■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

(2) 적층제조(AM) 시뮬레이션이란 무엇인가

(2-1)AM 시뮬레이션이 필요한 이유

적층제조(AM:Additive Manufacturing)는 디자인된 기본 설계를 바탕으로 특수한 형상 및 이종 소재로 바로 구현이 가능하도록 쉽게 제어가 가능하기 때문에 고도화된 맞춤화를 실현하는데 매우 유용하게 활용될 수 있다.

단번에 맞춤화된 제품을 생산하는 능력은 생산비용과 소재 낭비를 크게 줄이는 동시에 사용자 만족도와 기업 이윤을 크게 향상시킬 수 있다. 금속제품의 개발단계에 적층제조기술의 적용은 전략적으로나 재정적으로 큰 효과가 있는 것으로 알려지고 있다.

하지만, 모든 일반 기업에 확대되지 못하고 주로 고비용의 정교한 제품 설계가 요구되는 항공회사와 같은 대기업을 중심으로 적용되고 있다. 이것은 금속 적층제조에 사용되는 3D프린팅 장비가 고가이고 소재분말의 비용이 현저히 높으며, 기술적으로 초기 단계에 실패율이 높아 개발환경 구축 초기 비용이 크게 발생하기 때문이다.

▲ 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점

기본적으로 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점은 다음과 같다. 기존의 적층 방식은 먼저 디자인 된 파트를 가지고 와서 빌드를 준비하기 위해서 전처리 과정을 거치게 된다. 전처리를 하면서 서포터를 만들고 서포터를 생성하고, 바로 장비에 올려서 빌드를 진행하게 된다.

하지만 이렇게 빌드를 하게 되면 일반적으로 대부분의 고객들은 시행착오를 많이 거치게 된다. 파트의 파괴, 서포터 파손, 와이어 커팅 후 변형 등 잔류응력으로 인한 흔한 악순환을 겪게 된다. 이처럼 여러 번의 시행착오를 겪고 나서야 최종적으로 원하는 제품을 얻기에 상당한 시간 및 비용이 발생하게 된다.

머터리얼라이즈社 Stefaan Motte의 말을 인용하면, 금속 3D프린팅 전체 비용 중 75% 이상이 출력 공정에 들어가며, 시험 출력이나 실패한 출력물 등에도 많은 비용이 발생한다고 한다. 또한 복잡한 기하학적 구조의 3D프린팅 출력물인 경우 실패율이 평균 15%나 된다고 한다. 지멘스社 Eckhoff는 현재 금속 3D프린팅 작업을 완성하는데 평균 3~5회의 시도가 필요하다고 밝혔다.

또한 현재 가장 널리 사용되는 금속 분말을 레이저를 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로 적층한 출력물에서 발견되는 공통적인 결함은 거친 표면, 비경화된 분말, 불순물 혼입, Layer Defects 현상, Voids 현상 등이 있다.

이와 같이 금속 3D프린팅에서 단 한 번에 완성된 출력물을 만들어 내지 못하고 실패가 반복되는 것은 새로운 장비, 축적된 기술의 부재, 생소한 제조 파라미터의 조정·경험 부족, 다양한 결함 등에 요인이 있을 수 있다. 이러한 요인을 최소화하거나 최적화함으로써 시행착오를 줄일 수 있으며, 이것은 소프트웨어로 상당 부분을 해결할 수 있다.

▲ ANSYS AdditivePrint를 사용한 AM 시뮬레이션 프로세스

(2-2)AM 공정 시뮬레이션 목적
3D프린팅 시뮬레이션은 공급 소재의 용해에서부터 부품을 만드는데 필요한 실제 공구 경로에 이르기까지 3D프린팅 공정의 모든 프로세스를 분석하는 포괄적이고 광범위한 용어로 사용되고 있다.

특히, 금속 3D프린팅 공정 시뮬레이션은 프린팅 출력물의 변형(왜곡)및 잔류응력을 프린팅 이전 단계에서 소재, 구조, 공정 등을 고려하여 프린팅 공정을 미리 예측하고, 설계하는 것이라 할 수 있다. 즉 개발단계의 시행착오를 줄이고 초기부터 곧바로 제품으로 프린팅이 가능하도록 하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 방법이다.

금속 3D 프린팅 AM 공정에서 나타나는 결함의 원인은 크게 구조적 요인과 열적 요인으로 나눌 수 있다. AM공정 조건(파라미터)의 조합으로 나타나는 변형(Deformation)과 잔류응력(Residual stress)은 출력물 품질에 직접 영향을 미치는 요소이다.

AM 공정 중에 발생하는 출력물의 변형은 제품을 출력한 후에 다른 부품과 조립이 불가할 뿐만 아니라, 리코터 블레이드(Recoat Blader :PBF 방식의 경우)와 충돌을 유발하여 프린팅이 중단되거나 출력물이 파손되기도 한다.

또한 잔류응력은 출력물의 수축이나 출력물에 크랙(Crack)을 유발하여 제품 결함의 원인이 되기도 한다. 금속 AM공정은 고 에너지(레이저)에 의하여 분말 소재가 용융되어 용융풀이 만들어지는 가열과 용융 풀이 굳어 융합되는 냉각되는 과정을 반복하게 된다. 이러한 반복적인 가열과 냉각으로 인하여 팽창과 수축으로 출력물에 열적 변형이 일어난다.

이러한 열적 변형으로부터 영향을 줄이기 위해서는 베이스 플레이트(Base plate)부터 출력물을 효과적으로 지지하여 뒤틀림을 방지해야 한다. 이와 같이 금속 AM공정에서 제조 중에 적층 된 부분이 제 위치에 유지되도록 잡아주는 Support(지지대)가 매우 중요하다.

Support가 필요 이상으로 만들어지면 적층 비용(소재·시간)이 늘어나고 적게 만들어지면 출력물 품질이 떨어져 출력 실패로 이어질 수도 있다. 또한 출력물로부터 서포터를 제거하는 작업은 일반적으로 수작업에 의존하기 때문에 제거가 용이하고 정밀하게 제거될 수 있도록 설계단계에서 최적으로 서포터를 구축하는 것은 비용과 시간적으로 매우 효과적이다. Support에 대한 최적화 구축은 금속 AM 공정 시뮬레이션 중 주요 목적 중 하나라 할 수 있다.

이와 같이 서포터를 설계하거나 수정 또는 소재가 낭비되지 않는 효율적인 배치와 출력 후 제품의 왜곡을 예측하여 형상을 미리 보정하는 등의 과정을 소프트웨어적인 시뮬레이션을 통하여 해결할 수 있다. 이외에도 금속 AM공정 시뮬레이션은 장비와 소재에 따른 레이저 파워와 속도, 스캔과 같은 공정 매개변수를 조합하고 조정할 수 있게 한다. 또한 AM 공정을 위한 형상의 최적화 디자인도 포함된다.

3D프린팅 기술이 제조 현장에서 쓰이려면, 우수한 3D프린터와 소재 및 소프트웨어 사용이 필수적이다. 3D프린터로 출력하기에 적합한 형상으로의 설계, 출력물이 프린팅 과정에서 무너지지 않도록 지지하는 서포터의 생성, 출력하기 전 출력물의 균열이나 뒤틀림을 미리 감지하여 보정하거나 수정하는 등 주요 AM 공정의 대부분 작업이 소프트웨어적으로 이루어지고 있다.더욱이 AM 공정에서 소프트웨어적인 시뮬레이션은 소재가 더욱 다양화되고 출력물 형상이 점점 복잡해지고 대형화가 되어감에 따라 중요도는 점점 높아지고 있다.

AM 공정 시뮬레이션의 목표는 부품의 거시적인 왜곡 및 응력을 예측하여 빌드-업 실패를 방지하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 적층품 방향의 결정, 서포터의 배치와 크기의 조정을 포함한 전반적인 AM 공정 설계의 개선을 위해 최적화된 데이터를 제공하는 것이라 할 수 있다.

▲ 금속 브라켓의 Topology optimization프로세스

(2-3)AM공정 시뮬레이션 종류
상기에 기술한 바와 같이 AM 공정의 시뮬레이션은 소프트웨어적으로 가상공간에서 수행이 가능하다. 시뮬레이션 기술이 40년 이상 전통적인 엔지니어링 및 생산 프로세스를 최적화 한 것처럼 적층 제조 분야에도 새로운 과제를 해결하기 위해 점점 진화하고 있다. 최근에 AM 기술의 활성화에 힘입어 AM 공정 시뮬레이션 소프트웨어도 다수 개발되어 활용되고 있다.

적층제조 기술의 동향에 따르면 장비와 소재 면에서 DED 방식 보다는 PBF 방식이 진보적으로 기술개발이 이루어진 것을 확인할 수 있다. 아울러 금형 분야와 같이 고강도 툴 소재를 다루는데 유리한 DED 방식의 시뮬레이션 기술이 초기 단계 수준인 것은 금형 분야에 AM기술의 수요를 고려할 때 아쉬운 부분이 있다.

다음 기고에는 대표적으로 사용하고 있는 AM 시뮬레이션인 ANSYS Additive, Simufact Additive, Flow-3D에 대해서 알아보고자 한다.

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