적층해석 도입 원년, 적층제조시대 가속 엔진을 달다

◇연재순서

(1)전시회 총괄 평가 (강민철 3D프린팅연구조합 상임이사)
(2)금속소재와 부품 응용 (정재원 재료연구소 선임연구원)
(3)산업용 플라스틱 소재의 활용과 전망 (김윤철 성균관대 교수)
(4)적층제조의 세라믹부품 개발현황과 기술적 이슈 (홍찬우 일루미네이드 이사)
(5)경량화와 효율 향상을 위한 설계기술과 S/W 개발 동향 (신화선 전품연 책임연구원)
(6-完) 전문가 현장 간담회

폼넥스트(Formnext) 2018 전시회에서 적층제조 소프트웨어(SW) 전통 강자들인 머티리얼라이즈(Materialise), 오토데스크(Autodesk), 3D시스템즈(3DSystems) 등은 대형 부스를 꾸려 참관객들에게 위압감을 주었다. SW 제품 대신 출력물 전시만 하고 있는데 마치 ‘날 사용하면 당신도 이 정도 만들 수 있어’라고 외치는 듯하다. 적층제조는 이제 자신들 SW로 모두 끝났다는 듯 압도적이다. 이러한 분위기 속에 SW분야 물밑에서 일어나고 있는 주목할 만한 변화를 소개하고자 한다.

적층제조 SW 강자들은 보다 강화된 기능을 제공하여 통합 SW 솔루션을 바탕으로 시장 지배력을 확대하고 있었다. 머티리얼라이즈는 산업별 응용 사례를 가이드라인으로 제시하고 출력 결과물은 물론 협력 사 장비·소재 추천에 주력하였다. 물론 서포트 전문 SW인 e-Stage 제품 성능을 보여주는 출력물 전시도 병행하였다. 오토데스크는 대형 선박 프로펠러를 전시해 눈길을 끌었다. 다만 머티리얼라이즈의 아성에 대항하는 Netfabb SW 제품군을 전면 모니터에 띄워 두었다. 3D시스템즈는 ‘Figure 4’ 장비를 중심으로 생산 자동화에 주력하면서 자사 재료로 출력한 결과물과 장비를 전시하였다.

▲ 폼넥스트 2018에서 세계적인 적층제조 SW 강자인 (左부터) 머티리얼라이즈, 오토데스크, 3D시스템즈 등이 대형 부스를 구축했다.

한편에선 SW 강자들에 대항하는 자체 SW 개발 열풍이 불고 있었다. 장비 업체를 중심으로 자사 장비·재료 특성을 SW에 반영하는 자체 솔루션 개발 의지를 강하게 보였다. 각 업체들은 자사 노하우를 보호하는 측면에서도 적극적이었다. HP, 데스크탑 메탈, 엔비전텍(EnvisionTec), Formlabs, DWS, XYZ Printing, XJet 사는 자체 SW를 개발·제공하고 있으며 사내 SW 개발팀이 있다고 응답하였다.

GE 사는 출력전략(Build Strategy)과 출력공정(Build Process)을 구분하는 출력 SW 솔루션을 구성하였다. EOS, Renishaw, 트럼프(Trumpf) 사는 모니터링 시스템을 강화하여 출력되는 상태·조건 등을 바로 확인하고 공정에 반영하는 솔루션을 개발하였다. 지멘스(Siemens)는 장비 네트워크 기반 공정 자동화는 물론 제품 생산 전주기 관리용 디지털 트윈(Digital Twin) SW 솔루션에 주력하고 있었다.

자체 SW 개발 경쟁에 강자들이 던지는 차별성이 있다. 바로 적층해석(Build Simulation) 기술이다. 기존 출력 SW 제작사(머티리얼라이즈, 오토데스크, 3D시스템즈 등)는 물론 CAE(Computer Aided Engineering·컴퓨터 응용공학) 관련 SW 제작사(ANSYS, Altair 등)가 적층해석 SW 엔진을 탑재하여 발표하기 시작했다. 적층해석 기술은, 기존 유한요소해석(FEM) 기반 완성품 구조해석과 달리, 각 층별 출력 과정을 예측·시뮬레이션 하는 기술이다. 즉 성형 제품 안정성 측면이 아닌 적층 성형 성공 여부를 판단하는 기술이다. 적층해석 기술이 탑재된 SW 제품이 대부분 2018년에 출시하였기 때문에 2018년을 ‘적층해석 도입 원년’이라 부를 수 있다. 다음 표는 SW 제작사별 SW 제품과 적층해석 탑재 현황을 보여주고 있다.

▲ 적층제조 SW 제작사 별 적층해석 탑재 현황(상기 자료는 공식 발표가 아닌 공개된 자료를 바탕으로 필자가 유추하였기 때문에 사실과 다를 수 있음)

머티리얼라이즈는 1990년에 창업하여 약 28년째 적층제조 출력 SW를 개발하고 있다. ‘3D프린팅 업계 마이크로소프트’라고 불릴 정도로 시장에서 독점적 지위를 차지하고 있다. 최근 MSC Software 사와 제휴하여 Simufact 엔진을 매직스(Magics) 제품에 통합하였다. 적층제조 시 금속 열 변형 예측·보정과 열 배출 기반 서포트 생성 기능 등을 제공하고 있다. 머티리얼라이즈는 불과 몇 년 전까지만 해도 도입 계획이 없다고 한 CAE 기술 도입으로, 그 동안 공정 개발자에게 부담을 전가했다는 사실을 인정한 셈이다.

오토데스크는 2015년 Netfabb사를 인수하면서 본격적으로 적층제조 시장에 뛰어 들었다. 오토데스크는 독자 SW 라인업을 구축한 3D시스템즈를 제외하면 유일하게 머티리얼라이즈와 SW 대응 경쟁력이 있는 회사다. Netfabb 제품을 통해 메시(Mesh) 오류 검증·보정을 비롯한 메시 데이터 처리 관련 독보적인 기술을 확보하였다. 2016년 Pan Computing 사 인수 이후 적층해석 기술 투자도 확대하고 있다.

3D시스템즈는 1986년 설립하여 SLA를 시작으로 3D프린팅 기술을 시작한 회사다. 척 헐 창립자는 ‘3D프린팅 기술 아버지’로 불린다. 현재 미국 회사로서 금속 적층제조 강국 독일과 경쟁하는 대표적인 회사다. 특히 3D시스템즈는 SW 개발도 자체적으로 수행하고 있어 장비·소재·SW 풀 라인업을 갖추고 있다. 자체 SW를 개발하기 때문에 적층해석 기술도 발 빠르게 대응하여 탑재하였다. 외부 솔루션을 도입했다는 발표가 없어 자체 기술로 추정한다.

앤시스(ANSYS)는 CAE SW 업계 최고 강자로 최근 ‘ANSYS Additive Suite’ 제품을 출시하여 적층제조 시장에 영향력을 확대하고 있다. 특히 적층해석 기술과 관련하여 자체 개발보다는 3DSim 사를 인수하여 재빠르게 기술을 확보하였다. 전시회에서는 ANSYS 제품 위주로 설명하여 3DSim 엔진을 공개적으로 드러내지 않는 모습이었다. 알테어(Altair)는 CAE SW 업계에서는 엔시스 보다 작지만 적층제조 시장에 먼저 진입하였다. 위상최적화를 전문으로 하는 Inspire 사를 인수하여 다양한 사례 연구를 도출하여 입지를 굳혔다. 최근 Amphyon 사와 파트너 계약을 맺고 적층해석 기술을 지원하고 있다. HyperWorks 제품을 사용하면 Amphyon 적층해석 포함 전체 워크플로우를 다룰 수 있다. 알테어는 위상최적화 등을 포함한 설계 혁신 출력물 위주로 전시를 진행하였다.

▲ 머티리얼라이즈, 오토데스크, 앤시스는 적층해석 기술을 확대하고 있다.

선도기업 적층 예측·시뮬레이션 출시, 출력성공률 높여 제조업 적용 확산
위상최적화·경량화 전문 SW시장 형성, 설계 전문가 시장 진입 가속화

다른 관점에서 이번 전시회에 새롭게 등장한 흐름은 ‘위상최적화·경량화 전문 SW’다. 기존에는 알테어, 머티리얼라이즈, 오토데스크, 3D시스템즈 제품으로 적층제조 기반 설계 혁신용 3D모델을 개발하였다. 그런데 독일을 비롯한 유럽과 미국을 중심으로 적층제조가 현실로 인지되었다. 이에 따라 적층제조 모델링만 전문으로 하는 SW 시장이 열렸다. 이들 SW는 간결함과 쉬운 사용을 위주로 사용자를 공략하는 특징이 있다. 위상최적화·경량화 전문 SW 등장으로 설계 전문 SW시장이 열린 셈이다.

nTopology 사는 사용자 편의 GUI를 강점으로 하여 격자구조(Lattice) 생성에 초점을 둔 전문 SW다. 크게 Modeling, Lattices, Simulations, MATH, Utilities 탭을 갖추고 있다. 이를 통해 위상최적화를 포함한 간단한 모델링부터 전문 격자구조 생성, 출력 성공을 위한 시뮬레이션 등 간결하지만 적층제조 전용 모델러 SW 핵심 특징을 대부분 포함하고 있다. 실제로 nTopology SW를 이용하여 경량화한 출력물을 전시하였는데 깔끔한 격자 생성이 인상적이었다.

Generate 사도 nTopology 사와 유사하게 위상최적화를 주요 초점으로 두고 있었다. Generative Engineering을 표방하여 주요 사례 연구를 전시하였다. 위상최적화에 한정된 부분과 친숙하지 않은 GUI는 nTopology 사에 비해 부족하였으나 알고리즘 성능은 사용해 봐야 판단할 수 있을 듯하다.

Elise 사도 역시 위상최적화를 포함한 Generative Engineering을 표방하고 있다. Generate 사보다는 격자구조 생성을 지원하고 그래프(Graph) 방식으로 SW 엔지니어링을 제공하는 특징이 있었다. Elise 사 역시 사례 연구 위주로 전시하여 자신들 알고리즘 우수성을 증명하고자 하였다.

ParaMatters 사는 다른 전시부스와 같이 제품을 소개하여 눈에 띄지는 않았다. 위상최적화를 비롯한 모델링 전문 SW를 표방하고 있었다. 특징적으로 클라우드 서비스를 지원하여 SW 구매보다는 사용 단위로 청구가 가능하다고 한다. 전문 모델러 SW를 가동하기 위해 워크스테이션 등 비싼 장비를 구매하지 않아도 되는 장점이 있었다. 실제 자동차에 장착하여 위상최적화 기반 출력물 사례를 전시하였다. GUI 편의성 등은 초기 단계였다.

새로운 시대가 개막하고 있다. 지금까지 적층제조는 출력성공 예측이 쉽지 않아 출력실패에 따른 부담이 컸다. 재료·시간 등 자원 낭비는 물론 제조비용 상승으로 설계 전문가가 적층제조 시장에 접근하기 쉽지 않았다. 이제 적층해석 기술로 출력 사전 검증·보증이 되어 ‘설계자가 꿈을 펼치는 시대’ 개막을 앞두고 있다. 설계 전문가를 대상으로 한 위상최적화·경량화 전문 SW 등장으로 전문가 진입 또한 가속화될 예정이다.

고부가가치 산업에 집중된 적층제조가 설계 혁신을 거듭하여 제조산업 전반으로 확장되는 엔진을 장착하였다. 2018년 적층해석 도입 원년으로 한층 밝아진 적층제조의 미래 가치를 기대해 본다.