[논문]ABS 수지의 용융적층조형방식에 의한 자가 맞춤형 부목의 3차원 출력 사례 연구

성열훈

doi:10.5762/kais.2015.16.9.6019

ABS 수지의 용융적층조형방식에 의한 자가 맞춤형 부목의 3차원 출력 사례 연구
A Study of 3D Printing of Self-Customization Cast by Using Fused Deposition Modeling Technique of ABS Resin 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.9, 2015년, pp.6019 - 6026

초록
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본 연구에서는 소량생산 및 개인 맞춤형 제작으로 매우 유용한 3D 프린팅 기술을 이용하여 자가 맞춤형 부목을 제작하고자 하였다. 방법으로는 3D 프린터를 이용하여 용융적층조형방식(fused deposition modeling)으로 부목을 제작하였으며, 재료는 열가소성 플라스틱 계열인 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 수지를 이용하였다. 부목의 모델링은 실제 인체의 손 부위 3차원 전산화단층영상을 이용하였으며 통풍이 가능하도록 설계하였다. 그 결과 실제 인체 손 모양과 일치하는 자기 맞춤형 부목이 성공적으로 출력되었다. 또한 기존 부목보다도 우수한 방사선영상을 획득할 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 제시한 3D 프린팅 사례는 ABS 수지를 이용한 용융적층조형방식의 유사한 구조물을 출력할 때 기초자료로 사용할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have tried to use 3D-printing technology, which is very useful for small amount production and individual personalization manufacturing to produce a cast customized by individual. To do this, we have made casts by the 3D printer in the method of fused deposition modeling technique using ABS(acrylonitrile butadiene styrene) resin which is thermoplastic plastics. The computed tomography of human hand part was used as the modeling of the cast and it was designed to circulate air well. As a result, an individual personalized cast that fitted well with the model part was produced. In addition, we could get more excellent radiography from the cast than the existing cast. In conclusion, this study of 3D-printing could be used as basic data when a similar designed structure in fused deposition modeling technique by ABS resin is printed out.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3. 본 연구결과는 ABS 수지를 이용한 FDM 방식의 유사한 구조물을 출력할 때 기초자료로 사용할 수 있으며 개선해야 할 FDM방식의 문제점들을 선행적으로 제시하였다.
그러나 다양한 3D 프린팅 저변이 확보되기 위해서는 고가의 3D 프린터보다는 저가이면서 개인용으로 활용할 수 있는 프린팅 방식을 사용해야 한다. 그래서 본 연구에서는 가장 널리 사용되고 있는 ABS수지의 FDM방식의 프린터를 선택하여 3D 프린터의 장점을 살릴 수 있는 부목 제작을 시도하고 사례를 보고하였다.
따라서 2014년 미래창조과학부에서 “3D 프린팅 창의 Makers 1,000만 교육계획”안을 발표하고 일반 국민들이 가까운 곳에서 손쉽게 3D 프린터를 체험할 수 있는 인프라를 구축하고 콘텐츠 확보와 유통체계를 구축하고자 하였다.
최근 선행연구에서는 PLA 소재를 이용한 사례가 있었으나 가장 널리 사용되는 ABS 소재 연구는 미미하다[10]. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 개인용 FDM방식의 3D 프린터와 ABS 소재를 이용하여 자가 맞춤형 부목을 제작하고 그 사례를 보고하고자 한다.
모델링 단계에서는 전문 모델러 S/W를 이용하여 작업하였다. 본 연구에서는 국내에서 개발한 모델러를 이용하여 모델링을 구현하였다. 이는 향후 3D 프린팅 산업이 우리나라에서 독자적으로 발전하는데 기반이 될 수 있는 모델러의 기술은 매우 중요하며 이를 활용한 사례라는데 의미가 있다.
본 연구에서는 제조공정 중 SM방식과 반대되는 AM방식으로 생산하는 3D 프린터를 이용하여 자가 맞춤형 부목을 출력하는 사례를 소개하였다. 3D 프린터는 소량의 맞춤형 생산이 가능한 장점이 있어 개별성이 강하고 고도의 정밀성을 요구되는 의료분야에서의 활용이 기대되고 있다[11].

제안 방법

0 프로그램을 이용하였다. 3D 모델러에서 그려진 입체 모델링은 아주 얇게 단층면으로 잘라 분석하여 2차원의 평면화 작업을 하는 슬라이싱(slicing) 작업과 3D 프린터에서 출력할 3D 모델에 위치 값을 주어 3D 프린터에서 제어기능을 준비하고 출력할 수 있도록 경로화 명령 기능을 갖는 G-code 변환 프로그램으로 WEG3D를 사용하였다. 3D 프린터기기는 Fig.
첫 번째, 스캔닝 단계는 MDCT를 이용하여 피검자 손목의 영상 해부학적 정보를 획득하는 단계이다. X-선 스캔 범위는 손가락뼈의 중간부위에서부터 손목뼈 바로 아래부위까지의 손을 X-선 조사하였다. X-선 조사조건은 90 kVp, 50 mAs이었으며, 3.
그 다음 곡면의 기본 프레임에 두께를 생성하기 위해 모델러의 오프셋 도구를 이용하여 5 mm 간격의 외곽 틀을 만들었다. 각각의 프레임의 간격에 sweep 도구를 이용하여 내부가 채워진 solid 형태로 변형하였고 union 도구를 이용하여 하나의 solid로 만들었다. Solid 형태로 만드는 이유는 3D 출력을 하기 위해 덩어리(mass) 정보를 생성하기 위함이다.
후가공 측면에서는 ABS 수지는 아세톤에 잘 녹기 때문에 사포 연마와 같이 하면 표면조성이 손쉬운 반면 PLA 수지는 사포 연마를 위주로 해야 하는 제한점이 있다. 강도면에서는 ABS 수지가 더 강하고 구부러질 수 있는 성질이 있는 반면 PLA 수지는 상대적으로 다소 약하며 거의 휘지 않고 끊어지는 성질을 가지고 있어 본 연구에서도 높은 강도를 요구하는 부목 제작에 ABS 수지를 사용하였다. 오왕균[13]의 연구에서도 ABS 수지를 이용하여 골반 골절 환자의 골을 제작하여 수술계획에 사용하기도 하였다.
3과 같이 CAD 프로그램에서 실제 손바닥 모양과 일치하도록 굴곡의 변위가 있는 부위에 맞추어 기본 프레임을 만들었다. 그 다음 곡면의 기본 프레임에 두께를 생성하기 위해 모델러의 오프셋 도구를 이용하여 5 mm 간격의 외곽 틀을 만들었다. 각각의 프레임의 간격에 sweep 도구를 이용하여 내부가 채워진 solid 형태로 변형하였고 union 도구를 이용하여 하나의 solid로 만들었다.
4와 같이 통풍이 원활하고 위생적이며 방사선 투과성이 용이하도록 그물망 형태로 모델링하였다. 그리고 부목의 손쉬운 착용과 해체를 위해 손목바닥면과 손등면을 분할하였다.
네 번째, 후가공 단계는 Fig. 7과 같이 하도처리, 중도처리 그리고 상도마감 순으로 3 단계로 진행하였다.
용융적층 후 소재의 온도 차이로 수축이 발생하는데 ABS 수지가 PLA 수지보다 수축현상이 많이 일어나는 단점이 있다. 따라서 본 실험에서는 출력물을 가로 배열보다는 세로 배열로 출력하여 수축현상을 최소화하였다. PLA 수지는 옥수수 전분을 이용한 소재이기 때문에 ABS 수지보다 수분에 약한 단점이 있어 공기 중에 오래 동안 방치하면 출력 시 기포가 생기는 현상이 발생한다.
따라서 하도처리에서는 부드러운 표면조성을 위해 사포(No. 200 ∼ 300)를 이용하여 연마 처리하였다.
400 ∼ 800)로 연마 처리하였다. 마지막으로 에어브러쉬를 이용하여 인체의 살색과 유사한 안료로 도색하여 마무리하였다.
방사선영상 비교는 ABS 소재로 3D 프린팅된 부목과 수분 경화성 폴리우레탄수지 재질의 기존 부목과 함께 동일한 X-선을 조사하여 획득된 방사선영상에서 첫 번째 손허리뼈에서 다섯 번째 손허리뼈에 대한 plot profile 을 획득하여 비교하였다. 이때 X-선 조사조건은 45 kVp, 0.
본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 이용하여 ABS 수지를 이용하여 자가 맞춤형 부목을 제작하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
8, INFINITT, Seoul, Korea) 프로그램을 사용하여 3D 렌더링을 하였다. 부목의 모델링을 위한 모델러는 CAD(CADian 3D ver 2.5, IntelliKorea, Korea) 프로그램을 사용하여 기본 부목의 프레임을 설계하고 자기 맞춤에 맞도록 3D 모델링하였다. 모델러에서 디자인된 3D 모델링의 데이터는 3D 프린터가 읽을 수 있는 STL(stereolithogaraphy) 파일로 변환시켜야 한다.
방사선영상 비교는 ABS 소재로 3D 프린팅된 부목과 수분 경화성 폴리우레탄수지 재질의 기존 부목과 함께 동일한 X-선을 조사하여 획득된 방사선영상에서 첫 번째 손허리뼈에서 다섯 번째 손허리뼈에 대한 plot profile 을 획득하여 비교하였다. 이때 X-선 조사조건은 45 kVp, 0.9 mAs, 초점과 검출기까지의 거리는 100 cm로 두 종류의 부목에 동일하게 조사하였다. 방사선영상은 컴퓨터 방사선(computed radiography, CR) 시스템의 8″× 10″ 영상판(image plate, IP)을 이용하여 획득하였다.
이때 외형은 Fig. 4와 같이 통풍이 원활하고 위생적이며 방사선 투과성이 용이하도록 그물망 형태로 모델링하였다. 그리고 부목의 손쉬운 착용과 해체를 위해 손목바닥면과 손등면을 분할하였다.
이를 위해서 스캔닝 단계에서 재구성된 3D 영상을 이용하여 기본 프레임을 디자인할 수 있도록 정면상, 측면상, 단면상을 JPEG 파일로 변환한 후 Fig. 3과 같이 CAD 프로그램에서 실제 손바닥 모양과 일치하도록 굴곡의 변위가 있는 부위에 맞추어 기본 프레임을 만들었다. 그 다음 곡면의 기본 프레임에 두께를 생성하기 위해 모델러의 오프셋 도구를 이용하여 5 mm 간격의 외곽 틀을 만들었다.
자가 맞춤형 부목의 3D 프린팅 출력과정은 총 4 단계로 실시하였다[Fig. 2].
획득된 영상정보는 Rapidia 3D(Rapidia ver 2.8, INFINITT, Seoul, Korea) 프로그램을 사용하여 3D 렌더링을 하였다. 부목의 모델링을 위한 모델러는 CAD(CADian 3D ver 2.
2 mm 단면두께로 연속회전(helical) 스캔하였다. 획득한 영상은 디지털표준의료 영상(digital imaging and communications in medicine, DICOM) 파일로 획득한 후 의료영상 전용 3D 프로그램에서 볼륨렌더링 기법으로 3D 영상을 만들었다.

대상 데이터

방사선영상은 컴퓨터 방사선(computed radiography, CR) 시스템의 8″× 10″ 영상판(image plate, IP)을 이용하여 획득하였다.
본 실험에서는 인체 정보를 획득하기 위한 스캐너 장비로 4-channel multi-detector computed tomography (MDCT, MX-8000, Philips, USA)를 이용하여 단층영상을 획득하였다[Fig. 1](a).
원료로는 열을 가하면 용융이 일어나고 온도가 떨어지면 다시 굳는 열가소성 플라스틱 계열인 ABS 수지를 이용하였다. 외형은 노즐에 삽입이 용이하도록 낚싯줄 형태로 릴에 감겨 필라멘트의 형태로 구성되어 있으며 직경은 약 1.

데이터처리

그 이유는 STL 파일은 면 구조를 기반으로 한 메쉬(mesh) 데이터로 수많은 삼각형들의 면 집합으로 이루어져 있기 때문에 이러한 면들이 연결되어 있지 않다면 현실세계에서 존재할 수 없는 출력물이 되기 때문이다. 따라서 이를 방지하기 위해 본 연구에서는 netfabb Basic 5.1.0 프로그램을 이용하여 검증 및 수정을 실시하였다. 본 연구에서 모델링 중 솔리드 형태를 실패한 주요 원인은 곡선의 각도가 커서 두께 값을 가질 때 곡선 위의 제어점들이 교차하여 솔리드형태로 인식이 되지 못할 때이다.

이론/모형

이는 향후 출력물의 목적에 맞는 3D 프린터 개발의 필요성을 시사한다. 또한 본 연구에서 시도한 적층방식은 FDM방식으로 소재 따라 용융점 설정이 다르다. ABS 수지는 230℃ ∼ 238℃, PLA 수지는 210℃ ∼ 215℃의 용융점을 가지고 있다.

성능/효과

1. ABS 수지가 기존의 부목 소재보다도 방사선투과성이 우수하여 인체내부 관찰이 용이하였다.
2. ABS 수지가 PLA 수지보다도 후가공이 용이하고 강도면에서 우수하다.
육안적으로 평가하여도 3D 프린팅된 부목이 기존의 부목보다도 방사선 투과성이 우수하여 골격계가 손쉽게 관찰이 되었다. 또한 plot profile에서도 손허리뼈와 주변 연부 조직간의 신호강도가 3D 프린팅된 부목 방사선영상에서 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
최종 출력물인 부목은 착용 시 발생할 수 있는 피부 오염이나 냄새 등을 방지하기 위해 디자인된 디지털 형상의 구멍도 동일하게 생성되었다. 또한 탈부착이 용이하게 위하여 손등면과 손바닥면을 분리하여 출력하였으며 손바닥에 장착할 때는 케이블 타이를 이용하여 고정할 수 있도록 부목 위부분과 아랫부분에 케이블 타이 전용 홈을 만들었으며 이를 이용하여 부목이 고정됨을 확인할 수 있었다.
9와 같다. 육안적으로 평가하여도 3D 프린팅된 부목이 기존의 부목보다도 방사선 투과성이 우수하여 골격계가 손쉽게 관찰이 되었다. 또한 plot profile에서도 손허리뼈와 주변 연부 조직간의 신호강도가 3D 프린팅된 부목 방사선영상에서 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이밖에도 최근에는 3D 프린팅의 소재로 생체 소재를 활용하여 뼈, 생체조직, 혈관 등을 재생하는 세포프린팅 기술이 연구가 진행되고 있다[14,15]. 따라서 3D 프린팅 기술의 활성화는 출력물의 목적에 따라 다양한 소재 개발이 앞으로 필요하며 이에 대한 관련연구가 요구될 것으로 판단된다.
본 연구의 한계점은 기존 부목과 3D 프린팅된 부목간의 정량적인 비교방법이 방사선영상분석으로만 이루어진 점이다. 향후 임상적으로 부목으로서의 유용성 평가는 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
본 연구에서도 조형 크기의 한계로 손 부위만 출력한 단점이 있다. 이는 향후 출력물의 목적에 맞는 3D 프린터 개발의 필요성을 시사한다. 또한 본 연구에서 시도한 적층방식은 FDM방식으로 소재 따라 용융점 설정이 다르다.
출력 시 제품의 밀도를 좌우하는 것은 소재를 채우는 정도(infill solidity)이다. 일반적으로 0.3 비율을 권고하고 있으나 비율이 높아지면 출력시간은 길어지므로 출력물의 사용 목적에 따라 비율을 재설정할 있으며 이에 대한 추가 연구는 필요하다. 출력시간은 이 밖에 노즐에 압출되어 출력되는 속도(infill speed)와 압출 없이 노즐만 이동하는 속도(travel speed)가 영향을 준다.
본 연구의 한계점은 기존 부목과 3D 프린팅된 부목간의 정량적인 비교방법이 방사선영상분석으로만 이루어진 점이다. 향후 임상적으로 부목으로서의 유용성 평가는 추가적으로 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AM방식은 어떻게 구분됩니까?	AM방식은 조형물의 단층면을 아주 얇게 잘라 분석한 설계 도면을 기반으로 액체, 파우더 형태의 폴리머(수지), 금속, 목재, 식재료 등을 적층형태(layer-by-layer)로 완성하는 방식으로 신속하게 제작할 수 있어 쾌속조형(rapid prototyping, RP) 방식이라고도 불린다[2]. 이러한 적층방식은 압출(extrusion), 잉크젯 방식의 분사(jetting), 광경화(light polymerised), 파우더 소결(sintering), 인발(wire), 시트 적합(sheet lamination) 등으로 구분할 수 있다[3]. 또한 재료의 형태로 분류를 하면 액체기반, 파우더기반, 고체기반으로 나눌 수 있다.
	선택적 레이저 소결 조형술이란 무엇입니까?	이 기술은 정밀도와 표면조도가 우수한 반면 내구 및 내열성이 약한 단점이 있다. 둘째, 1987년 Carl Deckard는 파우더기반으로 플라스틱, 모래, 세라믹, 금속분말 등을 이용하여 SLA 방식과 유사한 과정을 거치는데 분말 형태의 재료를 가열, 결합하여 조형, 재료 형태에 따라 접착제 또는 레이저를 사용하는 방식을 제안하였으며 선택적 레이저 소결 조형술(selective laser sintering, SLS)이라고 한다[6]. 이 기술은 생산성, 내구성, 내열성이 우수하지만 장비가 고가인 단점이 있다.
	절삭가공이란 무엇입니까?	과거에는 조형물을 생산할 때 입체의 재료를 기계 또는 레이저 등을 이용하여 자르거나 깎는 절삭가공 (Subtractive Manufacturing, SM)방식으로 제작하였다. 하지만 1984년 미국의 Charles (Chuck) W.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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