'더 이상 유행어가 아닙니다': 3D 프린팅이 의료 분야에서 성과를 내는 방법
3D 프린팅은 더 이상 유행어가 아니라 업계 표준입니다. 의료 분야에서 3D 프린팅의 원동력을 알아보세요.10년도 채 되지 않아 3D 프린팅(적층제조)은 의료 산업 컨퍼런스의 뜨거운 화두에서 생산 라인으로 자리를 잡았습니다. 현재 선도적인 정형외과 제조업체는 3D 금속 프린팅을 사용하여 연간 수십만 개의 인공 고관절을 생산하고 있으며, 이전에는 불가능했던 복잡한 모양을 만들 수 있게 되었습니다.
심각한 사고나 골암(골종양) 피해자를 위한 맞춤형 대체 뼈를 제작하는 곳도 있습니다. 실제 제조에 전통적인 기술을 사용하는 생산업체들도 제품 개발 속도를 높이기 위해 3D 프린팅을 활용하고 있습니다.
아일랜드 의료 산업의 주요 공급업체인 세코의 자회사인 프리미어 공작 기계(Premier Machine Tools)의 전무이사 시아란 딜레인은 "10년 전에는 이 기술에 대해 이야기했고, 5년 전에는 장난삼아 사용했지만 지금은 대량 생산에 사용하고 있습니다."라고 말합니다.
"더 이상 유행어가 아니라 업계 표준이라고 생각합니다."
의료 산업에서 3D 금속 프린팅에 사용되는 주요 기술은 레이저 분말 베드 융합(LPBF)으로, 미크론 두께의 금속 분말 층을 베드에서 성장하는 부품 위에 브러싱하고 레이저를 사용하여 융합하는 방식입니다.
3D 금속 프린팅은 기존의 단조나 밀링으로는 불가능한 복잡한 스펀지나 격자 구조를 제작할 수 있어 엉덩이, 무릎, 어깨와 같은 관절의 교체 부품이나 두개골 손상을 복구하기 위한 매쉬(mesh)를 제조하는 정형외과 업계의 표준 방식으로 자리 잡고 있습니다.
격자는 티타늄이 뼈와 만나는 곳에 배치되며, 티타늄은 격자를 통해 길을 찾고 딱딱한 표면에 부딪히면 성장을 멈춥니다. 이 '뼈 성장' 기술은 이전의 '뼈 성장' 기술보다 뼈와 인공 부품 간의 결합력을 높이고 뼈 시멘트의 필요성을 제거하여 감염 위험을 줄입니다.
"모든 정형외과 제조업체가 이 기술의 자체 버전을 보유하고 있으며, 지난 5년 동안 크게 확장되었습니다."라고 딜레인은 말합니다.
대부분 티타늄 분말을 사용하는데, 티타늄 분말은 뼈와 유사한 탄성을 가지고 있으며 크롬이나 철을 포함한 합금과 달리 생체 적합성이 완벽합니다. 세코의 모기업인 샌드빅은 2,000개 이상의 금속 분말을 제공하며, 그 중 현재 50개에 가까운 제품이 3D 프린팅용입니다.
3D 금속 인쇄 티타늄이 척추 케이지의 폴리머를 대체하는 척추 임플란트에도 3D 프린팅이 사용되기 시작했습니다. 특정 환자나 수술에 맞는 특수 수술 도구를 만드는 데 사용됩니다.
"치과 분야는 훨씬 더 빠르게 변화하고 있다고 생각합니다. 치과 분야는 부품이 작고 공차가 치명적이지 않기 때문입니다."라고 세코의 글로벌 비즈니스 개발 관리자(의료)인 앤드류 필딩은 설명합니다. "향후 몇 년 안에 시장의 50~60%에 달할 것입니다."
세코의 적층 제조(3D 프린팅) 부서 R&D 매니저인 잉게마르 바이트(Ingemar Bite)에 따르면, 이러한 모든 경우에 부품을 프린팅한 후 정확한 최종 형상과 올바른 표면 조도를 얻기 위해 가공을 해야 합니다.
"공정 직후에는 자연적인 다공성 표면을 갖게 되기 때문에, 높은 인장 응력을 받거나 기하학적 공차 또는 표면 조도에 대한 요구 사항이 있는 모든 표면을 가공해야 합니다."라고 그는 설명했습니다.
즉, CAD 단계에서도 기계 가공을 염두에 두고 부품의 형상을 작성해야 하며, 제조업체는 세코가 제공하는 전문가의 도움을 받을 수 있습니다.
스웨덴 스톡홀름에서 북서쪽으로 175km 떨어진 파거스타에 위치한 세코의 시설에서 잉게마르 바이트(Ingemar Bite)의 팀은 2018년 세코가 첫 번째 LPBF 장비를 인수한 이후 3D 프린팅 엔지니어링을 연구해 왔습니다.
"지금까지는 고객과 내부에서 평가와 현장 테스트를 거치며 개발 중입니다. 이제 우리는 프로세스가 매우 안정적이며, 이 기술을 가지고 고객에게 다가갈 수 있을 만큼 충분한 지식을 갖추었다고 생각합니다."라고 바이트(Bite)는 말합니다.
이 회사는 이전에도 3D 프린팅을 사용해 왔지만, 샌드비켄의 적층 제조 센터와 협력하여 첫 번째 3D 프린팅 제품인 절삭유 클램프를 만들었습니다.
2017년에 출시된 이 클램프는 기존 공구로는 불가능한 곡선 채널을 통해 절삭유를 절삭날의 특정 지점으로 전달할 수 있습니다.
세코는 올해 초 필요에 따라 재건축한 시설로 3D 프린팅 생산과 R&D를 모두 이전했습니다.
"제가 보기에 3D 프린팅은 아직 배우고 평가할 것이 많으며, R&D와 생산이 한 지붕 아래에서 긴밀하게 협력하는 것이 많은 이점을 제공합니다." 라고 바이트(Bite)는 말합니다. "또한 장비의 유연성이 향상되고 프로세스를 더 잘 제어할 수 있습니다."
세코는 특히 고객이 이 방법으로만 달성할 수 있는 더 나은 해결책을 필요로 하는 경우, 기존 가공을 위한 맞춤형 공구를 생산하는 데 3D 프린팅을 사용하는 것을 목표로 합니다.
또한 독특한 포켓, 기능 또는 절삭유 분사구가 있는 공구의 프론트엔드(공작물 방향 결합부 또는 가공부)를 기존 방식으로 가공된 백엔드(장비 방향 결합부)에 직접 3D 프린팅하는 하이브리드 공구를 개발하고 있습니다.
이를 통해 세코는 매우 까다로운 응용 분야에서 인서트 및/또는 기타 공구를 사용하여 형상에 접근하거나 다른 방법으로는 매우 어려운 재료를 가공할 수 있습니다.
3D 프린터로 제작된 공구에는 다른 장점도 있습니다. 대부분의 경우 전체 무게의 20% 정도는 공구의 성능에 영향을 주지 않고 제거할 수 있습니다. 기존 방식으로 가공된 백엔드(장비 방향 결합부)에 3D 프린팅을 하면 생산 시간을 단축할 수 있습니다.
특히 공구의 오버행이 긴 경우, 무게를 줄이면 공구의 패시브 다이나믹 댐핑 효과를 높일 수 있어 공구의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
일부 제조업체에서는 대량 생산에 이 기술을 사용하고 있지만, 환자별 해부학적 데이터를 기반으로 설계된 임플란트, 보철물, 수술용 가이드 등 맞춤형 제작이 필요할 때 그 진가를 발휘합니다.
딜레인은 이것이 심각한 사고나 골암 피해자를 위한 부품 생산의 표준 관행이 될 것으로 기대하고 있습니다. "병원에서 CT 스캔을 하면 뼈의 상태를 파악한 다음 정형외과 제조업체 중 한 곳에 스캔 형태로 전송합니다. 하룻밤 사이에 리버스 엔지니어링을 거쳐 3D 프린터로 24시간 내에 출력할 수 있습니다. 그리고 36~48시간 안에 퇴원할 수 있을 것입니다." 임플란트를 받을 때 환자들이 익숙한 빠른 처리 시간을 통해 보철물을 위해 병원에서 기다려야 하는 시간을 줄일 수 있습니다.
다른 산업에서는 짧은 처리 시간으로 제품 개발 속도를 높일 수 있습니다. 세코는 최근 한 글로벌 정형외과 제조업체가 단 6주 만에 첫 번째 설계에서 완전 가공된 대퇴골 부품을 생산할 수 있도록 지원했습니다. 최종 부품은 전통적인 방식으로 단조 및 가공되지만, 적층 가공을 사용하여 프로토타입을 제작하면 개발 시간을 절반 이상 단축할 수 있습니다.
향후 10년 내에 3D 프린팅은 정형외과 및 치과 분야에서 기존 기술을 추월할 것으로 보이며, 개별 환자에게 맞춤화된 부품이 더욱 보편화되고 처리 시간도 더욱 빨라질 것입니다. 이 기술은 또한 성장하는 어린이를 위한 척추 케이지 및 인공 무릎과 같은 새롭고 복잡한 기계 부품을 가능하게 하고 칩을 더 쉽게 삽입할 수 있게 해줄 것으로 보입니다. 마지막으로 3D 프린팅과 기존 밀링 기술을 대체할 수 있는 새로운 기계가 등장하고 있습니다.
"우리는 더 이상 가공에 대해 이야기하지 않습니다. 저희는 '부품 형성’에 대해 이야기합니다."라고 딜레인은 설명합니다. "3D 프린팅과 절삭 가공은 서로 밀접하게 연결되어 있기 때문입니다."
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