적층가공, ‘제조 진화’ 길목에 들어서다

최근 적층제조기술을 활용하는 선진 제조기업들이 어떻게 부품/제품을 설계하고 디자인할 것인가에 대한 도전과 검증의 결과를 도출하며 적층제조에 의미심장한 변화가 일고 있다.

성공적인 검증의 사례들이 결과적으로 생산성을 향상하고, 제품 개발 주기를 단축하고, 비용을 절감한다는 베스트 프랙티스로 인정되며 제조혁신을 촉진하고 있다.

이와 더불어 3D프린터 기업들은 소량 생산을 위한 합리적인 가격의 제품군에서 대규모 양산을 위한 공장자동화 솔루션을 다양한 엔지니어링 플라스틱 및 산업용 상용 금속 소재들과 함께 제공하고 있다.

또한, 대규모 화학공정 기업 및 분말야금 기업들 또한 적층제조 소재 산업에 뛰어 들고 있으며, CAD.CAE 기업에서 적층 제조 모듈 또는 플러그인을 개발 또는 공급하기 시작했다.

솔루션 공급업자들이 고객의 수요 요구에 반응하며 적층제조 기술과 활용을 위한 생태계 구축에 가속도가 붙고 있다.

이러한 일련의 트렌드에 따라 적층제조 도입과 적용을 고민하는 제조 산업계를 위해 적층 가공 최적화 설계를 위한 주요 핵심포인트를 함께 재확인하며 적층가공 최적화 설계를 위한 통합적인사고와 접근을 제안하고자 한다.

■ 적층가공 최적화 설계, 광범위의 생산성 극대화

오늘, 적층 제조에 있어서 선진 제조 기업들이 생산하는 베스트 프랙티스라는 건 어떤 것인가라는 화두의 중심에는 ‘적층가공 최적화 설계 - DfAM (Design for Additive Manufacturing)’ 가 있다.

적층가공 최적화 설계란 무엇이며 어떻게 접근할 수 있나? ‘적층가공 최적화 설계’ 란 결국 적층가공이라는 제조공법의 특장점을 극대화해 제품생산에 있어서 시간적 및 비용적 생산성을 극대화하는 공정이라 하겠다.

즉, DfAM은 제품 개발 및 제조 공정상에서 공정의 단계를 최소화하고, 제품의 기능적, 성능적 효과를 극대화해 ‘현재 제품 보다는 업그레이드된 성능의 제품을 보다 빠르게 낮은 단가로 양산하기 위해 적층가공 기술을 접목한 설계 접근법’이라고 할 수 있겠다.

또한 기존공정의 한계로 접근하지 못한 기능적, 심미적 형상 구현에 대한 도전 역시 제품을 고부가가치화 한다는 맥락에서 광범위의 생산성 극대화라 하겠다.

■ 공정 단축을 통한 설계 최적화 설계

이 경우 통합 일체형 설계접근 연습, 표면 처리작업을 설계에 반영하는 접근, 복합 소재를 이용한 일괄 가공 등을 고려해 볼 수 있겠다.

유기적인 부품통합화를 통한 일체형 제품 설계 접근을 추구하는 경우 창의적이고도 논리적인 고민과 더불어 꾸준한 연습의 과정이 필요하다. 기존의 제조 공법은 제품을 대상으로 기능단위의 인수분해를 통해 제품을 개별 부품화하고, 개별 부품을 다시 최소 프리미티브 형상 단위로 추가 세그먼트하고 추가적인 피쳐를 구현했다.

이에 따라 개별 부품 단위,개별 프리미티브 형상 단위,개별 피쳐 단위가 모두 공정의 단계가 돼 설비,툴,라인의 확장을 요하게 된다.

적층제조 도입·적용 고민, 최적화 설계로 타파
‘공정단축·성능향상·심미성 강화’ 구현해

적층가공은 절삭,사출,주조 가공에서 경험하던 제한요소를 상당히 제거하는 공법을 구사하는 관계로 형상 또는 기능적 부품을 어떻게 유기적으로 통합할 것인가라는 새로운 설계 접근방법과 창의성에 따라 제조기업들의 양산 설비, 공정, 생산 툴, 조립라인 등을 파격적으로 감소 할 수 있게 한다.

또한, 패턴 작업과 같은 디지털 표면 처리 작업을 부품/제품 성형과정에서 일괄 수행할 수 있도록 디지털 표면 처리 작업을 설계 데이터에 반영하여 공정을 단축 해나갈 수 있다.이로써 표면 처리를 위한 추가적인 레이저가공, 에칭등의 작업 공정을 단축 할 수 있다.

■ 복합 소재를 이용한 일괄가공 작업의 경우

이 경우 공정 단축의 또 다른 하나의 획기적인 축이기는 하나 아직은 설비 개발 제조사 및 소재 개발 제조사들의 연구와 개발이 요구되는 단계이다.

현재 상용화 제품 수준에서는 플라스틱 소재와 탄성 소재를 혼합 성형 또는 프라스틱 소재에 강성을 더하기 위해 카본파이버,알루마이드등을 충진한 소재가 공급되는 정도이다. 해당 분야에 대한 활발한 연구와 더불어 복합 소재성형 설비들의 빠른 상용화를 기대해 본다.

■ 성능 향상을 원하는 경우

성능의 향상이라는 측면에서의 적층가공 설계 최적화 방법은 기존에 사용하던 다양한 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어의 도움을 받을 수 있다.

유한 요소 해석 작업은 제품이 실제적인 힘, 진동, 열, 유체흐름 및 기타 물리적효과에 어떻게 반응하는지에 대한 시뮬레이션을 통해 최적의 참조형상을 제공해준다. 다양한 산업군의 생산현장에서 이러한 시뮬레이션을 해석한 참조형상을 구현하고자 많은 노력을 해왔지만, 그동안은 기공공정의 한계 또는 불편함으로 인해 제품화 하지 못했다.

그러나, 오늘날 복잡한 형상을 구현 할 수 있는 가공자유도가 높다는 적층가공공법이 제조공정에 적용 되면서 시뮬레이션 해석 결과를 제조로 연결하고 있다.

유한 요소 해석을 이용한 설계 최적화를 접근하는 경우, 해석 조건의 설정에 따라 상이한 참조모델이 나오게 되는 관계로 해석조건에 대한 변수 선정작업에 대한 논리적인 연구와 연습의과정을 상당히 요하게 된다. 또한, 해석의 결과로 산출 된 참조 형상 자체가 참조 형상의 수준이기 때문에 가공무결성을 가진 설계데이터로 재설계하는 과정을 필수로 하게 된다. 재설계 작업에서 사용자경험을 최적화해주는 소프트웨어의 선정이 업무효율성을 극대화하는데 중요한 요소라 할 수 있겠다.

■ 경량화를 원하는 경우

경량화 또한 간과할 수 없다, 오늘날 세계화, 도시화의 경제 구조에서 소비자들은 제품 구매 선정시 이송, 모바일, 웨어러블이라는 소비자의 경험을 최적화하는 수단으로 또는 에너지 소모량을 최소화해 제품의 친환경화를 추구하는 수단으로 경량화 제품을 선호하게 됐다. 이에 따라 경량화는 오늘날 제품들의 주요성능 기준의 하나가 됐다.

경량화를 통한 성능 향상 최적화 또한 유한 요소 해석 작업인 시뮬레이션을 통해 기능적인 물리적 조건을 충족하면서 최소 중량을 유지하는 프로세싱 기법을 적용하게 된다. 여기에 중량을 줄이면서 강성를 구조화하는 경량화 패턴의 구현이 중요한 요소로 작용하게 된다.

해석 작업 이후 참조형상을 기반으로 설계 데이터를 재설계하고 경량화를 구조화하는 소프트웨어의 알고리즘 및 사용자 편의성이 상당히 중요하다.

중량을 줄이면서 강성을 구조화하는 경량화 패턴 구조는 수천 또는 수백만년간 진화를 거듭해온 자연계에서도 찾아볼 수 있다. 이러한 이유로 경량화 구조 설계를 접근하는 과학자와 엔지니어들은 자연 모방 설계방법을 연구하고 있다.

■ 심미성 향상을 위해서는

적층 가공 최적화 설계 작업의 마지막 목표인 심미성 향상의 기능은 앞서 언급된 성능 형상 기능과 더불어 제품을 고부가가치화 하는데 크게 기여하는 중요 설계요소라 할 수 있다. 무한한 심미성을 추구하고자 하는 디자이너의 운명적 습성과 공정을 최소화. 단순화해 생산성을 극대화하고자하는 엔지니어의 운명적 습성은 제품 개발 과정에서 항상 대립되는 두 검객이다.

그러나 적층가공 공법에서 강조되는 복잡한 형상 구현의 자유도라는 특징은 심지어 고정 생산 비용으로 가능한 일이라 디자이너와 엔지니어를 협업의 장으로 인도하며 제품에 고부가가치라는 생명력을 부여하게 된다.

그 동안의 디자인, 설계 작업들은 제조공법이 가지는 한계에 닫히게 되면서 우리가 흔히 기계부품이라고 인식하게 되는 디자인의 고정 관념을 각인해왔다. 오랜 산업화 기간 동안 숙련 되고 익숙해진 설계에 관한 우리의 습관을 일시에 뛰어 넘기는 어렵지만 우리는 이미 다양한 패션 아이템 또는 생활 아이템에서 자연 향상을 모방한 새롭고도 매력적인 제품을 만나고 있다.

이러한 새로운 디자인 방법에 대한 도전은 기능성 소비 제품으로 확산돼 새로운 설계 방식에 대한 도전으로 진화하고 있다.

기본 기하 형상의 자동 생성 또는 확장 생성이라는 알고리즘 설계 기법들 또한 세계의 주요 설계 연구실에서 연구 및 실험적인 제품 개발에 접목되고 있다. 자연 모방 설계의 기술과 기하 형상의 자동 확정 생성 기능의 발전은 향후 제품 개발에 있어 설계 자동화를 구현하는 주요 요소가 될 수 있을 거라는 다소 과격한 예측을 던져 본다.

■ 3D시스템즈, 설계 및 제조 엔지니어의 ‘길잡이’

이상으로 적층가공 최적화 설계를 위한 설계측면에서의 주요 핵심 요소를 살펴보았다, 적층가공 설계 최적화를 접근하는 설계 및 제조 엔지니어분들은 다각적인 측면에서 최적화과정을 통합적으로 고찰하고 현장에 접목하는 데 도움이 되길 기원한다.

적층설계 최적화를 고민하면서 단순히 툴에 의존하다 보면 일부 툴이 생산한 결과물이 최적화 설계의 궁극으로 잘못 인식 되는 경향이 있다.

궁극의 생산성 극대화를 위한 통합 설계, 디지털 표면 처리의 반영, 복잡한 형상에 대한 자유도를 과학적으로 구현하는 방법 등을 가장 효과적인 사용자 경험으로 구현하는 방법에 대한 고찰과 연습을 통한 숙련의 과정이 함께 동반되길 기원하면서 3D시스템즈(SYSTEMS) 역시 적층 제조 전문 솔루션 공급 업체로서 이러한 고찰과 숙련의 과정을 함께 응원 및 지원해 나갈 계획이다.

3D시스템즈는 각 제조 산업군에서 적층제조 도입거증을 보다 활발하게 전개 할 수 있도록 양산급 공장형 3D 프린터 설비의 개발, 다양한 엔지니어링급 소재의 개발과 더불어 글로벌 CIC(Customer Innovation Center)와 함께 적층가공 최적화 설계 및 적층 가공 공정 개발 및 연구 프로젝트를 진행 하고 있다.

▲ DfAM. 통합 일체형 설계(출처 :인젝터 , 블레이드 , 듀얼 노즐 일체형 통합 적층 가공 . 3D SYSTEMS)

▲ 뉴 밸런스 커스텀 미드솔 설계 및 제조, 자연 모방 설계 사례 (출처 : 3DSYSTEMS)