바이오 3D 프린팅의 성공적 작동,‘선형 모션 기술’에 달렸다

바이오 프린터 OEM에서 제품 설계 엔지니어, 기계 엔지니어 및 설계 엔지니어링 관리자는 그들의 비전, 설계 및 기술의 잠재력을 장비, 시스템 및 솔루션을 통해 현실로 바꾸는 일을 담당한다.

도전 과제에는 정확성, 정밀성, 소형화, 맞춤화, 생체 재료, 그리고 생물학적 안전성 등이 필요하다. 새로운 바이오 프린팅 기술과 현재 및 미래의 수많은 애플리케이션 외에도, 설계자는 프린터 구성 요소가 설계에 따라 작동할 수 있도록 하는 선형 모션 시스템을 포함한 중요한 핵심 구성 요소의 새로운 개발 위한 필수 기능을 파악해야 한다.

바이오 프린터에 적용되는 모션 선형 기술

선형 모션 구성 요소는 바이오 프린터의 성공적인 작동에 중요한 역할을 한다. 그들은 장치의 프린트 헤드, 노즐, 레이저 또는 전자 빔의 움직임을 정확하게 안내해야 하며 때로는 재료 베드도 움직여야 한다. 이는 광조형 및 소결, 직접 금속 레이저 소결, 직접 금속 레이저 용해, 전자빔 용해를 비롯한 모든 관련 적층 제조 기술에 적용되는 요구 사항이다.

저비용 바이오 프린터 장르에서 새롭게 수정된 데스크톱 옵션은 부싱 및 벨트 드라이브 또는 강철 막대 및 기본 볼 베어링과 같이 3D 프린팅 선구자들이 사용했던 정확한 메커니즘을 사용하여 선형 움직임을 여전히 규제한다. 이 배열은 저렴하고 더 많은 간단한 바이오 프린팅 작업에 대한 적절한 제어를 제공한다.

그러나 오늘날에는 훨씬 더 작은 바이오 프린터 제작 설계자들이 볼 베어링이나 롤러가 있는 프로파일 선형 가이드 웨이와 같은 고급 선형 모션 솔루션으로 눈을 돌리고 있다. 벨트 및 로드 시스템보다 비용이 더 많이 들며 평균 3배 더 비싸다. 그러나 보다 발전된 바이오 프린팅 응용 분야에 대한 이점은 결정적이다.

보다 더 높은 강성은 링잉(rining)이나 백래시와 같은 성가신 문제가 없는 프린팅을 가능하게 한다. 또한 로드 및 벨트 배열의 다른 문제를 피하는 데 도움이 된다. 이러한 문제는 종종 너무 빡빡하거나 너무 느슨하다. 대신 선형 가이드 웨이의 고정밀 가공 공차가 매우 부드러운 동작을 보장해준다.

애플리케이션이 데스크톱 솔루션으로 수용할 수 있는 능력 이상으로 이동하거나 독특한 프로토타입을 생성할 필요성을 넘어서면 복잡한 바이오 프린트 애플리케이션의 과제를 해결하기 위해 현대적인 인쇄 기술이 필요하다.

이러한 애플리케이션 전용 바이오 프린터는 완전히 새로운 수준의 선형 모션 성능 구현이 필요하다. 결과적으로 OEM과 계약한 공급업체는 강성, 속도 및 정밀도와 같은 훨씬 더 높은 수준의 중요한 특성을 가진 선형 모션 솔루션을 제공해야 한다.

바이오 프린터에 자주 적용되는 최신 모션 구성 요소에는 볼이 있는 프로파일형 가이드 웨이, 프로파일형 미니어처 가이드 웨이, 미니어처 볼 나사 및 선형 모션 시스템이 포함된다.

통합은 계속되는 추세이다. 레일이나 슬라이드와 별도의 인코더를 구입한 다음 정렬하는 데 어려움을 겪는 이유는 없으며, 통합 인코더/측정 시스템으로 가이드 웨이를 지정하면 설정 시간과 문제를 절약하는 동시에 총 소요 비용을 줄일 수 있다. 유지 관리도 마찬가지로 중요한 문제이다. 유지보수를 단순화하려면 통합된 장기 윤활 기능 또는 내마모성이 확장된 재료와 같은 기능에 중점을 둔다.

경험 풍부한 선형 모션업체와 성공적인 파트너십이 중요

바이오 프린터 OEM은 그 자체로 전문가이지만 선형 모션 기술의 특성에 문제가 있는 경우 많은 자원이 제한적이다. 경험이 풍부한 선형 모션 공급업체와 협력하면 사실상 엔지니어링 팀을 확장할 수 있다. 성공적인 프로젝트를 위한 최상의 기반을 구축하기 위해 협력업체 와 긴밀한 관계를 형성하는 것이 좋다.

▶ 빠른 적용 : 설계 프로세스가 시작될 무렵에 공급업체에 전화를 걸어 NDA(nondisclosure agreement)를 준비하고 공급업체를 활용하여 선형 모션 요구 사항의 범위를 미리 지정하고 수량화 한다. 이를 통해 공급업체는 초기 계획에서 최종 설계 종료에 이르기까지 올바른 솔루션을 추천할 수 있는 최대 시간과 범위를 확보할 수 있다.

▶ 성능에 대한 디자인 : 제시된 설계에 대한 모션 문제와 가능성을 공급업체가 신속하게 보여줄 것이다. 전문 공급업체는 절충점을 식별하고 대안을 제안할 수 있다. 목표는 나중에 수정하기 어려운 성능 결함을 사전에 방지하기 위함이다.

▶ 비용을 고려한 디자인 : 프린터의 시장 가격을 공급업체와 공유하는 것이 좋다. 숙련된 공급업체는 품질이나 서비스 수명 연장 없이 이를 충족하기 위해 노력할 것이다. 궁극적인 목표는 프린터 수명 동안 가장 낮은 총 소유 비용으로 최적의 성능을 제공하는 최상의 균형을 이루는 것이다.

▶ 사용자 지정 옵션 탐색 : 많은 경우, 기성의 표준 구성요소로서는 특정 디자인에 적합하지 않거나 적절한 성능을 제공할 수 없다. 옵션의 가능성은 항상 열어 두어야 한다. 적합한 파트너는 설계 및 애플리케이션의 고유한 사양과 요구 사항에 맞게 솔루션을 조정할 것이다.

강성

바이오 프린터의 선형 모션 시스템의 성능은 문자 그대로 그리고 더 나아가서 그 기반에 달려 있다. 고성능이 요구되는 곳에는 두께, 프레임 구성 및 재료와 같은 요소에 충분한 강성이 요구된다. 달성하려는 모든 최종 성능 사양과 일치해야 한다. 강성은 평탄도 및 진직도와 같은 요소에 영향을 미친다.

예를 들어, 제조업체는 필요한 두께와 적절하게 견고한 디자인의 스테인리스 스틸로 만들어진 선형 모션 레일 2 를 레일보다 얇은 알루미늄 플레이트에 부착하려고 시도할 수 있다. 피할 수 없는 결과는 처짐이다. 여기서 처짐은 레일이 적용된 힘에 의해 지시된 방향으로 약간이라도 구부러질 수 있음을 의미한다. 이는 부드러운 이동과 반복성에 영향을 미치며 결과적으로 인쇄된 제품의 균일성을 저하시킬 수 있다.

그러나 가장 진보된 선형 운동 제품이라도 외부 움직임이 가능한 기반 위에 놓이면 뛰어난 속도와 정밀도를 제공할 수 없다. 전통적으로 대부분의 3D 프린터는 판금 캐비닛이나 알루미늄 테이블과 같은 구조물에 장착된다.

불행히도 이러한 베이스는 현대 바이오 프린터 제조 장비에서 요구하는 수용 가능한 강성을 제공하지 못한다. 따라서 대신 강력하게 건축된 강철 또는 철 구조물 또는 화강암 기초에 대한 권장 사항이다.
또 다른 혁신적인 선택은 광물과 에폭시 수지로 구성된 하부 구조이다. 이 미네랄 캐스트 베이스는 진동 감쇠, 내화학성 및 열 안정성이 뛰어난 프린터 베드를 제공한다.

또한 맞춤형 개구부, 공간 및 배선 채널을 포함하여 주어진 프린터에 필요한 윤곽과 치수를 수용하도록 형성할 수 있다. 또한 강철, 회주철 또는 주철에 비해 기술적, 경제적, 생태학적 이점이 있다.
초기에 선형 모션 공급업체와 예상 부하 및 프린터 구성에 대해 논의하여 결과 시스템이 처음부터 모든 힘과 조건을 견디고 의도한 애플리케이션의 모든 정확도와 정밀도 요구 사항을 충족하도록 설계되도록 한다.

속도

선형 모션 시스템의 이동 속도는 기본적으로 프린터의 생산 속도를 정의한다. 변형과 같은 문제를 방지하기 위해 일부 바이오 프린터의 일부 작업에는 상대적으로 느린 속도가 필요한다. 다른 경우 과도한 이동 가속은 링잉에서 고스팅(ghosting), 필라멘트 얼룩에 대한 레이어 접착 부족에 이르기까지 문제를 일으킬 수 있다. 대부분의 경우 제조업체는 선형 모션 공급업체에 가능한 한 최대 속도를 제공하도록 요청한다.

최고의 생산성 또는 출력이 요구될 때는 선형 운동 요소가 가능한 한 빠르게 가속될 수 있는 것이 필수적이다. 그러나 정착 시간은 종종 또 다른 주요 특성이다. 즉, 각 가속 단계 후에 상당한 진동 없이 정지하는 데 레일 또는 움직이는 부품에 부착된 기타 구성 요소가 걸리는 시간이다.

그러나 이러한 요소는 프린터가 생산하는 특정 항목의 프린터 디자인, 재료, 모양, 두께, 해상도 및 기타 특성과 어떤 선형 모션 구성 요소가 사용되었는지에 따라 크게 달라진다.

일반적으로 최적의 구성에서, 오늘날의 고성능 선형 모션 시스템 중 일부는 정확한 위치에서도 50ms의 낮은 단계 및 조정 간격으로 일정한 속도를 얻을 수 있다. 이를 통해 초당 최대 1000 mm로 작동하는 오늘날 사용 가능한 가장 빠른 산업용 프린터가 가능하다. 특정 애플리케이션에서 달성할 수 있는 것이 무엇인지 결정하려면 제조업체와 공급업체 간의 논의가 필요하다.

정밀도

선형 모션 장비의 선택은 작동하는 바이오 프린터가 요구하는 위치 정확도와 반복성(정밀도)의 정도에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 채택된 선형 모션 기술은 정확도, 반복성 및 해상도를 포함하여 최종 애플리케이션에 대한 중요한 성능 요구 사항에 영향을 미친다.

바이오 프린팅 공정의 최종 사용자가 주어진 공차 또는 평탄도/부드러움 사양을 달성하기 위해 인쇄 후 마무리 단계를 사용하는 경우 1차 인쇄에서 극도의 정밀도가 필요하지 않을 수 있다. 그러나 이 범위의 프린터에 적합한 선형 모션 시스템은 ±50 또는 100 um까지 위치 정밀도를 제공할 수 있다.

단, 완성된 아이템의 내부 기능은 완성 후 쉽게 접근이 불가능할 수 있다. 또한 바이오산업을 선도하는 OEM은 추가 마감 처리를 최소화하기 위해 접근 방식을 발전시키고 있다. 따라서 모든 지점에서 정확한 치수와 모양을 얻으려면 매우 정확한 선형 운동이 필요하다.

많은 바이오 프린터 응용 프로그램은 이제 고성능 공작 기계에서 전통적으로 요구되는 선형 모션 장비의 정밀도 수준을 초과하고 있다. 그리고 바이오 제조기술이 계속 발전함에 따라, 선도적인 선형 모션 공급업체가 반도체 제조를 위한 초정밀 나노 스케일 장비로 설계하는 것과 같이 더 높은 수준의 정밀도를 요구하는 많은 애플리케이션이 예상된다.

이러한 후자 그룹에 속하는 바이오 프린터 요구사항의 경우, 선형 기술 공급업체는 제조업체가 완전히 새로운 수준의 정밀도를 달성할 수 있도록 특정 요구사항에 대해 협의하고 가능한 선형 모션 솔루션의 정확한 기능을 기꺼이 비교할 수 있어야 한다.

여러 요소가 특정 프린터 디자인과 바이오 프린팅을 해야 하는 항목에 따라 다르다. 그 외에도 선형 기술 공급업체는 선형 모션 시스템의 강성, 평탄도, 하중/예압 및 건축 자재에서 작동 온도 및 진동/공진 가능성에 이르기까지 문제를 해결하고 일정 속도 및 스트로크 길이와 같은 요소를 고려해야 한다. 그러나 올바른 조건에서 오늘날 우수한 선형 모션 시스템은 특정 바이오 프린터가 0.5에서 0.1um까지 반복 가능한 정확도를 달성할 수 있도록 한다.

선형 모션 기술의 발전으로 고성능 바이오 프린팅 가능

오늘날의 고급 선형 모션 시스템은 바이오 프린팅 애플리케이션이 요구할 수 있는 정밀도를 제공할 수 있고 또 제공하고 있다. 바이오 프린터 제조가 폭발적인 발전을 계속함에 따라 속도와 효율성이 증가하며 바이오 재료의 사용이 확산될 것이다. 바이오 프린터의 선형 모션 능력이 성장할 여지는 충분하다.

예를 들어, 더 작고 더 작은 규모로 분배 요소의 움직임을 정확하게 제어하면 바이오 프린터가 더 미세한 체세포 구조를 제조할 수 있다. 정맥 조직은 2016년에 처음으로 성공적으로 인쇄되었다. 멀지 않은 미래에 완전한 기능을 갖춘 3D 인쇄 인간 장기가 예측된다.

한편 점점 더 많은 바이오 프린터 OEM이 도전적이고 최첨단이며 많은 경우 고유한 제품을 위한 고급 선형 모션 솔루션의 이점을 탐색하고 있다. 올바른 공급업체는 전문가 설계, 수용 가능한 리드 타임, 소유 비용 절감, 안정적인 품질, 보람 있는 파트너십과 같은 이점을 제공하기 위해 우려와 장애물을 극복할 수 있다.

또한 올바른 선형 기술은 진정한 고성능 바이오 프린팅을 가능하게 하는 강성, 속도, 정확도, 정밀도, 소형화, 맞춤화, 재료 호환성 및 바이오 안전성과 같은 중요한 특성을 제공할 수 있다.

자료제공: Schneeberger(www.schneeberger.com)