와 접착이 더 필요하다거나 물체의 크기를 조정하거나 방향을 바꿔야 한다는 것을 배우게 됩니다. 어려워서 말만으로는 가르칠 수 없죠."

베이커 대위는 최근 계층화된 교육 프로그램을 구현하여 시간과 재료의 손실을 줄이려고 했습니다. 학생들이 엔지니어링 커리큘럼을 시작하면, CAD 소프트웨어 사용법, FDM 프린터 작동법, 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 방식의 프린터 작동 방식을 순서대로 배우게 됩니다. 현재 학생들은 3D 스캐닝 방법까지 배우며, 학습한 도구를 모두 사용하여 리버스 엔지니어링(reverse engineering) 프로젝트를 완전히 완료할 수 있습니다.

교육을 이수하고 자격을 갖춘 사용자는 스스로 장비가 한결같이 작동하도록 하는 데 집중합니다. 베이커 대위의 맞춤형 교육은 학생들을 오류가 발생하기 쉽지만 단순한 FDM 시스템에서 점점 더 튼튼하고 고장률이 낮은 SLA 프린터로, 마지막에는 가장 사용하기 쉽지만 가장 복잡한 SLS 시스템으로까지 이끕니다.

Form 3, Form 3L, Fuse 1 프린터는 기계 공학 학생들에게 프로젝트에 적합한 3D 프린팅 기술 선택법을 가르치는 것 외에 연구에도 도움이 됩니다. 

재료 과학자인 베이커 대위는 수년 동안 레진 '도핑'을 실험하여 세라믹 입자 같은 첨가제로 새로운 폴리머를 만들어 왔습니다. Formlabs 소프트웨어 프로그램인 Materials Settings Editor(소재 설정 편집기)를 사용하게 되자 MakerspaceUSNA는 Form 3의 일부 설정을 더 세세하게 제어하여 세라믹화된 레진과 기타 독점 혼합물을 실험할 수 있었습니다.

“소재 설정 편집기 덕분에 우리가 프린터를 더 명확하게 이해하는 데 도움이 되어 기계를 작동하는 다양한 노브와 레버 조정법을 배우게 되었습니다. 원래 우리는 세라믹을 사용하기를 원했으므로 애플리케이션을 매우 특정한 용도로 사용했습니다. 우리는 열유속 하에서 전류를 생성하는 열전 재료를 만들고자 하는 큰 야망을 품고 있었습니다. 적층 제조된 것은 찾을 수 없었기 때문에 자체적으로 제조 방법을 다양하게 연구하기 시작했습니다.”

이와 같은 연구 실험은 종종 5년 전 MakerSpaceUSNA 중앙 집중화 이면의 원동력이었던 공대생의 캡스톤 프로젝트의 일부입니다. 그러나 원래 아이디어는 한 방향을 향해 시작하더라도 종종 다른 방향으로 바뀔 수 있습니다. Fuse 1을 접는 초기 아이디어가 그런 경우였습니다. 베이커 대위는 처음에 재료 실험과 개발 프로젝트를 SLS로 확장하고 싶어 했고 여전히 정확한 부품을 일관되게 생산할 수 있는 접근 가능한 가격대와 설치 공간을 갖춘 프린터를 찾아야 했습니다. 

“몇 가지 특이한 이유로 Fuse 1을 얻었지만 그 외에도 많은 이유로 놀라운 성공을 거두었습니다. 프린터는 비교적 놀랍도록 빠릅니다. 큰 성공을 거두었죠. 해상도는 좋고 치수 정확도는 뛰어납니다. 치수 정확도는 우리가 보유한 모든 프린터 중에서 최고입니다. 학생들은 종종 우리가 Fuse 1으로 시작하지 않은 이유를 궁금해합니다. 저는 그들에게 간단히 'Fuse 1을 사용하려면 이전에 해야할 것들이 있어.'라고 합니다.”

초기 목표는 새로운 재료를 만드는 것이었지만 베이커 대위는 Formlabs Nylon 12 Powder로 작업하는 것이 원활하고 효율적인 프로세스라는 것을 알게 되었으며 “Nylon 12의 물성은 아주 매력적입니다. 가볍고 강하죠. 우리는 UAV 부품과 기타 최종 사용 부품을 몇 가지씩 만들었습니다. 강도와 연성이 좋고 견고하며 무엇보다 서포트가 필요하지 않아 까다로운 모델을 아주 잘 프린팅할 수 있습니다.”