한국의지ㆍ보조기학회지 : 제 9 권제 1 호 2015 의지보조기인터페이스재료고찰 - 3D 프린팅기술과재료 한국과학기술연구원로봇연구단황선홍 Interface Materials for 3D Printing Prosthesis and Orthosis Seonhong Hwang, P.T., Ph.D. Center for Robotics, Korea Institute of Science and Technology (KIST) The 3D printing technology is over 30-year-old one of widely used technologies in the manufacturing industry. Recently, expiration of some patents related with 3D printing technologies induced an issue that it would cause the next industrial renovation. It is expected that prothesis and orthosis companies could produce protheses or orthoses cheaper and quicker using 3D printers. Moreover, it is expected that non-specialists could manufacture their own protheses and orthoses for themselves using a 3D printer soon. However, the present 3D printing technology has a limitation on both its technology and material. Therefore, we need to understand the technology exactly and compare the advantages and disadvantages of the 3D printing technology with the conventional manufacturing methods in advance. It would be better if the computer aided design and manufacturing would be educated at a school for prosthetists and orthotists. (J Korean Soc Prosthet Orthot 2015; 9: 31-35) Key Words: 3D printing, Prosthesis, Orthosis 서 의지 (Prosthesis) 와보조기 (Orthosis) 는장애의특성에맞도록개별맞춤형으로제작되는재활도구, 장비이다. 하나의의지, 보조기를제작하기위해서는전문가 ( 의사, 의지보조기사, 치료사 ) 의긴시간과노력을필요로하기때문에의지, 보조기는건강보험과의료급여중많은예산이소요되는부분이기도하다. 1 근래제조업의다품종소량생산화경향에발을맞춰 3D 프린터와 3D 프린팅기술이붐을일으키면서의지보조기제조분야에도 3D 프린팅기술을접목하려는노력이시도되고있다. 의지보조기의제작특성상 3D 프린팅기술이다품종소량생산체제에가장적합한제조기술로여겨지지만아직국내에서는재활보조기기나의지, 보조기제작에 3D 프린팅기술을활용하는예를찾아보기힘들다. 맞춤형의지, 보조기를쉽고빠르게제작및제공할수있다는장점에도불구하고, 사이즈가비교적큰의지의경우 3D 프린터 접수일 : 2015 년 7 월 21 일, 게재승인일 : 2015 년 11 월 1 일교신저자 : 황선홍, 서울시성북구화랑로 14 길 02792, 한국과학기술연구원로봇연구단 Tel: 02-958-5754, Fax: 02-958-5478 E-mail: sh@kist.re.kr 론 로제작하기어려운측면이있고보다정교하고견고한제품을제작하기위해서는매우고가의장비와재료를요구한다는단점이있기때문에의지, 보조기분야에 3D 프린팅기술이보급되기에어려운점이존재한다. 3D 프린팅기술은이미 30년동안존재하였던기술이고작금의현상은거품일뿐이라는주장과이기술이 3차산업혁명을일으키기에적합하여어마어마한발전이있을것이라는주장이맞서는 2 현상황에서 3D 프린팅기술의역사와기본원리, 그리고 3D 프린팅재료에대하여정확히이해하고재활보조기기 (Assistive technology), 의지, 보조기분야에서어떻게접근해야하는지고찰해보고자한다. 기존의지ㆍ보조기제작과정의지와보조기제작과정은다소차이가있으나일반적으로 1) 측정및평가 (Evaluation and Measurement), 2) 제작 (Fabrication), 3) 조립 (Assembly), 4) 전달 (Delivery) 과정으로요약될수있다. 측정및평가과정에서는전문가가사용자의니드 (need), 기능 (function), 외관 (cosmesis), 편의성 (comfort) 등을평가하고, 제작과정에는금형제작과실제의지, 보조기제작을포함하는데이과정에서사용자에게가장적절한외형과기능등을찾기위해사용자의피드백을반영한반복제작이요구된다. 이렇게제작된제품은필요한경우 31
32 한국의지ㆍ보조기학회지 : 제 9 권제 1 호 2015 조립과정을거쳐마지막으로사용자에게전달된다. 이러한기존의의지, 보조기제작과정중에서환자에게가장적합한외형과기능을가지도록제작하기위해전문가들의반복적인노력과시간이많이소요된다. 일반제조업에서의컴퓨터를활용한제조 (CAD CAM) 과정을의지보조기제작에적용한다면이부분에소요되는노력과시간을많이절약할수있다. 그러나 CAD CAM 방식의제조는고가의장비와전문설계기술을요구하므로의지보조기제작에그다지많이활용되지못하고있다. 따라서만약, 3D 스캐닝과 3D 프린팅기술을활용한다면 CAD CAM보다는상대적으로저렴한비용으로, 기존의수작업방식보다는쉽고빠르게의지보조기를제작할수있을것으로기대된다. 3D 프린팅역사와원리 1) 3D 프린팅역사 3D 프린팅은 1980년데쾌속조형 (Rapid prototyping) 기술개발로부터시작되었다. 1981년일본나고야시공업연구소의히데오코다마 (Hideo Kodama) 박사가빛을이용한액상광경화수지를고체층으로형성하여제품을만드는 RP 기술을최초로보고하였는데그당시특허출원은하지못하고기술문서에그쳤으며상용화에도성공하지못하였다. 이후 3D 프린트기술은 1986년미국의척헐 (Chuk Hull) 에의해처음상용화되었다. 헐은입체인쇄술 (Stereolithography) 라는이름으로특허를출원하였으며 1986년 SLS (Stereolithography Apparatus) 방식의 3D 프린터를생산하는 3D 시스템즈 (3D Systems)' 라는이름의회사를설립하였다. 이후, 범용 3D 프린팅방식으로널리쓰이는 FDM (Fused Deposition Modeling) 3D 프린터는 1989년스콧크롬 (Scott Crump) 에의해설립된스트라타시스 (Stratasys) 사에서최초로출시되었다. 1994년에는 SLS (Selective Lasere Sintering) 방식이미국텍사스대학에서특허출원되고 DTM사에의해상용화되었는데 DTM사는이후 3D 시스템즈에인수되었다. 독일에서도엔비전텍 (Envsiontec) 이라는회사에서 DLP (Digital Light Processing) 방식의 3D 프린터가 2002년최초로출시되었다. 현재까지도다양한업체들에의해많은 3D 프린터가출시되고있는데 2012년부터현재까지특허침해소송이계속이어지고있다. 3D 프린팅이최근이슈가되고있는데에는이기술의지적재산권과관련된사건들이원인으로보인다. 각기술들의특허존속기간 20년이만료되거나곧만료되기때문에 (SLA 방식 2006년, FDM 2009년, SLS 와 DMLS 방식 2014년 ) 저렴한 3D 프린터들의등장이기대되고있다. 또한, 프린팅원리에대한지적재산뿐만아니라소스 ( 디자인파일 ) 의지적재산권문제도접근성제한의원인이었으나영국아드리안보이어 (Adrian Bowyer) 교수의 reprap 프로젝트 (www.reprap.org) 로인하여다양한 3D 프린터소스를무료로사용할수있게되었으며이러한무료공개소스를제공하는사이트가세계적으로늘어나는추세이다. 2) 3D 프린팅방식 (1) 광조형방식 (SLA, Stereolithography Apparatus): 최초의 3D 프린팅방식으로알려졌으며처음상용화되었다. 이방식은자외선레이저 (UV laser) 와반응하여고형화되는액상의광경화레진 (Photopolymer resin) 을원료로사용하는데, 레이저빔이 x, y축방향으로조사되고이부분의레진이경화되면 z축방향으로한층한층옮겨가는반복작업으로인쇄하는원리이다.(fig. 1) DLP (Digital Light Processing) 은 SLA와유사한방식이다. (2) 분말소결방식 (SLS, Selective Laser Sintering) 또는용융 (melting) 방식 : 치밀하게압축된분말재료에고에너지레이저를조사하며소결 (Sintering) 성형하는원리이다.(Fig. 2) SLS에서사용하는레이저는 SLA의 UV레이저보다강한 CO 2 레이저를사용한다. 금속분말을원료로하는금속성형분야에서많이쓰이는방식 (DMLS, Direct Metal Laser Sintering) 이다. (3) 용융적층방식 (FDM, Fused Deposition Modeling): 열가소성수지 (thermoplastic material) 를달궈진노즐을통하여 Fig. 1. SLA principle. Fig. 2. SLS principle.
황선홍 : 의지보조기인터페이스재료고찰 - 3D 프린팅기술과재료 33 Fig. 3. FDM principle. 사출하며적층하는방식으로성형하는원리이다.(Fig. 3) 가장간단하면서도널리알려진 3D 프린팅원리이지만가열된재료가식으면서변형및수축이발생하는단점이있다. 위 3가지방식이대표적인 3D 프린팅원리로알려져있으며그밖에도잉크젯 (Injet) 방식, 선택증착방식 (SDL, Selective Deposition Lamination), 전자빔용융방식 (Eelctron Beam Melting) 방식등이있다. 3D 프린팅재료 1) 플라스틱 (Plastic) 플라스틱은 FDM방식의프린터에주로사용되는원료로고분자유산 (PLA, Polylactic Acid), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PVA (Polyvinyl Alcohol) 등이대표적이다. PLA 는고분자당화합물로옥수수나사탕무와같은천연재료에서추출된친환경소재이다. 190 240 o 가성형온도로적당하며성형후 110 o 이하에서사용가능하다. 보통비닐이나지퍼팩, 1회용포크, 수저, 컵과외과이식용스쿠루나핀의원료로사용된다. PLA는 ABS 대비 80% 의상대적으로약한강도를갖지만환경친화적이라는장점이있다. ABS는석유화학소재로성형온도는 210 250 o C이고성형제품은 20 80 o C에서사용가능하다. 주로자동차부품, 파이프, 전자기판, 헬멧, 악기, 장난감등의원료로많이쓰이는재료로표면도료고착성이우수하고재생이가능하다는장점이있다. PVA는수용성플라스틱으로잘알려져있으며종이테잎, 포장용필름, 여성위생제품원료로사용되는데 3D 프린팅에는서포터의재료로많이사용된다. 열가소성플라스틱재료는성형이후약 5% 내외의수축현상이나타나는단점이있는데최근에는이러한단점들을보완한특수합성재료들이 FDM방식에사용되고있다.(Fig. 4) 2) 분말분말재료로많이쓰는것은나일론 (Nylon) 으로알려진폴리아마이드 (Polyamide) 로 Nylon 12, 618, 645 등다양한종 Fig. 4. Plastic materials for FDM 3D printing. 류의나일론이 3D 프린팅재료로사용된다. 생체적합성이있는나일론수지는인공연골이나이식형의지 3D 프린팅원료로사용되기도한다. 성형온도는 260 o C. 나일론에알루미늄을혼합한것이알루마이드 (Alumide) 인데알루마이드분말도 SLS 방식의재료로많이쓰인다. 알루마이드는나일론이나플라스틱에비해높은열저항성을같은것이특징이며 172 o C의성형온도를갖는다.(Fig. 5) 3) 레진 (Resins) 레진은액상형재료로주로치과용수복재료로사용되어왔다. 천연레진은송진과같이침엽수에서추출된레진을말하고합성레진은유기물고분자와무기물충전재를혼합한혼합물질로에폭시수지와우레탄수지가대표적인합성수지이다. SLA 프린터에사용되는레진은 UV 경화성포토폴리머로액상이며흰색과검정, 투명한색인대표적이다.(Fig. 6)
34 한국의지ㆍ보조기학회지 : 제 9 권제 1 호 2015 Fig. 5. (A) Powder material for SLA 3D printing, (B) Nylon product, (C) Alumide product. 고제작가능한제품의크기가한정되어있다는단점이있다. 최근에는 3D 스캐너의보급으로상용제품을임의로출력하는등 3D 출력물의지적재산권침해및총기제작과같은안정성문제가이슈로떠오르고있다. 의지ㆍ보조기 3D 프린팅이슈 Fig. 6. Resin product. 4) 금속 3D 프린팅에사용되는금속재료는대부분분말형태로 SLS 방식으로성형되는데대표적으로스테인리스스틸, 금, 은, 티타늄등이있다. 스테인리스스틸은금속재료중강도가가장큰성형물을만드는데쓰인다. 그밖에세라믹 (Ceramic) 도 3D 프린팅재료로사용되며최근에는초콜렛, 설탕, 면등먹을수있는 3D 프린팅재료와기술도연구되고있으며생체프린팅 (bioprinting) 재료로생체적합성을갖는재료와세포조직등도 3D 바이오프린팅분야에서사용되고있다. 3D 프린팅의장ㆍ단점 3D 프린트는높은디자인가변성과기존공정으로생산불가능한내부가비어있거나복잡한구조도구현이가능하다는장점을가지고있다. 또한빠르고간단한성형기술로제조업공정을단축시킬수있는장점뿐만아니라생체이식형바이오프린팅으로의료분야에서활용될수있는다목적사용성의장점도가지고있다. 그러나현재의 3D 프린트산업은고가의산업용 3D 프린터와저가의보급형 3D 프린터로나뉘는데가격대에따른제작속도의차이가크 위에서밝힌 3D 프린팅의장단점들은의지보조기제작에있어서도반드시고려되어야할사항으로특히고가의산업용 3D 프린트대신저가형프린터와재료로의지나보조기를제작할경우보장되지않은강도또는내구성으로인하여사용자에게 2차피해를야기할수있으므로각별한주의가요구된다. 따라서 3D 프린팅을이분야에널리보급하기위해서는기존제작방식및재료로제작된의지보조기와 3D 프린터로제작된의지보조기의차이점을객관적으로비교평가하는연구들이선행되어야할것으로보인다. 상대적으로강도가약한보조기나스플린트의경우보급형 3D 프린터를활용하면빠른시간에저렴한제품을제작, 보급할수있는장점이있다. 그러나더견고한의지나보조기를제작함에있어서는고가형산업용 3D 프린터사용이불가피한데이러한경우장비를직접구매하는대신 3D 프린팅대행업체를이용할수도있다. 3D 스캔후얻어진 CAD 파일을수정하여인터넷으로해당업체의홈페이지에 stl 파일을업로드하면수일내로출력물을우편으로받아볼수있다. 전문의지보조기제작업체나기사가아닐지라도 CAD만다룰수있다면의지보조기를저렴하고손쉽게제작할수있게된것이다. 따라서의지보조기제작에 3D 프린터를활용하기위해전문의지보조기사에게필요한기술은단지 CAD 활용기술이라고할수있겠다. 대표적인상용 CAD 프로그램으로는 AutoCAD, SolidWorks 등이있으나 FreeCAD, SketcuUp, TinkerCad, 3DTin, AutoDesk 123D, Metasequoia, Trimble Sketchup, Rhinoceros 등과같은무료 CAD 소프트웨어도있고, 온라인무료강좌들도많이활성화되어있기때문에비용문제에서도부담을덜수있다.
황선홍 : 의지보조기인터페이스재료고찰 - 3D 프린팅기술과재료 35 맺음말 REFERENCES 3D 프린트기술은역사가 30년이나된기술이고제조업분야에서이미널리사용되어온기술이지만최근몇몇특허가만료되면서차대세산업혁명으로거론되면서이슈가되었다. 이러한분위기와추세속에서머지않아의지, 보조기전문회사에서는각종 3D 프린터를구비하고빠르고저렴하게의지, 보조기를제작할것이며, 필요하다면일반인들도무료소프트웨어, 무료공개소스그리고 3D 프린트대행업체들을통하여 DIY형의지, 보조기제작도가능해질수있다. 그러나현재까지의 3D 프린트기술과재료에는한계가있기때문에장밋빛청사진만이아니라거품도분명히존재한다. 따라서의지보조기제작에있어 3D 프린트기술을효과적으로활용하기위해서는 3D 프린팅기술에대한정확한이해와장, 단점파악, 그리고기존기술과의비교분석이선행되어야하며, 이와동시에전문교육기관에서는 CAD 활용능력을의지보조기사가습득해야할핵심기술로교육할필요가있다. 1. H SY. A study on the case of developing manufacturing techniques for orthosis using 3D printing technology: focusing on comparative study with using the splint pan. Disability & Employment 2015;25(1):79-103. 2. Lee MK. Kim Young-Jun's 3D printer (1) Is the 3D printing a vapor? or industrial innovation? http://it.donga.com/20140/ 3. 3D printing industry. 3D printing guide. http://3dprintingindustry. com 4. Angrish A. The role of 3D printing in the design and manufacturing of prosthetic device. Med Device Online 2014. 5. Lau A. CAD CAM technology in prosthetics and orthotics - a review on efficiency, efficacy, and training capability. HA Convention 2014. 6. Phillipps J. 3D printing: opportunity for technicians? The O&P EDGE 2014. 7. 3DSystems. 3D printer buyer's guide. www.3dsystems.com 8. Trevisan D. 3D printer for orthotic and prosthetic devices. 41st Academy Annual Meeting & Scientific Symposium of American Academy of Orthotists & Prosthetists. 2015. 9. 3D printing for beginners. What material should I use for 3D printing? Feb 23, 2015. http://3dprintingforbeginners.com/ filamentprimer-2/ 10. 3D printer help. What materials do 3D printers use? http:// www.3dprinterhelp.co.uk/what-materials-do-3d-printers-use/