특정 과학 장비에 접근할 수 없나요? 걱정 마세요 – 적층 제조로 출력하세요

전 세계적으로 과학 장비에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 한 추정에 따르면, 전 세계 과학 기기 시장 규모는 2022년 약 280억 달러에서 2028년 340억 달러 이상으로 연평균 성장률 3.2%로 성장할 것으로 예상됩니다. 

다양한 유형의 과학 장비는 인간 오류 위험을 줄이고 반복 과정을 자동화함으로써 과학 발전을 가속화합니다. 이는 과학자들이 개념과 해결책을 구상할 시간을 확보하도록 돕습니다.

Technology Networks의 최고경영자(Mikael Hagstroem)에 따르면, 실험실 직원의 시간 중 최대 70%가 행정 업무, 준비 작업, 데이터 찾기 및 정리, 보고 등에 낭비될 수 있습니다.

과학 기기는 많은 시간을 절약하고 과정을 효과적으로 간소화하기 때문에, 특정 과학 장비에 적시에 접근하지 못하면 답답할 수 있습니다. 하지만 요즘은 이러한 가용성에 대해 불평할 이유가 거의 없습니다.

적층 제조는 일반적으로 3D 프린팅으로 알려져 있으며, 구원책이 되었습니다. 적층 제조가 특정 과학 장비에 접근하는 데 어떻게 도움이 되는지는 다음 섹션에서 자세히 살펴보겠습니다. 하지만 더 깊이 들어가기 전에, 적층 제조 또는 3D 프린팅이 무엇인지 간략히 살펴보겠습니다!

적층 제조란 무엇인가?

MIT Sloan School of Management에서 발표한 적층 제조에 관한 관련 설명에 따르면, 이는 ‘물을 한 층씩 쌓아가며 물체를 만드는 과정’이라고 정의합니다. 이는 고체 재료 블록을 깎아 최종 제품을 완성하는 감산 제조와 반대됩니다.

대체로, 적층 제조 과정은 다음과 같은 세 단계 순서를 따릅니다: 

• 첫째, 실험실에서 설계가 만들어집니다. 이는 컴퓨터 지원 설계(CAD)와 유사한 소프트웨어를 사용하거나, 직접 프린트하고자 하는 물체를 스캔하여 만들 수 있습니다.
• 둘째 단계에서는 소프트웨어가 설계를 단계별로 층화된 프레임워크로 변환하며, 적층 제조 또는 3D 프린팅 기계가 이를 따라갑니다.
• 마지막 단계는, 이 과정이 3D 프린팅이라고 불리는 이유이기도 한데, 층화된 프레임워크를 3D 프린터에 전달하면 즉시 물체를 제작하기 시작합니다. 

적층 제조 또는 3D 프린팅은 폴리머, 금속, 세라믹, 폼, 겔, 바이오재료 등 다양한 재료와 호환됩니다. 

MIT의 재료 과학 및 공학 박사과정 학생 Arvind Kalidindi에 따르면:

“두 부품을 현지에서 결합할 방법만 찾으면, 3D 프린팅으로 만들 수 있습니다.”

이러한 다재다능함과 거의 보편적인 호환성 덕분에 3D 프린팅 또는 적층 제조는 특정 과학 장비를 제조하는 데 적합합니다. 이제 아래에서 몇 가지 예시를 살펴보겠습니다: 

3D 프린팅 휴대용 질량 분석기 부품 및 기타

질량 분석기는 화학 물질을 식별할 수 있는 장치입니다. 질량 분석기는 범죄 현장부터 지질 조사에 이르기까지 다양한 분야에서 활용되며, 여러 목적을 수행합니다. 

MIT 연구팀은 질량 분석기의 핵심 부품으로 작동하는 3D 프린팅 질량 필터를 개발했습니다. 사중극(quadrupole)으로 알려진 이 소형 필터는 기존 대비 훨씬 가볍고 저렴합니다. 내열 유리‑세라믹 및 수지로 만든 상업용 고급 질량 필터는 10만 달러 이상이 들지만, 적층 제조로 만든 이 질량 필터는 몇 달러에 몇 시간 내에 제작할 수 있습니다. 

MIT Microsystems Technology Laboratories의 수석 연구 과학자 Velasquez‑Garcia에 따르면, “다른 소형 사중극 필터도 있지만, 전문 등급 질량 필터와는 비교할 수 없습니다. 크기와 비용을 줄이면서 성능에 부정적인 영향을 주지 않을 수 있다면 이 하드웨어에 많은 가능성이 있습니다.”

위 예시는 해당 분야의 최신 성과 중 하나이지만, 이와 같은 사례는 과학·기술 R&D 분야에서도 이전에 보고되었습니다. 예를 들어, 맥길 대학 연구원들은 랩‑온‑칩 진단 기술을 개발했으며, 이는 다수의 실험실 기기를 대체하고 소형 기술로 기능합니다. 이 칩은 3D 프린팅을 이용해 30분 내에 제작할 수 있습니다. 보고에 따르면 이 솔루션은 의료 전문가가 현장에서 특정 요구에 맞춘 맞춤형 솔루션을 만들 수 있게 해준다고 합니다. 

MIT 연구팀 또 다른 그룹은 다중 재료 3D 프린팅을 이용해 자체 가열 유체 장치를 만들었으며, 이 장치는 내장된 가열 요소를 가지고 있습니다. 이러한 소형 기계는 유체를 조작하고 화학 반응을 촉진할 수 있습니다. 여러 대형 고성능 기계가 동시에 작동하는 대신, 이 기술은 소량의 혈액이나 유체 샘플에서 질병을 감지할 수 있습니다. 

원격 위치에서 과학 장비에 접근하기

3D 프린팅 과학 및 실험실 장비는 물리적·지리적 거리라는 제약을 제거하는 데에도 도움을 주었습니다. 이전에는 3D 프린터를 현장에 숙련된 운영자가 있어야 했습니다. 그러나 COVID-19 팬데믹이 시작되면서, 적층 제조 분야에서 원격 작업이 가능하도록 하는 솔루션이 등장했습니다.

예를 들어, MakerBot CloudPrint는 엔지니어링 팀이 원격 또는 분산된 위치에서 효율적으로 작업할 수 있는 솔루션을 제공했습니다. 클라우드 기반 3D 프린팅 플랫폼은 여러 위치에 존재하는 팀에게 원활한 워크플로를 제공합니다. 여러 위치에서 일하는 엔지니어들은 브라우저에서 직접 슬라이스하고 3D 프린트를 준비함으로써 이 3D 프린터와 효과적으로 협업할 수 있습니다. 

이 장치는 내장된 대기열 및 모니터링 기능을 갖추고 있어 사용자가 어디서든 연결된 MakerBot 프린터에 접근을 추가, 모니터링 및 제어할 수 있습니다. 또한 인쇄 진행 상황을 중앙에서 추적하고 모니터링할 수 있는 대시보드가 있습니다. 실시간 카메라 피드는 인쇄 작업의 최신 상태 업데이트를 제공합니다. 

이와 같은 솔루션들은 많은 과학 장비 제조업체에게 워크플로를 원활하고 매끄럽게, 비용 효율적으로 만들었습니다. 

적층 제조/3D 프린팅으로 혜택을 보는 과학 장비 제조업체 유형

우주 연구 장비 제조업체는 적층 제조 또는 3D 프린팅으로 크게 혜택을 받을 수 있는 분야 중 하나입니다. 과학 연구는 우주 탐사 프로젝트가 제시하는 극한 조건에서 대량 물질을 측정하기 위한 3D 프린팅 실험실 장비를 구축하는 방법을 보여주었습니다. 

2022년, Nature Journal은 나노유체의 표면 장력을 측정하기 위해 3D 프린팅 장치를 개발한 연구를 언급했습니다. 측정 결과는 상업용 장치와 비교할 만했습니다. 

이 연구는 또한 물질 압출 3D 프린팅 방식을 이용해 극한 조건에서 대량 물질의 특정 기계·물리적 특성을 측정하는 가능성을 조사했습니다. 

또 다른 유형의 과학 장비 제조업체는 전자 분야에 속합니다. 레이저 기반 적층 제조 공정의 정밀도는 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)을 만드는 데 도움이 됩니다. 이 과정에서 가속도계와 자이로스코프와 같은 복잡한 부품을 개발할 수 있습니다. 

교육용 기기 제조 역시 적층 제조를 효율적으로 활용할 수 있는 또 다른 분야입니다. 정밀하게 설계된 하드웨어와 산업용 재료를 실험할 수 있도록 돕는 3D 프린터가 있습니다. 

이러한 시설의 공통적인 특징은 하나의 플랫폼에서 다양한 원료를 사용할 수 있다는 점입니다. 사용이 안전하며 개인 보호 장비가 거의 필요하지 않습니다. 적층 제조 장비는 손쉬운 제어와 모니터링을 위한 내장 소프트웨어를 갖추고 있습니다. 

많은 기업들이 다양한 산업 분야를 위해 적층 제조 또는 3D 프린팅을 쉽게 만들고 있습니다. 이제 이러한 기업들을 살펴보겠습니다.

#1. Markforged

Markforged는 산업용 3D 프린터 기계, 금속, 연속 섬유 및 복합재와 같은 고성능 재료, 그리고 워크플로를 개선하는 엔터프라이즈 소프트웨어를 포함한 적층 제조 솔루션 전체 스펙트럼을 제공합니다. 

Markforged는 금속 3D 프린터, 산업용 복합재 3D 프린터, 데스크톱 복합재 3D 프린터 등 세 종류의 3D 프린터를 보유하고 있습니다. 이 솔루션이 활용되는 산업 분야에는 항공우주, 자동차, 소비재, 교육 및 연구, 전자 제조, 에너지, 연방 및 방위, 산업 장비, 의료 등이 포함됩니다. 

Markforged의 가장 인기 있는 제품 중 하나는 FX10으로, 차세대 산업용 복합재 3D 프린터입니다. 이 장치는 비전 모듈과 레이저 마이크로미터, 빠른 로딩과 사용자 개입 최소화를 위한 고급 소재 챔버, 7인치 터치스크린, 그리고 60도까지 가열되는 빌드 챔버를 탑재하고 있습니다. 

Markforged는 2023년 3월에 2022년 4분기 및 연간 실적을 발표했습니다. 회사는 2022년 4분기에 매출이 2021년 4분기 2,660만 달러에서 2,970만 달러로 11% 증가했습니다. 연간 매출은 2021년 9,120만 달러에서 2022년 1억 1,010만 달러로 11% 증가했습니다. 그러나 총 이익은 2021년 5,290만 달러에서 2022년 5,070만 달러로 4% 감소했습니다.

#2. Hewlett Packard

모두에게 3D 프린팅을 제공하기 위해 대규모 투자를 하고 있는 또 다른 기술 기업은 Hewlett‑Packard, 즉 HP입니다. HP의 3D 프린팅 솔루션은 항공우주, 소비재 및 전자, 교육, 의료 및 의료, 산업, 제조 서비스, 몰드 섬유, 보조기 및 보철, 운송 및 자동차 등 다양한 산업에서 활용됩니다. 이러한 적용 분야 중 교육은 특정 과학 장비에 접근이 필요한 분야 중 하나입니다. HP의 멀티젯 퓨전 기술은 엔지니어링부터 건축까지 교육·연구 기관 내 여러 분야에서 부품 및 기능성 프로토타입을 제작하는 데 도움을 줍니다. 

HP의 Jet Fusion 3D 프린팅 솔루션은 개발 실험실, 적층 제조 실험실, 대학 서비스 부서, 병원·의료 3D 실험실 등에서 수행되는 기본 및 고급 3D 실험실 연구를 지원합니다.

HP는 2023년 11월 21일에 2023 회계연도 전체 및 4분기 실적을 발표했습니다. HP Inc. (HPQ ) 와 그 자회사(‘HP’)는 전년 대비 15% 감소한 537억 달러의 순매출을 기록했으며(고정 환율 기준 12% 감소). 4분기 순매출은 138억 달러로 전년 대비 6% 감소했으며(고정 환율 기준 5% 감소)였습니다.

#3. Formlabs

Formlabs는 2011년 MIT 대학원생 세 명에 의해 설립되었으며, 저렴한 가격에 산업·전문 부품 품질을 달성할 수 있는 최초의 3D 프린터를 만드는 것을 목표로 시작했습니다. 이후 이 회사는 세계 최대 규모의 전문 스테레오리소그래피 및 선택적 레이저 소결 3D 프린터 공급업체 중 하나로 성장했습니다. 

Formlabs 포트폴리오는 저렴하면서도 산업 수준의 데스크톱 3D 프린터, 대형 포맷 3D 프린터, 그리고 의료용 고급 데스크톱 3D 프린터를 혼합해 제공합니다. 이 프린터들은 프로토타입 및 최종 부품 제작을 위해 20가지 이상의 기능성 레진을 사용할 수 있습니다. 또한 나일론 11, 나일론 12, TPU, 폴리프로필렌, 유리, 탄소 충전 나일론 복합재 등 최소 6가지 고성능 산업용 재료와 호환됩니다. 프린터는 실내 환경에서도 작동 가능하며, PU 레진만 습도 제어를 위한 건조 캐비닛이 필요합니다. 또한 공기 환경 및 질소 분위기에서도 잘 작동해 재료 특성을 향상시키고 재생 속도를 낮춥니다.

2021년에 발표된 보도에 따르면, 이 회사는 소프트뱅크 그룹의 Vision Fund 2가 주도한 1억 5천만 달러 투자 라운드 이후 기업 가치를 20억 달러로 두 배 늘렸습니다. 이전에는 2018년 8월 New Enterprise Associates(NEA)로부터 1,500만 달러를 투자받아 10억 달러 이상으로 평가되었습니다.

적층 제조: 과학 연구 분야의 게임 체인저

과학 연구에는 최첨단 장비가 필요하지만, 이러한 장비는 고가라 연구 기관이나 독립 연구자들이 감당하기 어려운 경우가 많습니다. 이러한 상황에서 3D 프린팅 또는 적층 제조는 개발이 용이하고 비용이 저렴해 큰 도움이 됩니다. 또한, 상업용 장비와 비교해도 정밀도 면에서 동등한 결과를 제공하며, 상업용 장비는 훨씬 비싸고 대규모 기업이나 기관에서만 이용할 수 있습니다.

게다가 적층 제조는 물류가 제기하는 문제도 해결합니다. 이는 필요한 정확한 시점에 정확한 과학 장비를 제공하는 것이 비용과 시간이 많이 소요될 수 있기 때문에 중요합니다. 이 점에서 3D 프린팅은 이러한 문제를 해결하는 데에도 도움이 됩니다.

또한, 과학 장비는 무겁고 복잡하며 어려운 장소로 운송하기에 적합하지 않은 경우가 많아 물리적 측면을 고려하면 이점이 더욱 명확해집니다. 우주 탐사와 지질 조사 사례에서 보듯이, 휴대용 3D 프린터와 원료를 현장에 가지고 가면 현장에서 장비를 개발하는 데 유용합니다.

이러한 요인들은 적층 제조가 과학 장비에 대한 접근을 보다 저렴하고 번거롭지 않게 만드는 새로운 지평을 열어준다는 것을 보여줍니다.

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