전 세계에서 5천만 명이 넘는 환자가 외상성 원인으로 인해 사지 절단1을 겪습니다. 응급 상황에서 회복 중인 환자가 보철물이라는 새로운 세계에 발을 들이는 일은 고통스러울 수 있습니다. 그런 분들은 대체로 자동차를 운전하거나 체육관에서 운동을하고 집 주변을 청소하는 것과 같은 일상 생활로 돌아가고 싶어합니다. 그러나 기존의 의지는 대체로 조악하고 고가이며 파손되기 쉽습니다. 고급 의수가 필요한 환자의 약 10%가 현재 그 가격을 감당할 수 있습니다.
이 시장을 전복시키려는 기업이 싸이오닉(PSYONIC), 어빌리티 핸드(Ability Hand)의 제작사입니다. 3D 프린팅, 사출 및 실리콘 금형, CNC 기계가 통합된 하이브리드 제조 공법으로 인하우스에서 설계하고 제작한 어빌리티 핸드는 그들의 삶과 동작을 복원하여 원래의 모습으로 되돌려줄 것을 약속합니다.
싸이오닉이 Formlabs SLA 3D 프린터로 성취할 수 있었던 것은 무엇일까요?
- FDA에 등록되고 Medicare에서 비용을 충당할 수 있으며 업계를 정의하는 상지 보철물을 아무런 기초 없이 제작.
- 고객 피드백 수집 및 인하우스 신속 프로토타입 제작으로 어빌리티 핸드의 디자인 및 기능 개선.
- 진정한 하이브리드 제조 생산 공정을 배포하여 어빌리티 핸드를 경제적인 가격에 판매.
- 개럿 앤더슨 병장(Sergeant Garrett Anderson)을 비롯한 환자들이 일상 생활로 되돌아 가는 데 일조.
- 환자의 접근성을 10%에서 75%로 확장
- 새로운 내구성과 내충격성 3D 프린팅 소재를 활용하여 오래가는 최종 사용 파트 제작
이 글에서는 CEO인 아딜 악타르(Aadeel Akhtar) 박사, 수석 기계 엔지니어 제임스 오스틴(Ability Hand)과 함께 자리해 어빌리티 핸드를 어떻게 제작했으며 이 시장에는 왜 공급이 부족한지, 3D 프린팅은 어떻게 그들의 시장 진출 전략에서 중요한 부분이 되었는지 알아보려고 합니다. 어빌리티 핸드의 초기 파워 유저 중 한 분인 개럿 앤더슨 병장님도 만나뵙겠습니다.
더 우수한 상지 솔루션의 필요성
이라크에 파병되었던 2005년, 개럿 앤더슨 병장은 차량이 도로변에 있던 폭탄에 맞는 사고를 겪었습니다. 나중에 가벼운 외상성 뇌손상과 턱 골절을 진단받은 앤더슨 병장은 오른쪽 팔꿈치 아래 팔 부분을 제거해야 했습니다. 집으로 돌아오자 삶은 거의 정상으로 돌아왔지만 여전히 어려운 점이 엄습해왔습니다. 그는 일리노이 주립대에 등록하여 학사와 석사 학위를 취득했고 두 자녀를 두었습니다.
현재 인공 의지 시장은 구식이며 기본 기능에 여전히 후크를 사용하고 있습니다. 몇 년간 다른 저명한 의료 분야는 빠르게 발전했지만 의지 분야는 여전히 과거에 머물러 옴싹달싹 못하고 있습니다.
앤더슨 병장은 결국 박사 과정 학생이었던 젊은 시절의 아딜 악타르 대표를 만나게 됩니다. 악타르도 앤더슨 병장처럼 당시 보철물의 상태가 만족스럽지 않았습니다. "이 일은 제가 일곱 살 때부터 평생 하고 싶었던 일입니다. 저희 부모님은 파키스탄 출신이시죠. 그곳에 방문했을 때 저는 사지의 모습이 다른 사람을 처음 보았습니다. 또래였는데 오른쪽 다리가 없어서 나뭇가지를 목발로 쓰고 있었어요. 그리고 저는 그 모습에 영감을 받아 이 분야에 뛰어들었고 가장 진보한 생체공학 장치를 만들어 누구라도 사용할 수 있게 하고 싶었습니다."
CEO인 아딜 악타르 박사가 어빌리티 핸드의 가장 최신 버전을 들고 있습니다.
그렇지만 업계를 정의할 만큼 참신한 의지 제품을 출시하는 일은 쉽지 않았습니다. 악타르 대표는 "지난 7년간 당사는 아홉 가지의 서로 다른 프로토타입을 거쳐 어빌리티 핸드를 제작했고 이제 어빌리티 핸드는 미국 전역에서 구매할 수 있고 FDA에 등록했으며 Medicare로 보장받을 수 있습니다."라고 밝혔습니다.
현대 하이브리드 제조의 풍경
크고 작은 기업이 프로토타입 제작과 신제품을 시장에 출시하는 데 도움을 얻기 위해 점점 더 인하우스 3D 프린팅으로 눈을 돌리고 있습니다. 의료 기기 제조 같이 R&D 비용이 높은 구간에서는 3D 프린팅이 엔지니어링 팀의 공구 박스에서 심장 같은 도구가 되었습니다.
진정한 차세대 의지는 사용자 입력에 빠르게 반응하고, 질기고 견고하여 일상 생활 중에 망가지지 않아야 하고, 경량이어서 사용자가 피로하거나 팔에 쥐가 나지 않아야 하며, 실제 감각을 감각 피드백으로 전달할 수 있어야 합니다. 간단한 일이 아니죠!
싸이오닉 같은 소규모 기업이 장치 제작 분야를 어떻게 바꿔놓았기에 기존 보철물 시장을 전복할 수 있었을까요?
- 3D 프린팅은 수십 년간 프로토타이핑과 제품 개발 어디에서나 흔히 찾아볼 수 있었던 기술입니다. 이제 그 동안 숙성된 기술, 특히 선택적 레이저 소결 방식(SLS)과 광경화성 수지 조형 방식(SLA) 프린팅을 제조 분야에서는 광범위하게 사용하고 있습니다.
- 최종 사용 파트용 대량 생산과 고품질 프린팅에 사용되는 개선된 기술, 각양각색으로 진보한 소재가 더해진 3D 프린팅 기술은 새로운 의료 기기를 제작하기에 실용적인 방법입니다.
- 최종 파트를 직접 제작하는 것 외에도 3D 프린팅을 선택하면 "하이브리드 생산"에서, 예를 들어 금형, 공구, 패턴, 고정구, 지그 제작 같은 기존 과정과 더불어 중간 과정으로서도 강력한 장점을 얻을 수 있습니다. 이는 신속 툴링과 제조 보조 도구로 알려져 있습니다.
오스틴은 "제조 방법을 맥스 앤 매치하는 작업은 극도로 중요합니다. 일반적으로 스타트업에 아주 중요한 요소지만 싸이오닉에는 특히 중요합니다. 단순히 기존 제조 방법을 고수했다면 당사의 규모에서 다른 보철물 회사와 경쟁할 방법은 없었을 것입니다. CNC 기계 가공과 사출 성형 같은 방법의 초기 비용, 특히 여러 회차의 반복으로 프로토타입을 제작하는 방법을 이용하려고 했다면 초기 비용이 천문학적인 숫자에 달해 감당하기 어려웠을 테니까요. 그러나 다양한 유형의 3D 프린팅을 도입하여 프로토타입을 재빠르게 제작하고 반복 주기를 변경하고 물건을 소량으로 저렴한 비용에 생산할 수 있었습니다. 3D 프린팅, 특히 Formlabs 3D 프린터는 규모가 당사와 비슷한 스타트업의 개발 프로세스에서는 절대적으로 중요한 존재가 되었습니다.
싸이오닉이 인하우스 3D 프린팅으로 어빌리티 핸드를 제작한 방법을 좀 살펴보겠습니다.
인하우스 제작 탄소 섬유 금형
싸이오닉은 탄소 섬유 금형을 인하우스로 제작한 덕분에 어빌리티 핸드의 설계를 개선할 수 있었습니다.
탄소 섬유는 어빌리티 핸드의 무게는 줄이면서 전체 내구성과 강성은 증가시킬 수 있어 제작에 사용하기에 아주 강력한 소재입니다. 이와 다르게 기존의 금형은 고가이다 보니 반복 작업과 소량 생산에 필요한 금형 수 만큼만 제작하는 데 장애물로 작용합니다. 그러나 오늘날의 기업은 적층 제조와 기존 CNC 기계 가공 사이에서 선택할 필요 없이 양쪽 방법을 모두 이용할 수 있습니다.
오스틴은 "탄소 섬유 금형을 초기에 반복 제작할 때는 사실상 SLA 3D 프린팅이 꽤 중요한 역할을 했습니다. 탄소 섬유용 금형을 제작할 자원이 없었어요. 예를 들어 기계 가공에 필요한 자원말입니다. 그래서 그 대신 High Temp Resin으로 금형을 생산했습니다. 잘 부서지지만 내열성이 있어서 탄소 섬유 시트에 압력을 가해 원하는 형태로 만들 수 있었고 고온의 오븐에 넣어 경화하면 우리 손에 착 붙었습니다."하고 설명합니다.
3D 프린팅 금형으로 탄소 섬유 부품을 제조하면 비용을 절감하고 리드 타임을 단축할 수 있습니다. 엔지니어가 저렴한 비용으로 직접 작업 금형을 프린팅할 수 있어 수작업으로 깎아내거나 CNS 장비를 다룰 필요가 없습니다. High Temp Resin과 Rigid 10K Resin 덕분에 싸이오닉 같이 성장하는 의료 기기 기업이 기존 공정으로는 어려웠을 섬세한 디테일을 겸비한 복잡한 형태의 금형을 손에 넣을 수 있습니다.
오스틴은 High Temp Resin으로 다수의 금형을 제작해 저렴한 비용으로 원하는 만큼 설계를 테스트했습니다. "형태가 마음에 들지 않으면 그저 CAD에서 변경한 다음 3D 프린터로 다시 전송하면 또 한 번 High Temp Resin 블럭이 나오니 반복하기가 편했죠. 장기 지속 가능성을 얻기 위해 결국 기계 가공 금형으로 바꾸기는 했지만 초기 프로토타이핑과 단기 테스트 용으로는 Form 3 프린터에서 High Temp Resin으로 프린팅한 금형이 아주 유용했습니다." High Temp Resin은 238°C @ 0.45 MPa의 열변형 온도(HDT)를 가지며 오토클레이브(고압멸균기, autoclave)의 열과 압력을 견딜 수 있습니다.
3D 프린팅 금형을 사용한 탄소 섬유 부품 제작
탄소 섬유 부품 제작에 사용되는 프리프레그 및 핸드 라미네이팅 방법에 관한 단계별 지침과 복합 몰드 설계 지침을 확인하려면 본 백서를 다운로드하세요.
리버스 엔지니어링(Reverse Engineering, 장치 또는 시스템의 기술적인 원리를 그 구조분석을 통해 발견하는 과정)
싸이오닉은 비용을 절약하기 위해 작은 커넥터를 리버스 엔지니어링했습니다.
리버스 엔지니어링은 물리적으로 존재하는 부품에서 디지털 설계를 만들어 내기에 좋은 방법으로 엔지니어의 프로토타이핑 도구 중에서도 값진 도구가 될 수 있습니다. 숙련된 엔지니어링 팀과 3D 프린터가 부품을 재빨리 리버스 엔지니어링하면 생산 지연을 단축할 수 있습니다.
의료 분야에서 종사하는 사람이라면 특허가 난 부품이 얼마나 고가인지, 어떤 때는 작은 클립조차도 교체하는 데는 수백 달러가 필요하다는 점을 알고 있을 것입니다. 싸이오닉 같이 규모가 작은 기업에는 최초 교체용 부품 비용 조차도 고가여서 감당하기가 어렵습니다.
싸이오닉은 또 한 번 인하우스 3D 프린터를 사용해 이 문제를 직접 해결했고 개발 속도에 박차를 가하며 비용도 절약했습니다. 오스틴은 "때때로 다른 기업의 제품과 호환되게 만들어야 하는 파트가 생겼고 어떤 때는 구매할 수 있었지만 의료 산업에서 사용하는 많은 물품처럼 시중에서는 아주 고가입니다. 사실 크기가 작은 파트 정도는 꽤 쉽게 모양과 형태를 리버스 엔지니어링해서 간단하게 인하우스로 생산할 능력이 있었습니다."라고 후일담을 들려주었습니다.
리버스 엔지니어링에 사용되는 3D 스캐닝과 3D 프린팅과 기타 응용 분야
본 백서를 다운로드하여 3D 스캐닝과 3D 프린팅의 조합이 어떻게 리버스 엔지니어링의 동력이 되는지 알아보세요. 보고서에는 현재 3D 스캐너 시장에 관한 개요가 포함되어 있습니다.
사출 및 실리콘 금형용 신속 툴링
단기 사출 성형을 의료 기기 개발 과정에 도입하면 많은 엔지니어링 팀이 요긴하게 사용할 수 있습니다. 신제품 제작에 착수할 때 신속 툴링을 이용해 소량의 최종 사용 파트를 생산하면 프로토타이핑과 고가의 하드 툴링이 필요한 대량 생산 사이의 간극을 효과적이면서도 효율적으로 메울 수 있습니다. 싸이오닉 팀은 비용을 절약하기 위해 어빌리티 핸드의 파트를, 손가락 부분을 포함하여 모조리 3D 프린팅하는 데서 시작했습니다. 팀은 튼튼한 손가락을 더 많이 성형해야 할 필요성을 재빨리 깨닫고 손가락을 직접 성형하는 대신 3D 프린팅 금형으로 전환했습니다.
악타르 대표는 이 변화에 관해 이야기 하면서 "우리가 직면했던 가장 큰 어려움 중 일부는 어떻게 하면 제조가는 낮추면서 시판 중인 타사의 제품 보다는 내구성이 좋은 의수를 만들 수 있을 지였습니다. 그리고 의수 제작에 착수했을 때는 모든 부분을 3D 프린팅하여 엄청난 비용 효율성을 얻었습니다. 그러나 환자와 의료진 수백 명과 대화했을 때, 가장 많이 전해 들은 불만은 $50,000를 주고 구매한 바이오닉 핸드가 부서진다는 사실이었습니다. 바이오닉 핸드를 우발적으로 탁자 측면에 부딪히면 관절 부위가 걸려 부서지지만 어빌리티 핸드의 손가락은 질긴 소재를 3D 프린팅한 구성품이라 유연하고 부서지지 않습니다. 어빌리티 핸드의 손가락이 어딘가에 부딪히면 실제로는 부딪힌 방향으로 휘었다가 원래대로 돌아오죠. 그리고 우리는 처음부터 이런 기능을 의수에 넣어 다른 어떤 제품 보다 오래 가게 하고 싶었습니다."라고 밝혔습니다.
팀은 용융 적층 모델링 방식(FDM) 3D 프린터를 사용해 금형을 제작하는 작업에서 시작했습니다. FDM 프린터는 프린트물을 빠르고 저렴하게 얻을 수 있는 장비지만 종종 고압 상황에서 견디기가 어렵습니다. 금형은 엄청나게 매끄럽고 고해상도로 프린팅해야 해서 SLA 방식이 더 적합합니다. 오스틴은 " 사실 처음에는 제품의 손가락 부분을 성형하려고 FDM 프린팅 금형을 오랫동안 이용해왔습니다. 그러나 이렇게 하니 사출 과정에서 문제가 많이 발생했고 우선 표면 마감이 그다지 좋지 않았습니다. FDM 방식은 레이어를 한 층씩 적층하므로 이 방식으로 프린팅한 물건에서 흔히 볼 수 있는 줄무늬가 생길 수 있습니다. 그리고 SLA 방식을 사용하고 나서 우리가 사출한 품목은 모두 표면에서 이런 이상한 줄무늬로 인해 생기는 텍스쳐가 사라졌습니다. Clear Resin을 사용하기로 하자 해상도가 더 높아 훨씬 매끄러운 표면 품질을 얻을 수 있었습니다. 그래서 블록에서 원하는 손가락 형태를 빼내는 방식으로 반전시킨 후 러너와 주입구를 추가하여 사출용 실리콘 파트를 두 개 생산하려고 했습니다. 금형을 설계하여 3D 프린터에서 프린팅하고 나면 그 안에 3D 프린팅 본(bone)을 삽입해 손가락 골격 형태를 만듭니다."라고 전합니다.
"Clear Resin 금형 주변을 꽉 조여 고정하고 플래티늄 경화제 2액형 실리콘을 섞어 주사기에 담은 후 금형에 난 구멍을 통해 가득 찰 때까지 주입하여 손가락 형상이 되게 만듭니다. 나중에 금형을 분리하면 이렇게 방금 제작된 멋진 손가락을 얻을 수 있습니다. 이 금형으로 손가락을 아주 많이 만들었죠. 금형은 매번 다시 열 수 있는데 아마도 수십 번은 족히 될 거예요. 한계가 있다면, Clear Resin을 오래 사용했을 때 대체로 취급 중에 마모된다는 점 뿐입니다. 그렇지만 그런 일이 생기더라도 프린터를 또 한 번 실행하기만 하면 되는 정도로 손쉽고, 24시간 안에, 고해상도로 프린팅하므로 곧 바로 새 금형으로 손가락을 더 많이 성형할 수 있습니다."
오스틴은 Form 3에서 최종 사용 파트와 금형을 프린팅할 때 양쪽 모두 가능한 최고의 해상도(25 μm)를 사용했습니다. "모든 소재를 특성에 따라 설정할 수 있는 최고의 해상도로 프린트합니다. Tough 1500 Resin 파트의 경우 정밀하게 맞아 떨어져야 하기 때문입니다. 이들은 손 안에서 구성품 주위를 감싸며 아주 꼭 맞게 끼워집니다. 변위나 공차가 생기면 움직이는 동안 과도한 마찰이 생기거나 해당 부품의 정렬이 어긋날 수 있으므로 최적의 착용감과 기능을 얻으려면 최대한 정밀하게 만들어야 합니다. 금형은 표면 마감이 최대한 매끄러워야 하기 때문에 절대적으로 제일 높은 해상도로 제작하합니다. 그런 다음 Form Wash로 구석구석 꼼꼼히 세척하면 표면이 극도로 매끄러워져 나중에 이 파트로 실리콘을 성형하면 매끄러운 표면이 반영된 모습을 볼 수 있습니다."
고객 피드백을 반영한 신속 프로토타이핑
싸이오닉은 지난 몇 년간 수 없이 많은 파트의 프로토타입을 제작했고 고객 피드백을 반영해 어빌리티 핸드를 설계했습니다.
어떤 새로운 기기를 개발하더라도 신속한 프로토타이핑은 그 과정에서 막중한 역할을 합니다. 의료 기기의 경우 환자와 최종 사용자로부터 파트에 관해 핵심적인 피드백을 받으므로 타이핑은 중요한 과정으로 새롭게 대두되고 있습니다. 의료 기기 회사는 규제와 임상적인 장애를 통과할 만큼 엄격한 것은 물론이고 현장 테스트에 투입할 준비가 되기까지 종종 단일 파트의 프로토타입을 수백 개 제작합니다. 오스틴은 어빌리티 핸드를 테스트할 때 이런 문제를 가까이서 목격했고 "우리가 미처 깨닫지 못한 방식으로 환자가 물건을 부순 사례가 꽤 있었고 그 문제를 쉽게 해결할 방법이 있다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 변경하고, 구현하고, 프로토타입을 실행하고, 테스트하여 1~2주 내에 새 어빌리티 핸드에 적용했습니다."라고 회상합니다.
오스틴은 "제조 방법에 균형을 잡아 그 순간 우리가 해야할 일을 최적화하려고 합니다. 플라스틱을 FDM 방식으로 프린팅하거나 레진을 SLA 방식으로 프린팅하여 프로토타입을 제작하는 사례가 많아지고 디자인을 최종 디자인에 가갑게 결정하고 나면, 예를 들어 금속을 CNC 기계로 가공하여 다시 만들 수 있습니다. 이 방법은 비용과 시간은 더 많이 들지만 장기적으로 내구성이 더 좋죠. 어떤 것은 최종 파트까지 SLA 방식으로 유지하는 편이 좋습니다. 레진으로 제작해도 잘 작동하죠. 어떤 것은 소재를 금속으로 변경하는 편이 내구성이 좀 더 좋아집니다. 이 선택지를 모두 갖추고 있으므로 어떤 개별 파트라도 제조 방법을 목적에 따라 다르게 맞춰 최적화하므로 확실히 지출한 만큼 효과를 얻습니다. 제조에 드는 비용은 가장 저렴하지만 성능은 가장 훌륭하죠."라고 강조합니다.
3D 프린팅 최종 사용 파트
여기 오스틴이 Tough 1500 Resin으로 방금 프린트한 최종 사용 파트를 들고 있습니다.
최근에 도입된 3D 프린팅 소재 덕분에 프린터에서 갓 나온 파트를 고객에게 선보일 모델로나 최종 사용 파트로 사용하기에도 종종 적당하며, 비용을 많이 들여 기존 방식으로 툴링할 필요성이 줄어들고 개발 시간도 엄청나게 단축됩니다.
Tough 1500 Resin으로 프린팅해 본 오스틴은 어빌리티 핸드에 사용할 최종 사용 파트를 수도 없이 제작하기에 탁월한 소재로 Tough 1500 Resin를 채택했습니다.
오스틴은 "SLA 방식으로는 주로 프로토타입을 3D 프린팅했습니다만. 사실 그 중 많은 파트는 최종 사용 제품으로 손색이 없습니다. 이것은 특히 Tough 1500 Resin에 해당하는 점으로 우리가 그 해상도 수준에서 만들 수 있는 다른 3D 프린팅 제품보다 확실히 우수하고 사출 성형보다 훨씬 더 경제적이고 효율적입니다. 당사의 목적, 제조 규모, 강도, 해상도, 물리적 성질, 내열성, 내충격성 측면에서 파트의 물리적 요건을 고려하면, 솔직히 Tough 1500 Resin은 당사에서 찾아낸 최고의 소재이며 앞으로 출시할 모든 판매용 기기에도 계속 사용할 예정입니다."라고 전해주었습니다.
모두를 구할 수 있는 기기
싸이오닉이 비즈니스로 성장하자 악타르 대표와 그 팀은 현대적인 하이브리드 제조 기술과 혁신적인 엔지니어링 솔루션이 필요하게 되었습니다. 다음으로, 싸이오닉은 규모를 확장하여 자사의 제품을 전 세계 사용자에게 제공하려고 합니다. 현재로서는 북미 시장 성장이 집중하고 있으며 2022년 말까지 어빌리티 핸드의 생산을 가파른 기울기로 늘려갈 계획입니다
악타르 대표는 "환자들, 이들은 일상 생활에서 정상적인 활동을 할 방법 찾고 있습니다. 그리고 시판 중인 기기를 오래도록 사용했지만 비슷한 작업은 조금도 할 수 없었고, 당사가 그 기대치를 훌쩍 넘어섰습니다. 어빌리티 핸드의 설계에 쏟아 부어온 수많은 혁신에서 기인한 일입니다."라며 자부심을 드러냈습니다. 앤더슨은 이렇게 덧붙입니다. "의수로 딸 아이의 손을 실제로 만지는 감각을 느껴본 것은 올해 초가 처음이었습니다. 감각 피드백 기능이 의수에 장착된 덕분입니다."
