시카고 대학교 물질 형상 연구의 3D 프린터 활용 사례

기타 연주의 재밍이 아닙니다. 재료 공학에서 “재밍”이란 입자상 물질(예: 모래) 속 알갱이 집단의 부피가 jamming-1아주 작아져서 알갱이끼리 서로 맞물려 움직이지 못하게 되는 상태를 일컫는 말입니다. 물질은 알갱이의 형태에 따라 강도, 유연성, 마찰력 등 여러 가지 특성을 발휘합니다.  이해하셨다면 계속하겠습니다…

Heinrich Jaeger는 시카고 대학교 물리학 교수입니다. 실험응집물질을 탐구하는 연구소를 운영하고 있습니다. 이 연구소 프로젝트 중에는 입자상 재밍을 실용적 용도로 활용하는 방법을 연구하는 것도 몇 가지 있었습니다. 중요한 비디오 두 편을 든다면 JamBotUniversal Jamming Gripper가 있습니다.

Jaeger 교수와 연구생들은 무작위로 포장한 알갱이나 입자를 어떤 형상으로 배열해야 원하는 특성에 가장 적합한지 밝히고 싶어합니다. 과거의 방식대로 한다면 이전의 경험을 바탕으로 여러 가지 형상들을 일일이 탐구해야 합니다. 찾을 수 있는 형상 또는 ‘수많은’ 대학원생들이 손으로 만든 형상의 한계를 벗어날 수 없습니다.

그러다가 3년 전에 Jaeger 교수는 대학원생 Marc Z. Miskin과 함께 3D 인쇄를 이용해 “재밍”과 형상의 구조적 특성을 연구하기 시작했습니다. 두 사람은 전혀 다른 방식으로 문제에 접근하는 컴퓨터 알고리즘을 개발했습니다. 특정 형상으로 시작해 그 특성을 평가하는 대신 규정된 목표나 일단의 변수를 가지고 가능한 형상의 공간을 “찾아” 권장 형상을 제시하는 방식입니다. 이 알고리즘은 사람의 경험이나 편견에 기대지 않기 때문에 예상치 못한 해결책과 복잡한 형상을 무수히 만들어냅니다.

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더 저렴하게, 더 빠르게, 더 복잡하게

이 알고리즘을 이용한 연구에서 3D 인쇄는 없어서는 안 될 요소가 되었습니다. 입자를 형상이 불규칙한 수 천 가지로 직접 만들어 내기란 불가능에 가까웠습니다. 그러나 원하는 입자로 된 3D 모형을 만들어 정교한 3D 프린터로 신속하게 인쇄하기는 비교적 간단했습니다. 3D 인쇄된 입자는 시간과 돈의 절약 뿐만 아니라 손으로 만든 것보다 형상이 더 정교하다는 장점도 있었습니다. 연구팀은 또 컴퓨터 알고리즘이 형상을 “만든” 일단의 입자를 가지고 물리적 실험과 시험을 할 수도 있었습니다.

그 결과 Jaeger 교수의 연구실은 시카고 대학교 최초로 3D 프린터를 구비하게 되었습니다. 연구실에서 선택한 프린터는 Stratasys Objet Connex350 복합 재료 3D 프린터였습니다. Jaeger 교수가 Objet Connex350를 선택한 이유에는 몇 가지가 있었습니다.

  • 복합 재료 능력 (복수의 특성을 지닌 입자도 가능)
  • 재료의 디지털 혼합 (독특한 재료 창조)
  • 뛰어난 해상도

실제로 Jaeger 교수는 “재료의 범위와 재료의 디지털 혼합 모두 탁월하다”며 크게 만족해 하고 있습니다.

Connex 계열 3D 프린터로 3D 프린팅을 시작하면서 어떤 점이 가장 놀라웠는지 묻자 Jaeger 교수는 몇 가지를 언급했습니다. 첫 번째는 신속성과 신뢰도였습니다. Jaeger 교수는 10,000 입자 묶음 여럿을 3D로 인쇄하는 속도를 보고 깜짝 놀랐다고 했습니다. 이제는 밤새 3D 프린터에게 일을 맡겨 놓고 다음 날 아침에 와서 입자를 닦아 내기만 하면 됩니다. Jaeger 교수는 또 Objet Connex 3D 프린터에 딸려 오는 소프트웨어도 아주 좋고 쓰기 쉽다고 했습니다.

향후 계획

Jaeger 교수와 연구생들은 앞으로 3D 인쇄를 어떻게 이용할 계획일까요? Jaeger 교수에 따르면 강한 형상을 찾기 위해 해야할 일은 아직도 많습니다. 현재 입자상 물질 분야에서 다음 물결의 개발에 매진하고 있는 Jaeger 교수는 복수의 재료를 디지털 방식으로 혼합하는 능력이 앞으로 더욱 더 중요해질 것으로 내다보고 있습니다.

더불어 3D 프린팅은 시제품 생성과 특정 조각 및 부품(전문 브라켓과 홀더 등) 개발 등 연구실의 다른 분야뿐만 아니라 연구에 필요한 기타 물체의 3D 인쇄까지도 적용 분야를 넓히고 있다고 말했습니다.

Jaeger 교수의 건승을 기원합니다.

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