방수성이란 물을 튕겨내거나 물이 파트에 달라붙거나 흡수되는 것을 방지하는 소재 고유의 능력을 말합니다.

다양한 소재의 방수성은 본질적으로 이 실험의 일부이지만, 최종 결과는 여러 파트로 구성된 인클로저의 방수성을 기반으로 합니다. 수밀 인클로저를 만드는 것은 어렵고 기존 방식으로는 힘들고 비용이 많이 들 수 있기 때문입니다. 3D 프린트는 고품질 심해 및 해안 연구를 수행할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 방위, 석유 및 가스, 유틸리티 등 수중에서 작업을 수행해야 하는 다양한 산업에 도움을 줄 수 있습니다.

수밀성 파트는 보트 및 레크리에이션용 오프보드 모터, 심해 로봇 탐사, 수중 사진 촬영 등 다양한 시나리오에 사용됩니다. 파트가 방수 기능이 있으면 다른 액체도 담을 수 있으므로 자동차, 화학 연구, 유틸리티, 건설 등과 같이 튜브가 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.

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. 이 수많은 선택지에서 크기가 딱 맞는 O-링을 수급하기란 어렵기 때문에 표준화 및 대량 생산 파트에 의존하는 기업이 부지기수이며, 이런 점은 혁신과 새로운 응용 분야 처리 역량을 개척하는 데 걸림돌로 작용할 수 있습니다.

3D 프린팅이 맞춤형 또는 소량 응용 분야에서 각광을 받으면서 수중 응용 분야에 3D 프린팅을 사용하려는 노력이 계속되고 있습니다. 연구, 석유 및 가스 시추, 건설과 같은 산업 분야의 수중 기계 또는 로봇 컴포넌트는 모두 고유하며, 해당 벤처의 요구 사항에 따라 필요한 파트의 유형과 기능이 달라집니다. 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.

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.

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(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.

로드아일랜드대학교 심해 로봇공학 및 이미징 연구소(URIL)는 심해 연구를 대중화하는 것을 사명으로 삼고 있습니다. 합리적인 가격대의 3D 프린터

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.

여기에 제시된 디자인은 마이크로컴퓨터(라즈베리파이 제로)와 작은 배터리를 끼워맞춤에 충분한 내부 부피를 갖도록 선택되었습니다. 이 부피 요구 사항은 하우징의 내경과 길이에 대한 매개 변수를 설정합니다. 벽의 두께는 이전 프로토타입 하우징과 목표 수심 등급(최소 1500m)을 기준으로 선택했습니다. 3D 프린트 하우징의 파열 압력을 시뮬레이션할 수 있는 신뢰할 수 있는 FEA 방법이 없기 때문에 수압 챔버로 설계를 테스트하여 설계가 1500m의 압력을 견딜 수 있을 만큼 수밀하고 두꺼운지 확인했습니다. 해저 로봇공학 및 영상 연구실은 테스트에 사용된 얇은 벽과 테스트되지 않은 두꺼운 벽의 두 가지 디자인을 모두 오픈 소스로 공개하여 누구나 재생산할 수 있도록 했습니다.

멀티피스 인클로저는 사용이 편리하도록 설계되었으며, 각 컴포넌트에는 3D 프린팅된 나사산이 있어 엔드캡과 본체에서 칼라를 쉽게 나사로 조이고 풀 수 있습니다. 현장에서는 연구원들이 파도와 함께 움직이는 작은 선박에 있는 경우가 많은데, 나사 볼트를 사용하면 불편할 수 있습니다. Form 4 시리즈 프린터의 해상도는 나사산과 O링이 디자인에 통합되어 있어 완벽한 방수 기능을 제공할 뿐만 아니라 변경 시 기능적으로 조립 또는 분해할 수 있습니다.

이 기본 하우징 디자인은 특정 유형의 마이크로컴퓨터를 위한 것이지만 카메라, 센서, 패스스루 등을 위한 관통부 또는 마운트로 쉽게 수정할 수 있습니다. 또한 본체를 동일하게 유지하면 나사산의 결합 기능만 본체와 통합할 수 있다면 다양한 용도, 크기, 모양의 엔드캡과 칼라를 여러 가지 디자인으로 만들 수 있습니다.

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.

일반적으로 직경이 두꺼운 오링은 3D 프린트 파트에서 압축에 더 잘 견딥니다. 홈 치수의 경우 오링 자체의 분수 직경보다 15%~20% 작은 깊이를 목표로 합니다(예: 100*(1-(0.115"/0.139")) = 17.2%). 또한 홈은 O링의 단면보다 넓어야 하며, 약간의 압축을 허용해야 합니다.

Parker O-링 핸드북은 다양한 사용 사례에서 적절한 치수를 훨씬 더 자세히 알아볼 수 있는 훌륭한 자료입니다.

해저 로봇 공학 및 영상 연구실은 개스킷 커버를 저압(수심 100m 미만) 응용 분야에 사용하는 것과 같은 방식으로 O-링 페이스 씰과 3D 프린팅 하우징, 레이저로 절단한 아크릴 커버를 조합하는 데 성공했습니다.

오링에 충분한 반경만 제공된다면 복잡한 오링 홈 프로파일을 이러한 설계에 사용할 수 있습니다. 2-대시 오링(분수 폭 0.139")은 0.375의 작은 홈 반경 굴곡을 처리할 수 있습니다." 올바른 오링 크기를 예측하려면 전체 오링 홈의 전체 내경 길이를 사용하여 이에 근접한 오링의 등가 내경을 계산한 다음 실제 테스트 핏을 위해 동일한 범위에서 2~3가지 크기를 주문합니다. 이러한 복잡한 모양의 압착 깊이를 정확하게 예측하는 것은 불가능하지만, 0.375" 두께의 아크릴을 사용하면 최대 100m 깊이까지 잘 작동합니다.

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.

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.

선택한 네 가지 SLA 자료는 서로 다른 강점을 나타냅니다:

• Grey Resin: 다목적으로 사용할 수 있고 일관성이 극도로 우수하여 프로토타입 제작에 잘 어울리며 표면 마감이 매끄러운 소재입니다
• Clear Resin: 고도로 정확하고 일관성 있는 소재이며 연마하면 반드시 내부 구성 요소를 가시적으로 확인해야 하는 응용 분야에 사용할 수 있을 만큼 광학적 투과성이 거의 완벽해집니다.
• BioMed Amber Resin: 규제 당국의 승인을 받은 의료 기기 프로토타이핑과 제조에 사용되는 생체적합성 소재입니다
• Rigid 10K Resin: 유리 충전 함량이 높은 레진으로 굽힘 없이 상당한 하중을 견뎌야 하는 산업용 파트 제작에 잘 어울리는 소재입니다. 예를 들어, 사출 성형에 필요한 공구를 신속하게 제작하는 데 제격입니다.

SLS 분말로 선택한 Nylon 12 GF Powder는 까다로운 제조 조건을 견딜 수 있도록 강성과 내열성이 강화된 유리 충진 소재입니다. 구조적 강성과 열안정성이 필히 요구되는 용도에 적합합니다.

폴리싱, 미디어 블라스팅, 코팅, 도금 또는 염색과 같은 후처리 방법은 3D 프린트 파트의 다공성 및 표면 마감에 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 방법 중 일부는 더 높은 수준의 수밀성을 달성하는 데 사용할 수 있습니다. 이 실험을 위해 일부 Rigid 10K Resin 인클로저는 표면 마감을 매끄럽게 하고 표면 다공성을 제거하는 미디어 블라스팅 처리를 거쳤습니다.

이러한 3D 프린팅 재료의 내파 시험은 업계 표준값이 존재하지 않습니다. 이에 URIL은 연구 초기에 해수면 아래 수천 미터에서 느껴지는 압력을 모방하기 위해 맞춤형 내파 챔버를 제작했습니다.

결과를 검토할 때 평균 파열 압력이 가장 낮은 것으로 관찰된 Nylon 12 GF Powder 인클로저(Fuse 시리즈 SLS 프린터로 프린팅)의 평균 파열 압력인 1304psi조차도 수심이 상당히 깊다는 점에 유의해야 합니다. 1304psi는 수심1000m에 가까운 지점에서의 수압으로, 심해 연구 장비가 경제적이고 접근이 쉽기만 하다면 다수의 해안 지역 사회에서 연구할 수 있는 지역보다 훨씬 깊은 지점입니다.

그 결과, SLA 및 SLS 3D 프린팅이 오링 씰과 결합하여 수밀성 인클로저를 만드는 데 효과적인 방법임이 입증되었으며, SLA 3D 프린팅이 확실한 승자로 나타났습니다. 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.

Form 4 시리즈에 프린트하고 미디어 블라스팅한 Rigid 10K 레진은 방수 파트 제작에 가장 적합한 선택이며 5500psi 이상의 압력을 견딜 수 있습니다. O링 선택과 인클로저 설계는 완벽한 방수 인클로저를 만드는 데 중요한 단계이며, URIL의 Motsenbocker에서 만든 것과 같은 오픈 소스 설계를 사용하여 빠르고 비용 효율적으로 방수 부품과 어셈블리를 만들 수 있습니다.

이러한 연구 결과는 3D 프린팅, 특히 Formlabs Form 4 시리즈와 같이 접근하기 쉽고 저렴한 프린터를 사용하면 해양 연구를 대중화하고 해안 지역 사회를 위한 새로운 탐험의 길을 열 수 있다는 것을 증명합니다. 사용 가능한 고급 재료와 입증된 간편한 워크플로우가 결합된 이 기술은 저비용 고가치 연구에 이상적인 솔루션입니다.

웹사이트로 이동하면 해안 지역 사회와 심해 환경을 탐사하는 URIL과 그들의 활동을 자세히 알아볼 수 있습니다.