해양 연구, 수중 로봇 공학, 지속 가능한 기술 엔지니어링, 석유 및 가스 산업, 방위 산업 등 여러 산업 분야에서 맞춤형 또는 소량의 수밀 및 기밀 부품에 대한 수요가 광범위하게 발생하고 있습니다. 어떤 3D 프린팅 기술은 이런 파트를 제작하는 데 이상적인 솔루션인 것으로 보이지만, 적층 제조 파트는 다공성이어서 가압 환경에서 사용할 수 없다는 인식이 일반적입니다.
이에, Formlabs은 로드아일랜드 대학의 해저 로봇 공학 및 영상 연구실(URIL)와 파트너십을 맺어 여러 개의 파트로 구성된 조립체를 용융 적층 모델링 방식(FDM), 광경화성 수지 조형 방식(SLA), 선택적 레이저 소결 방식(SLS)으로 프린팅한 후 수중 환경을 시뮬레이션한 압력 챔버에 넣어 테스트해 보았습니다. 해당 테스트 결과와 다이어그램, O-링 권장 사항 및 설계 가이드라인은 백서에서 확인할 수 있습니다.
3D 프린팅 수밀성 인클로저 및 압력 시험 결과
이 백서에서는 맞춤형 수밀성 인클로저를 경제적으로 3D 프린팅하는 방법에 관한 시험 결과와 명확한 가이드라인을 제시해 드리겠습니다.
맞춤형 수밀성 파트 설계 및 제작
수밀성은 물체가 인클로저에 물이 들어오고 나가는 것을 방지하는 능력을 말하며, 컴포넌트 재료의 근본적인 특성과는 달리 인클로저 또는 어셈블리의 구성과 많은 관련이 있습니다. 그러나 이러한 파트가 표면 아래로 내려갈 때 받게 될 압력을 고려하면 고유한 재료 특성이 더 중요해집니다. URIL의 실험은 디자인, 실란트 방식, 재료 특성을 다룹니다.
수밀성 파트 응용 분야
3D 프린팅을 이용하면 Clear Resin으로 프린팅한 컴포넌트로 제작된 이 도구 처럼 형태가 복잡하고 새로운 테스트 장비와 시료 채취 장비를 시험해 볼 수 있습니다.
수밀성 인클로저를 사용하면 고가의 수중 카메라 장비 없이도 이 뱀파이어오테우티스 사진과 같은 심해 이미지를 촬영할 수 있습니다.
주문형 3D 프린팅은 태생적으로 민첩한 도구여서 해양에서 사용 가능한 맞춤형 지그와 고정구를 비용 효율적으로 제작할 수 있습니다.
수밀성 파트는 보트 및 레크리에이션용 오프보드 모터, 심해 로봇 탐사, 수중 사진 촬영 등 다양한 시나리오에 사용됩니다. 파트에 수밀성이 생기면 다른 액체도 담을 수 있습니다. 따라서 자동차, 화학 연구, 유틸리티, 건설 등 튜빙이 컴포넌트 간에 액체를 운반하는 애플리케이션에 매우 유용합니다.
생태학, 지질학, 기후학 분야의 연구 애플리케이션의 경우 연구 및 샘플 파트를 위한 맞춤형 장비를 제작하는 데 비용이 과도하게 많이 드는 경우가 많습니다. 각 애플리케이션은 고유하고 애플리케이션이 배포될 환경은 시시각각 변화하며 지상에서 관리하기 어렵기 때문에 수중 또는 유체 컴포넌트는 어느 정도 맞춤형으로 제작해야 하는 경우가 많습니다.
NOAA의 수밀성 파트 3D 프린팅
산호초 손실에 맞서기 위해 NOAA의 대서양해양기상연구소(AOML)와 파트너 기관의 과학자 및 연구원들은 혁신적인 방법을 활용하여 야생의 산호를 조사하고, 실험실에서 통제된 환경에서 특정 조건을 재현한 다음 오늘날의 극한 환경을 더 잘 견딜 수 있는 새로운 산호 종을 배양하고 있습니다.
AOML은 현장 및 실험실 연구를 용이하게 하기 위해 3D 프린팅으로 전환했습니다. Formlabs 프린터를 사용하여 실험의 정확성과 비교 가능성을 개선하고 표준화할 수 있었으며 새로운 기술을 개발할 수 있었습니다. Formlabs 프린터에 사용할 수 있는 다양한 소재를 통해 3D 프린트로 수밀성 파트를 쉽게 설계, 반복 및 배포할 수 있습니다.
AOML의 연구에는 야생 산호 서식지를 모니터링하기 위한 정교하고 종종 맞춤형 장비가 필요합니다. (NOAA 이미지 제공)
AOML 연구실은 엔드캡, 샘플 카트리지, 내부 전기자에 Formlabs 광경화성 수지 조형 방식 프린터를 사용하여 이 eDNA용 표면 자동화 샘플러(SASe)를 설계 및 제작했습니다.
네이트 포멜과 AOML의 동료들은 4대의 Formlabs 레진 프린터 와 Fuse 1 선택적 레이저 소결 방식(SLS) 프린터를 활용하여 수온 상승과 기후 변화의 극한 조건에서 산호의 회복력을 높이기 위한 산호 적합성과 방법을 연구하기 위해 만들어진 구조물인 인하우스 아쿠아리움을 위한 튼튼한 샘플러 하우징, 실험 센서 및 장비용 지그, 맞춤형 컴포넌트를 프린트하고 있습니다.
"이제 우리는 물 샘플을 수집하는 데 필요한 연결 지점과 관통 구멍이 있는 맞춤형 3D 프린트 컴포넌트를 갖게 되었습니다. 이 모든 동기가 된 오리지널 샘플러 디자인은 1,000달러짜리 제작을 중단하고 220달러에 제작하기 시작했습니다. 즉, 예전에는 샘플러를 한 개밖에 만들 수 없었는데 이제는 다섯 개를 만들 수 있게 되었습니다."라고 포멜은 말합니다.
현재 수밀성 파트의 제작 방법
현재 이러한 수밀성 컴포넌트를 제작하는 방법에는 일반적으로 금속, 사출 성형 플라스틱 또는 고무와 같은 잘 알려진 전통적 제조 재료가 사용됩니다. 대량 생산 컴포넌트는 저렴하지만 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족하는 방식으로 구성하는 것은 어려울 수 있으며 맞춤형 커넥터, 고정 장치 또는 인클로저가 필요합니다. 멀티핏 어셈블리의 경우 이러한 파트는 나사산 기능, 인터로킹 또는 결합 기능, O링 또는 개스킷의 조합을 통해 함께 밀봉됩니다.
O링을 선택하는 것은 매우 어려울 수 있으며 인클로저에 적합한 매개변수를 다이얼링하는 데 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. Parker O-ring 핸드북에는 압축, 직경, 두께, 재질, 가압 등에 따른 수천 가지 권장 사항이 나와 있습니다. 맞춤형 크기의 오링을 선택하는 과정이 너무 어려워서 표준화 및 대량 생산 컴포넌트에 의존하는 경우가 많기 때문에 혁신과 새로운 애플리케이션을 위한 역량이 제한됩니다.
수밀성 3D 프린트: 적절한 3D 프린팅 기술 선택하기
수중 응용 분야는 전통적으로 고가의 맞춤형 기계 및 장비를 제작할 수 있는 자금력이 풍부한 벤처기업에 국한되어 있었습니다. 3D 프린트는 기존 방식에 비해 훨씬 적은 비용으로 연구 개발을 위한 맞춤형 제품을 제작할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 3D 프린트로 제작된 수중 솔루션을 성공적으로 배포하려면 올바른 유형의 3D 프린팅 기술과 재료를 신중하게 고려해야 합니다.
광경화성 수지 조형 방식과 SLS 기술은 모두 엔지니어링 및 연구 분야에서 활용되지만, 각기 다른 상황에서 탁월한 성능을 발휘합니다. SLS 기술은 최종 사용 부품의 소량 생산에 탁월하고 나일론, TPU 등 친숙한 소재 라이브러리를 보유하고 있으며 견고한 산업용 품질의 파트를 제작할 수 있습니다. 광경화성 수지 조형 방식은 매끄러운 표면 마감과 매우 특정한 재료 특성이 필요한 경우에 탁월한 성능을 발휘합니다. 이 테스트에서 광경화성 수지 조형 방식 파트의 매끄러운 표면 마감과 밀도 모두 가압 환경에서 우수한 성능을 발휘하는 데 적합했습니다. 용융 적층 모델링(FDM) 프린터는 빠른 프로토타입 제작에 자주 사용되지만 방수 파트를 만들지 못하므로 방수 응용 분야에는 사용되지 않습니다.
용융 적층 모델링(FDM) 3D 프린팅 기술.
광경화성 수지 조형(SLA) 3D 프린팅 기술.
선택적 레이저 소결(SLS) 3D 프린트 기술.
용융 적층 모델링 방식(FDM)
가장 일반적으로 알려진 3D 프린팅 기술인 용융 적층 모델링(FDM)은 수밀성 파트를 생성할 수 없습니다. 이 때문에 일반적으로 3D 프린트 파트는 수밀성을 요하는 응용 분야에 사용할 수 없다는 일반적인 오해가 생겼습니다. FDM 기술은 녹은 플라스틱을 노즐을 통해 압출하여 층층이 쌓아 올리지만 화학적으로 결합하지는 않습니다.
FDM 프린팅 파트는 이방성 으로 기계적 응력이 미치는 방향에 따라 기계적 물성이 다르며 다른 방법으로 생산된 유사한 물체보다 밀도가 낮습니다. 레이어가 서로 화학적으로 결합되어 있지 않기 때문에 액체가 레이어 사이의 미세한 틈을 통해 파트의 표면으로 스며들 수 있습니다. 따라서 용융 적층 모델링 방식으로 프린트된 인클로저는 증기 평활화 또는 코팅과 같은 추가 단계를 통해 파트를 후처리하고 밀봉하지 않는 한 수밀성이 없습니다. 이러한 파트는 압력을 받으면 파열되어 레이어 라인을 따라 균열이 생깁니다.
FDM 3D 프린터로 수밀성 파트를 제작해야 하는 경우, 틈, 포트 또는 기타 구멍이 없는 부품 설계, '오버 익스트루딩', 더 두꺼운 레이어 사용은 필요한 추가 후처리(스무딩, 샌딩, 코팅)와 함께 수밀성을 향상시키기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 기술입니다. PETG 또는 폴리프로필렌 필라멘트와 같은 필라멘트를 선택하는 것도 수밀성을 개선하는 좋은 방법이지만, 이러한 방법은 압력이 가해지는 환경에서는 견디지 못합니다.
광경화성 수지 조형 방식(SLA)
광경화성 수지 조형(SLA) 3D 프린팅 파트는 반대로 각 층이 다음 층에 화학적으로 결합되어 있기 때문에 방수 기능이 있습니다. SLA 파트는 레이저가 액상 레진를 한 번에 한 층씩 경화시켜 해당 층 내의 폴리머 사슬과 바로 앞뒤의 층을 교차 결합하는 공정으로 형성됩니다. 이 프로세스는 레이어 라인이 거의 없는 매끄러운 표면 마감과 물이 투과할 수 없는 비다공성 표면을 만듭니다. 파트의 공차가 매우 우수하여 이 백서의 테스트에 사용된 인클로저와 같은 다중 부품 어셈블리를 서로 끼워 넣을 수 있으며 그 사이에 에어 갭이 거의 없습니다. 씰 또는 개스킷과 결합하면 인클로저는 완벽한 방수 기능을 갖추고 엄청난 압력을 견딜 수 있습니다.
선택적 레이저 소결 방식(SLS)
선택적 레이저 소결(SLS) 기술은 분말 베드 위에 파트의 단면을 소결한 다음 새 파우더로 덮어 다시 시작하는 방식으로 파트를 제작합니다. 파트는 어느 정도 등방성이지만 힘을 가하는 방향에 따라 기계적 물성 차이가 나타날 수 있습니다. SLS 부품은 적절한 공차와 씰링 기술로 설계하면 수밀성을 얻을 수 있습니다.
수밀성 파트 3D 프린트를 위한 설계 팁
앞서 언급했듯이 인클로저의 수밀성은 컴포넌트 자체의 방수 품질과 인클로저의 디자인, 즉 컴포넌트를 서로 끼워맞춤하는 방식에 따라 달라집니다. SLA 및 SLS 3D 프린팅 기술을 사용하면 연동 기능이 있는 인클로저나 나사산이 있는 인클로저를 추가 단계 없이 완벽하게 방수 처리할 수 있을 정도로 엄격한 공차를 가진 컴포넌트를 제작할 수 있습니다. 그러나 이 실험에서 테스트하는 것과 같이 극도로 압력이 높은 환경에서는 O-링을 사용하는 등의 추가 단계를 통해 인클로저의 효율성을 높일 수 있습니다.
인클로저 설계
로드아일랜드대학교 심해 로봇공학 및 이미징 연구소(URIL)는 심해 연구를 대중화하는 것을 사명으로 삼고 있습니다. 합리적인 가격대의 3D 프린터Form 3+ 및 대형 3D 프린터 Form 3L를 통해 고도로 정교한 심해 탐사 도구를 설계 및 제작하고 이러한 설계를 더 넓은 과학 커뮤니티와 공유할 수 있게 되었습니다.
URIL은 심해 이미징 및 제어 시스템인 DEEPi의 새로운 설계 가이드, 해상에서 이동 중인 선박에서 SLA 프린팅을 지원하기 위한 패시브 안정화 사용 연구, 노틸로이드 형상을 기반으로 한 인클로저 설계에서 생체모방(바이오미미크리, biomimicry) 활용에 대한 조사 등 심해 연구와 관련된 논문을 여러 편 발표했습니다.
수석 연구원인 브레넌 필립스와 박사 과정 학생인 브레아나 모센보커는 수년간 심해 카메라와 로봇 인클로저를 반복적으로 개발해 왔으며, 그 결과를 자세히 설명하는 여러 논문을 발표했습니다. 연구소는 이전에 수중 데이터 수집이나 연구를 위한 자금이 없었던 커뮤니티가 제작 과정에 접근할 수 있도록 하기 위해 오픈소스 설계를 공개했습니다.
해저 이미징 및 로봇 연구소는 얇은 벽으로 테스트에 사용된 디자인과 두꺼운 벽으로 테스트되지 않은 디자인 두 가지를 오픈 소스로 공개하여 누구나 복제할 수 있도록 했습니다. 이러한 디자인에 액세스하려면 백서 전문을 다운로드하세요.
생체 모방 디자인
필립스와 모센보커는 다른 연구자들과 협력하여 생체 모방 설계로 방수 인클로저의 기능을 개선하는 방법도 연구했습니다. 2023년 10월에 발표된 논문에서 연구진은 연체동물과에 속하는 챔버형 노틸러스의 껍질이 극심한 수심에서도 물이 껍데기로 들어오는 것을 막는 방법을 연구했습니다. 이 연구 결과는 복잡한 껍질 형태가 현재 심해 해양 로봇 공학에 사용되는 '이상적인' 형상, 즉 표면적 대 부피 비율을 최소화하고 제조가 용이한 단순한 구와 원통형에 필적하는 내압성 형상을 어떻게 드러낼 수 있는지를 밝혀줄 수 있습니다. 조사 결과 전문을 보려면 공개된 저널 기사를 참조하세요.
이 3D 프린트로 제작된 컴포넌트는 껍질 손상 없이 수중에서 엄청난 압력을 견딜 수 있는 연체동물인 노틸러스를 모델로 제작되었습니다.
연체동물을 스캔(오른쪽)하고 디지털 디자인을 사용하여 3D 프린트를 위한 형상을 재현(왼쪽, 클리어 레진)하면 연구자들이 이 동물들이 어떻게 열악한 환경에서 번성하도록 진화했는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 큰 파트는 White Resin으로 인쇄되어 심해 연구를 위한 소형 카메라를 폐쇄형으로 제작하는 데 사용할 수 있습니다.
3D 프린팅으로 제작된 수밀성 인클로저용 O-링 선택법
언더씨 로보틱스 및 이미징 연구소는 O-링 페이스 씰과 O-링 보어 씰을 모두 실험하여 성공했지만 O-링 페이스 씰을 더 선호합니다.
하우징의 내경과 외경이 선택되면 내경에 따라 페이스 씰 O-링을 선택할 수 있습니다. O-링은 엔드캡과 본체 사이의 면에 제대로 끼워맞춤해야 합니다. '2-대시' 오링 또는 ⅛"(0.139") 분수 폭을 가진 오링은 광경화성 수지 조형 방식의 파트에 가장 안정적인 씰을 생성합니다. URIL의 구체적인 권장 사항과 조사 결과를 보려면 백서 전문을 다운로드하세요.
수밀성 3D 프린트: 테스트 및 결과
인클로저 제작에는 FDM, SLA, SLS 3D 프린팅 기술이 사용됐는데, Nylon 12 GF Powder 는 Fuse 1+ 30W SLS 프린터로, 나머지 재료(Grey Resin, Clear Resin, BioMed Amber Resin, Rigid 10K Resin)는 Form 3+ SLA 프린터로 프린팅했습니다. PLA 필라멘트를 사용해 크래프트봇 장비로 프린트한 FDM 프린팅 파트는 물에 담그자마자 물을 흡수하는 것으로 확인되어 테스트에서 제외되었습니다.
Nylon 12 GF Powder는 가장 낮은 압력인 평균 1304psi에서 폭발했습니다.
BioMed Amber Resin은 평균 2907psi에서 파열되는 훨씬 더 높은 압력을 견뎌냈습니다.
그 결과, 광경화성 수지 조형 방식인 SLA 및 SLS 3D 프린팅이 오링 씰과 결합하여 수밀성 인클로저를 만드는 데 효과적인 방법임을 입증했으며, SLA 3D 프린팅이 확실한 승자로 일부 파트는 해저 4000m 깊이에 해당하는 극압에서도 견뎌냈습니다. FDM 프린팅 파트는 물에 담그자마자 물을 흡수하고 어떤 압력에도 견디지 못하기 때문에 이 애플리케이션에 적합하지 않은 것으로 나타났습니다.
비교적 강성이 높은 SLA 소재는 압력이 가해지는 환경에서 최고의 성능을 발휘하며 미디어 블라스팅과 같은 후처리 공정을 거치면 표면 다공성이 줄어들어 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 전체 결과에 액세스하고 각 자료의 성과를 확인하려면 백서를 다운로드하세요.
수중 로봇 공학에 대해 자세히 알아보고 3D 프린터와 재료를 활용하여 완벽한 방수 및 내압 인클로저를 제작하는 방법을 알아보려면 현재 이러한 애플리케이션을 연구 중인 Formlabs 네트워크의 전문가와 연락할 수 있는 저희 팀에 문의하세요.
