■연재순서

(1)DfAM 정의 및 적용사례
(2)AM 시뮬레이션 종류①
(3)AM 시뮬레이션 종류②
(4)AM 환자 맞춤형 두개골 임플란트 열변형 해석 연구①
(5)AM 환자 맞춤형 두개골 임플란트 열변형 해석 연구②
(6)AM 활용 자동차 디퍼런셜 기어 케이스 경량화 연구

(1)DfAM이란 무엇인가

(1-1)DfAM의 필요성
3D프린팅 기술이 처음 소개됐을 당시 3D프린팅을 현자(賢者)의 돌쯤 되는 만능 도구로 여기며 열광하는 이가 적지 않았다. 하지만 그중 상당수는 시중에 나와있는 3D프린터를 써보고 그 한계를 깨달으며 ‘뭐든 만들어낼 수 있는 기술’에서 ‘아직 먼 미래의 기술’로 생각의 궤도를 조금씩 수정하고 있는 것 같다.

이에 대해 가끔 필자는 이런 생각을 해본다. ‘3D프린팅 기술이 아직 충분히 발전하지 못한 게 문제일까? 3D프린팅이란 신기술의 활용법에 서툰 인간이 문제일까?’ 이 질문에 대한 답을 찾으려면 DfAM(Design For Additive Manufacturing:적층제조특화설계) 개념에 대한 이해가 필요하다. DfAM은 3D프린팅을 제조현장에서 활용하는 방법일 뿐만 아니라, 3D프린팅을 통해 새로운 서비스 시장을 창출하는 열쇠이다.

디자인·설계·제조 분야에서 3D프린팅 기술이 가지는 의미는 상당히 크다. 일찍이 3D프린팅은 기존 사업의 패러다임을 바꿀 것이라는 기대를 받아왔다. 아이디어에서 제품 생산까지의 과정이 놀라울 정도로 단축되는 것은 물론, 디자인과 설계의 관점이 180도로 달라져 기존에 볼 수 없었던 획기적인 디자인의 적용이 가능해지고, 최적설계를 통한 경량/고강성 구조의 구현이 가능하다.

복잡한 형태의 제품을 복잡한 조립과정 없이 한 번에 생산 가능하거나 복합소재의 동시 적용이 되는 등 3D프린팅 기술로만 가능한 혁신적 설계 방법이 생산에 적용할 수 있다. 이처럼 3D프린팅 기술의 장점을 극대화할 수 있는 설계 및 엔지니어링 접근 방법을 DfAM이라고 한다.

▲ DfAM 사례. a) 경량화 b) 부품 단일화 c) 다물성 소재 d) 특화 부품(의료용)

DfAM은 기존의 DfM(Design for Manufacturing)에서 진보된 개념으로, 기존의 설계와 제조 과정에서 마주치는 공정상의 제약들을 극복하는 해법을 제공할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다. 크게 4가지 분야에서 주로 사용되고 있으며 △경량화 구조 △여러 개의 부품을 하나의 부품으로 제작하는 부품 단일화 △한 부품에서 소재와 물성이 다르게 나오게 하는 디자인 △의료용에 특화된 디자인 등으로 구분할 수 있다.

DfAM을 통해 많은 부품 개수를 재 디자인을 통해 줄이고, 위상최적화를 통해 하나의 부품으로 만들고, 격자(Lattice) 구조 설계로 부품의 무게를 감소 시킬 수 있다. 이를 활용해 생산자는 경량화, 내구성 증대, 부품 수 감소 등을 통해 이윤을 창출하고 있으며 미국이나 유럽에서는 이미 생산 라인에 금속 3D프린터를 대거 도입해 운영하고 있다.

수송기기 산업에서 3D프린팅 기술이 신 제조 공법으로 각광받는 이유가 있다. DfAM을 사용하여 복잡한 기능과 형상의 부품 모듈을 별도의 조립 공정 없이 일체형으로 제작할 수 있으며, 내부 구조가 복잡한 고강성·저진동·경량 차량 부품 설계 및 제작을 통해 에너지 효율을 개선할 수 있기 때문이다. 특히 최근 주목 받고 있는 전기차를 비롯한 친환경 자동차 시장은 2020년에는 2016년 대비 2배 이상의 성장이 예상되고 있다

▲ 산업별 3D프린터 시장의 규모와 전망(출처:HIS)

실제로 국내외 유명 완성차 업체들은 플라스틱 뿐 아니라 금속·탄소복합소재로 3D프린팅 기술을 활용해 자동차 생산에 적용하고자 하는 노력들을 하고 있다. 해외에서는 이미 오래전부터 독일을 필두로 한 유럽의 유명 메이커와 미국과 일본의 거대 자동차 기업 등 많은 완성차 업체 및 관련 부품기업들이 3D프린팅 장비를 신차 개발 및 양산에서 적극 활용해 오고 있다는 사실도 더 이상 비밀은 아니다.

▲ (左)3D프린터로 제작한 자동차(플라스틱) 및 자동차 프레임(금속)(출처:SLM Solutions) (右)라미너 플로우 모듈(출처:메탈쓰리디)

미국의 FIT WEST는 DfAM 기술을 활용하여 F-1 자동차 실린더 블록을 고성능화하고 무려 80% 경량화에 성공했다. 또한 토요타는 폴리머 재질의 3D프린팅 경량자동차 시트를 소개하여 큰 주목을 끌기도 했다. 특히 2014년 미국의 로컬모터스는 3D프린팅 전기차를 대중에 선보여 큰 주목을 받았다. 3D프린팅이라는 생산기술을 가운데 두고 디자이너-개발자-소비자가 함께 고민하는 협업 플랫폼을 제안하면서 새로운 제조업의 비즈니스 방안을 제시하기도 했는데, 이는 미래의 자동차 산업을 포함한 모든 제조 산업이 소량·다품종·경량·고성능·맞춤형의 방향으로 진행되는데 3D프린팅과 DfAM 기술이 핵심 엔진 역할을 하게 될 것이라는 것을 보여준다.

(1-2)DfAM 적용 사례
(1-2-1)Freeform shapes
적층 제조는 설계 자유도를 통해 산업 분야에 크게 기여했다. 적층 가공이 가능해진 이러한 기하학적 자유는 심미적·기능적·경제적·인체 공학적 이점을 제공한다. 복잡한 모양의 부품을 생산하는 적층제조 기능은 인테리어 디자인, 의약품, 자동차 및 항공우주산업에 적용이 된다.

(1-2-2)Part consolidation
여러 파트를 하나의 필수 파트로 결합하여 조립의 파트 수를 줄이는 과정을 파트 통합이라고 한다. 적층제조를 통해 조립을 하나의 부품으로 제작할 수 있다. 기존 제조의 제약에 구속되지 않는 공정, 부품 통합의 예로 윈포시스 장비로 제작한 라미너 플러우 모듈이 있다. 기존에는 알루미늄을 여러 파트를 용접하여 제작을 하였으며, 형태·치수가 부정확했으며 시간과 비용이 많이 소요됐다.

DfAM을 적용하여 기존에 5개의 부품으로 용접하던 제품을 1개의 부품으로 설계를 하여 3D프린터로 제작했는데, 부품을 통합하면 조립 공정을 보다 쉽게 만들며, 비용 및 시간을 상당히 줄일 수 있기 때문에 유리하다.

(1-2-3)Non-assembly mechanisms
비 조립 메커니즘은 조립이 필요 없는 작동 메커니즘(운동학적 조립 포함)으로 적층제조는 비 조립 메커니즘의 제조를 가능하게 한다. 이것은 제품이 움직이는 부분 사이의 틈을 기어 트레인 같은 지지체를 이용하여 서로 결합하는 것을 방지할 수 있다. 또한 부품의 자유로운 이동을 가능하게 하기 위해 제조 공정 후에 금속 분말 및 강경화 수지와 같은 남아있는 재료를 제거해야 한다.

▲ 3D프린터로 출력한 고속냉각채널 금형. 내부에 소용돌이를 구현해 기존대비 냉각 효율을 높혔다.(출처:메탈3D)

(1-2-4)Internal channels
부품의 기능과 성능을 향상시킬 수 있는 냉각 채널, 공기 덕트, 유체 채널 등과 같은 복잡한 내부 기능은 적층제조를 사용하여 만들 수 있다. 메탈3D에서는 전자빔 용해(EBM) 공정을 사용하여 복잡한 유체 흐름의 냉각 채널을 갖춘 사출 금형 인서트를 개발하였으며, 냉각 효율은 기존 제작 과정으로 만들어진 인서트 보다 훨씬 높은 것으로 나타났다.

(1-2-5)Topology optimization
Topology optimization은 강도를 유지하면서 무게를 줄이기 위해 부품의 형상을 최적화하는 유한 요소 해석(Finite Element Analysis, FEA) 기반 방법이다. FEA 소프트웨어는 부품을 요소로 분리 한 다음 각 요소의 밀도를 최적화 한다. 응력이 없는 모든 영역에서 소프트웨어에 의해 부품의 최적화 된 모양이 생성된다. 이 최적화 된 형상은 일반적으로 기존의 제조 공정에서 제조하기에는 어렵고 복잡한 형상이다. 적층제조는 이러한 복잡한 형상을 생성하는데 사용될 수 있으므로 적층제조와 결합된 Topology optimization는 경량 최적화된 부품을 생산하는데 사용된다.

▲ 금속 브라켓의 Topology optimization 프로세스

(1-3) DfAM 시뮬레이션 종류
DfAM 시뮬레이션 소프트웨어에는 INSPIRE, ANSYS Suite, 3-Matic, 하이퍼윅스, SimSolid 등이 있다. 그 중 대표적인 소프트웨어는 INSPIRE, ANSYS Suite, 3-Matic이다.

(1-3-1) INSPIRE
Inspire는 업계에서 가장 강력하고 사용하기 쉬운 생산적설계/토폴로지 최적화 및 신속한 시뮬레이션 솔루션으로, 설계엔지니어는 구조적으로 효율적인 개념을 신속하고 손쉽게 생성 및 조사할수 있어 비용, 개발시간, 재료 소모 및 제품 중량을 줄일 수 있다. 초기 구조 생성에 기존의 CAD 툴과 함께 작동하는 알테어(Altair)社의 Inspire를 사용하면 설계 사이클 초기단계에서 구조 성능을 충족하는 컨셉트 디자인을 생성한다.

설계 공간과 연결, 하중조건, 형상제어를 사용자의 What-if 시나리오를 통해 수정, 추가할 수 있고 컨셉트 디자인의 결과 검토에 뛰어난 통찰력을 보여준다. Inspire는 구조적으로 만족하는 부분에만 재료를 배치하여, 재료를효율적으로 사용하기 때문에 성능 향상, 설계중량, 운송비용 감소, 재료비용 절감이 용이한 소프트웨어이다.

▲ ANSYS Additive Suite를 사용한 적층제조 프로세스 시뮬레이션 흐름도

(1-3-2)ANSYS Suite
ANSYS Suite는 오버 디자인 된(Over designed) 형상을 물리적 또는 구조적으로 최적화 된 (Topology optimized) 형상으로 디자인 한 후 검증(Validation)하는 과정을 시뮬레이션 한다.

ANSYS Additive Suite을 이용한 적층제조 시뮬레이션 프로세스의 예를 보면 Topology optimization을 이용한 적층 형상 시뮬레이션은 오버 디자인 된 형상에 대하여 하중조건을 부여한 후 정적 구조해석을 먼저 수행하게 된다. 이것을 바탕으로 Topology optimization 환경에서 최적화 요소(질량, 변형 등)에 대한 허용범위를 정하여 Topology(물리적 & 구조적)최적화 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 또 한번의 정적 구조해석을 통하여 검증 과정을 거친 후 적층 형상을 결정하게 된다.

(1-3-3)3-Matic
3-Matic 소프트웨어는 설계 수정과 재 메쉬(Mesh)가 가능하여 3D프린팅용 CAD 데이터와 스캔 데이터, Topology 최적화 데이터를 설계할 수 있다. 3-Matic은 거친 Topology 데이터를 Clean-up하여 표면 품질을 높여주는 이상적인 소프트웨어이다. 3-Matic은 강도 향상, 다공성 증대, 설계 중량 저감(경량 구조)등의 이점을 제공하는 3D프린팅이 가능한 복잡한 내부 및 외부 구조를 만들 수 있다.

또한 미적,기능적 질감과 천공, 패턴으로 설계를 손 쉽게 개선할 수 있다. STL 데이터에서 바로 작업하므로 설계에 FEA 분석을 바로 실행하거나 설계를 3D 프린팅에 사용할 수 있다. 3-Matic 패키지는 Topology optimization 결과의 후처리에 적합한 효율적인 소프트웨어로 다른 방법과 비교해 후처리 시간을 수 일에서 몇 시간으로 단축할 수 있다.

작성자: 주승환 인하대 교수/메탈3D(주) CTO/한국적층제조사용자협회 회장