MIT의 3D 프린팅 플랫폼, 복잡한 전기 모터를 몇 시간 만에 제작

TL;DR

• MIT 연구진이 다중 기능성 소재를 다루는 3D 프린팅 플랫폼을 개발해 5개 소재를 사용한 선형 전기 모터를 약 3시간 만에 제작하고, 후처리 한 번만으로 작동시킴.
• 플랫폼은 전기 전도성 소재와 자성 소재를 포함한 여러 소재를 처리하는 4개의 압출 도구를 갖춤.
• 프린터는 소재를 노즐로 압출해 한 층씩 쌓으며, 서로 다른 형태의 원료를 처리하도록 설계됨.
• 제작한 모터는 복잡한 제조 방식이나 추가 후처리 단계가 필요한 유사 모터와 대등하거나 더 나은 성능을 보였으며, 기기당 소재 비용은 약 50센트로 추산됨.
• 연구진은 자화 단계를 프린팅 공정에 통합하고, 회전형 모터와 더 복잡한 전자 기기의 일체형 제작으로 확장할 계획임.

현장 제작을 위한 다중 소재 프린팅

• 공장 자동화 기기의 모터가 고장 나고 교체 부품을 구하지 못하면, 수백 마일 떨어진 유통업체에서 부품을 주문해야 해 생산이 지연될 수 있음. 새 모터를 현장에서 만드는 편이 더 쉽고 빠르며 저렴할 수 있지만, 전기 기계 제작에는 특수 장비와 복잡한 공정이 필요해 생산이 소수의 제조 거점에 집중됨.
• MIT 연구진은 복잡한 기기의 제조를 더 폭넓게 가능하게 하려는 다중 소재 3D 프린팅 플랫폼을 개발함. 이 플랫폼은 전기 기계를 한 단계에서 완전히 출력할 수 있도록 설계됨.
• 시스템은 전기 전도성 소재와 자성 소재 등 여러 기능성 소재를 처리하며, 서로 다른 형태의 출력용 원료를 다루는 압출 도구 4개를 사용함. 프린터는 기기를 한 층씩 제작하면서 압출기 사이를 전환하고, 노즐을 통해 소재를 밀어내 쌓음.
• 연구진은 이 시스템으로 소재 5개를 사용해 선형 전기 모터를 몇 시간 만에 완전히 3D 프린팅했으며, 작동에 필요한 후처리는 한 단계만 수행함.
• 장기적으로는 로봇, 차량, 의료 장비용 맞춤형 전자 부품을 훨씬 적은 폐기물로 빠르게 제작하는 데 활용될 수 있음.
• 이번 연구는 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 수석 연구 과학자 Luis Fernando Velásquez-García가 선임 저자로 참여했으며, 전기공학·컴퓨터과학(EECS) 대학원생 Jorge Cañada가 제1 저자, Zoey Bigelow가 공동 저자로 참여함. 논문은 *Virtual and Physical Prototyping*에 게재됨.

“이는 대단한 성과지만 시작에 불과함. 글로벌 공급망에 의존하는 대신 현장에서 하드웨어를 한 단계로 제작함으로써 사물을 만드는 방식을 근본적으로 바꿀 기회가 있음. 이번 시연으로 이것이 실현 가능함을 보였음.”

더 많은 소재

• 연구진은 물질을 노즐로 밀어내 물체를 한 층씩 만드는 검증된 방식인 압출 3D 프린팅에 초점을 맞춤.
• 전기 기계를 제작하려면 서로 다른 기능을 제공하는 여러 소재 사이를 전환해야 함. 전류를 전달하는 전기 전도성 소재와 효율적인 에너지 변환을 위해 자기장을 만드는 경자성 소재가 필요함.
• 기존 다중 소재 압출 3D 프린팅 시스템 대부분은 필라멘트나 펠릿처럼 같은 형태의 원료를 사용하는 두 소재 사이에서만 전환할 수 있음. 이에 연구진은 기존 프린터를 개조해 각기 다른 원료 형태를 다루는 압출기 4개를 장착함.
• 연구진은 각 소재의 요구 사항과 제약을 고려해 압출기를 설계함. 예를 들어 전기 전도성 소재는 유전체 소재가 손상될 수 있으므로 지나치게 높은 열이나 자외선을 쓰지 않고 굳힐 수 있어야 함.
• 성능이 가장 좋은 전기 전도성 소재는 잉크 형태로 제공되며 압력 시스템으로 압출됨. 이 방식은 가열 노즐로 녹인 필라멘트나 펠릿을 밀어내는 일반 압출기와 요구 조건이 크게 다름.

“압출이라는 동일한 프린팅 방식의 여러 구현을 하나의 플랫폼에 매끄럽게 결합하는 방법을 찾아야 했으며, 상당한 엔지니어링 과제가 있었음.”

• 연구진은 전략적으로 배치한 센서와 새로운 제어 프레임워크를 적용함. 이를 통해 플랫폼의 로봇 팔이 각 도구를 일관되게 집어 들고 내려놓으며, 노즐이 정밀하고 예측 가능한 방식으로 움직임.
• 이 제어 방식은 각 소재 층이 정확히 정렬되도록 함. 미세한 정렬 오차만으로도 완성된 기기의 성능이 저하될 수 있음.

모터 제작

• 연구진은 프린팅 플랫폼을 완성한 뒤 회전 모터와 달리 직선 운동을 만드는 선형 모터를 제작함. 선형 모터는 픽앤플레이스 로봇, 광학 시스템, 수하물 컨베이어 등에 사용됨.
• 모터 제작에는 약 3시간이 걸렸으며, 완전히 작동시키기 위해 프린팅 후 경자성 소재를 자화하는 단계만 추가로 필요했음. 연구진은 기기당 전체 소재 비용을 약 50센트로 추산함.
• 3D 프린팅 모터는 복잡한 유압 증폭기에 의존하는 일반적인 선형 엔진보다 몇 배 더 큰 구동력을 낼 수 있었음.

“이 엔진과 성능에도 고무돼 있지만, 전자 제품 제조 방식을 크게 바꿀 수 있는 수많은 가능성 가운데 하나라는 점에도 같은 만큼 고무됨.”

• 연구진은 앞으로 다중 소재 압출 공정에 자화 단계를 통합하고, 완전 3D 프린팅 회전 전기 모터를 시연하며, 플랫폼에 도구를 추가해 더 복잡한 전자 기기를 일체형으로 제작할 계획임.
• 연구비는 Empiriko Corporation과 La Caixa Foundation이 일부 지원함.
• 논문 제목은 “Fully 3D-Printed Electric Motor Manufactured via Multi-Modal, Multi Material Extrusion”임.