홀로그래픽 3D 프린팅으로 연구자들이 몸 안에 직접 프린팅할 수 있게 되다

첨가 제조 공정은 지속적인 혁신의 혜택을 받고 있습니다. 이번 주에 Concordia의 연구진이 홀로그램을 이용해 복잡한 디자인 등을 3D 프린팅하는 방법을 소개했습니다. 특히, 그들의 홀로그래픽 3D 프린팅 방식은 현재 기술들의 여러 단점을 해결하는 솔루션으로 많은 이들에게 인식되고 있습니다. 여기 홀로그래픽 3D 프린팅에 대해 알아야 할 모든 내용과 왜 이것이 산업의 미래인지 설명합니다.

지난 10년간 3D 프린팅 분야는 사용자 수, 기술, 재료 과학, 방법론 등 모든 지표에서 폭발적인 성장을 이루었습니다. 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 방식은 여전히 열과 레이저를 이용해 재료를 원하는 형태로 성형합니다. 이 방식이 효과적임은 입증되었지만, 사용자 입장에서는 여전히 개선이 필요합니다.

직접 음파 프린팅 (DSP)

2022년에 음파를 이용한 3D 프린팅 방법이 시장에 소개되었습니다. 이 전략은 음파를 활용해 프린트 재료를 원하는 형태로 경화시킵니다. 음파는 액체 내에서 정압이 증기압 이하로 떨어질 때 발생하는 공동현상을 일으키는 데 사용됩니다. 이 상태는 수밀리초 동안 높은 압력과 열을 생성합니다. 이 열을 이용해 3D 프린트 재료를 빠르게 경화시킵니다.

홀로그래픽 직접 음파 프린팅 (HDSP)

연구자들은 최근 Nature Communications에 발표된 논문에서 현재 DSP 방법을 업그레이드한 ‘홀로그래픽 직접 음파 프린팅 (HDSP)’을 제안했습니다. 이 새로운 접근법은 음향 홀로그램을 활용해 공정을 개선합니다. 홀로그램은 특정 위치에서 공동 현상 거품을 유도하는 특수 패턴의 음향 파를 사용합니다.

출처 – Concordia 홀로그래픽 3D 프린팅

화학적으로 활성화된 음향 공동 현상 거품은 실시간으로 필요에 따라 지역적 중합을 제공하여 연구자들이 음파를 이용한 프린팅을 보다 효율적이고 정밀하게 수행할 수 있게 합니다. 연구에 따르면, 이 프린팅 과정은 엔지니어가 원하는 프린트의 단면 이미지를 검사하고 저장할 수 있게 하여 설계 역량을 강화하고 내부 구조를 개선할 수 있도록 합니다.

HDSP 프린터

HDSP 프린터는 기존 모델들과는 반대로 설계되었습니다. 프린팅 팔이 움직이는 대신, 모터 구동 플랫폼이 고정된 홀로그래픽 이미지 내에서 재료를 이동시킵니다. 이 시스템은 고급 알고리즘을 기반으로 사전 프로그래밍된 패턴을 활용해 로봇 팔을 홀로그래픽 이미지 주변으로 이동시켜 음화학 반응이 일어나고 프린트를 경화시킵니다.

홀로그래픽 3D 프린팅 테스트

연구 논문은 새로운 첨가 제조 공정을 검증하기 위해 사용된 테스트 방법을 논의합니다. 연구진은 소노-화학발광 및 고속 영상 실험을 일련으로 수행하여 HDSP의 능력과 성능을 평가했습니다. 특히, 중합 과정에 대한 상세 기록, 튜닝 효과, 로봇 움직임, 소프트웨어 계산 등 주요 세부 사항을 추적했습니다.

홀로그래픽 3D 프린팅 결과

연구 결과는 혁신적입니다. 첫째, 연구자들은 공급 속도와 복잡한 프린트에 대한 수정 능력 사이에 직접적인 상관관계가 있음을 발견했습니다. 따라서 팀은 각 프린트의 요구에 맞춰 매개변수를 최적화하는 고급 소프트웨어 알고리즘을 통합했습니다. 이 조치는 이전 설계를 능가하는 고정밀 프린트 구조를 만들어냈습니다.

팀은 이어서 HDSP가 다양한 재료를 프린팅할 수 있는 능력을 조사했습니다. 또한 서로 다른 강도, 디자인, 배치 조건에서 홀로그램이 공정에 미치는 영향을 테스트했습니다. 마지막으로, 다공성 및 재료와 같은 다양한 구조가 튜닝 과정에 어떤 영향을 미치는지 검토했습니다.

원격 거리 프린팅 (RDP)

이 연구의 가장 중요한 돌파구는 원격 프린팅에 있습니다. 엔지니어들은 HDSP를 이용해 벽이나 기타 구조물 뒤에 있는 물체를 프린팅할 수 있음을 발견했습니다. 이러한 내부 프린팅 방식은 자동차 부품을 설치하는 대신 현장에서 직접 프린팅하는 미래를 가능하게 할 수 있습니다. 더욱 인상적인 점은 같은 전략을 사용해 장기를 프린팅하거나 내부 손상을 비침습적으로 복구할 수 있다는 것입니다.

홀로그래픽 3D 프린팅의 장점

연구자들은 HDSP가 거의 모든 분야에서 DSP보다 우수한 이유를 설득력 있게 제시했습니다. 첫째, 기존의 voxel-by-voxel 프린팅 전략에 제한되었던 DSP 방식보다 훨씬 빠릅니다. HDSP는 여러 영역을 동시에 경화시킬 수 있습니다. 그 결과 HDSP 방식을 사용하면 최대 20배 빠르게 프린팅할 수 있습니다.

수정하기

HDSP가 제공하는 또 다른 장점은 프린팅 과정 중에 이미지를 수정할 수 있다는 점입니다. 전통적인 3D 프린팅 방식에서는 각 층이 적용되고 경화되기 때문에, 부품이 이미 추가된 경우 수정이 불가능합니다. HDSP 사용자는 홀로그램을 수정함으로써 최소한의 노력으로 프린팅을 자동으로 변경할 수 있습니다. 따라서 이 접근법은 프린팅 오류를 줄여 폐기물을 감소시킵니다.

홀로그래픽 3D 프린팅을 이용한 복잡한 디자인 프린팅

HDSP는 시장에 새로운 수준의 복잡성을 열어줍니다. 이 프린터는 음파를 활용해 내부 구조가 복잡한 디자인을 만들 수 있어, 엔지니어가 성능과 내구성을 손상시키지 않으면서 보다 효율적이고 경량화된 옵션을 개발할 수 있게 합니다.

멀티 프린트

HDSP가 제공하는 또 다른 혁신적인 장점은 동시에 여러 객체를 생성할 수 있다는 점입니다. 시스템은 하나의 세션에서 여러 프린트를 결합함으로써 작업 효율을 극대화합니다. 시스템은 서로 다른 위치에서 다양한 프린트를 수용하여 프린팅 공간을 최적화하고 인쇄 시간을 단축합니다.

홀로그래픽 3D 프린팅은 유연성을 제공한다

HDSP 장치는 시장에 새로운 수준의 유연성을 도입한 다목적 디바이스입니다. 사용자는 프린팅 재료를 변경하고, 복잡한 형태를 만들며, 불투명 표면에서도 프린팅할 수 있습니다. 이러한 추가된 유연성은 산업 전반에 걸친 혁신과 협업을 촉진할 것입니다.

도달하기 어려운 위치

HDSP가 제공하는 또 다른 큰 장점은 거의 도달하기 어려운 위치에서도 프린팅이 가능하다는 점입니다. 차를 주차하고 수리 드론이 기존 팬이 고장났으니 새로운 팬을 프린팅하겠다고 알리는 상황을 상상해 보세요. 이제 보닛을 열지 않고도 홀로그램 이미지를 이용해 현장에서 새로운 팬을 프린팅하므로 설치가 필요 없습니다.

홀로그래픽 3D 프린팅 잠재적 응용 분야

HDSP 기술에는 여러 잠재적 사용 사례가 있으며, 향후 몇 년간 시장 전반에 걸쳐 필요한 역량 향상을 제공할 수 있습니다. 아래는 HDSP의 주요 잠재적 사용 사례입니다.

헬스케어

헬스케어 및 바이오메디컬 분야에서 HDSP를 활용하면 비용을 절감하고 환자 안전을 향상시키며 전 세계 더 많은 지역에 접근성을 확대할 수 있습니다. HDSP 시스템은 복잡한 조직 구조, 약물 전달 매체, 심지어 피부 이식까지 프린팅할 수 있습니다. 이러한 옵션들은 기존 방식보다 생존율을 높이며 내부에서 프린팅이 가능해 침습적 수술이 필요 없게 합니다.

연구자들

Concordia 대학 기계·산업·항공우주공학부의 연구자들이 HDSP 공정에 대한 연구와 테스트를 수행했습니다. 특히 Muthukumaran Packirisamy 교수님이 팀을 이끌었습니다. 프로젝트 자금은 캐나다 퀘벡 연구 기금(FQRNT), NSERC Discovery of R.B., 그리고 Concordia 연구 의자(Research Chair)에서 제공한 보조금으로 충당되었습니다.

3D 프린팅 분야에서 파장을 일으키는 기업들

3D 프린팅 시장은 이제 그 어느 때보다 다양한 옵션, 재료, 디바이스를 포함하고 있습니다. 오늘날 작은 플라스틱 부품부터 전체 주택까지, 그 사이의 모든 것을 3D 프린팅할 수 있습니다. 이러한 첨단 프린팅 작업은 더 많은 혁신의 문을 열고 기술의 한계를 넓히고 있습니다.

Nano Dimension Ltd.

Nano Dimension Ltd는 2022년에 시장에 진입했으며 전자 3D 프린팅 분야에서 빠르게 입지를 확보했습니다. 이 회사는 DragonFly 프린터로 가장 잘 알려져 있습니다. 이 작은 디바이스는 연구자들이 나노 규모 프로젝트를 위한 맞춤형 회로 기판을 프린팅할 수 있게 합니다.

(NNDM )

특히, 이 회사는 최근 성능이 향상된 Dragonfly 4 프린터를 출시했습니다. 또한 현재 레이저 직접 금속 프린팅 솔루션도 제공하고 있습니다. 이러한 모든 요소는 나노 규모 프린팅 시장에 진입하려는 투자자에게 Nano Dimension Ltd를 현명한 포트폴리오 선택으로 만듭니다.

홀로그래픽 3D 프린팅 – 피부 뒤에서 프린팅

음파를 이용해 몸 안의 장기를 프린팅하거나 복구한다는 아이디어는 마치 미래형 SF 스릴러에서 나온 듯합니다. 그러나 이 연구는 그처럼 불가능해 보였던 작업을 현실로 만들었습니다. HDSP의 완전한 기능과 향상된 성능이 결합되면, 이 프린터가 앞으로 큰 파장을 일으킬 것임을 쉽게 알 수 있습니다.

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