▲ 3D시스템즈의 3DXpert 소프트웨어 CAE 형상 변형 결과

세계적인 적층제조 솔루션 기업 3D시스템즈는 금속 3D프린팅 출력물의 품질을 미리 예측하고 보완할 수 있는 소프트웨어를 사용자 편의에 맞추고 있다.

레이저와 같은 열원을 사용하는 금속 3D프린팅은 출력물 열변형 관리가 필수적이며 이를 위해 설계단에서 CAE 예측을 하지만 미세 손상이나 변형을 완벽히 차단하기는 쉽지 않아 제품 손상(크랙)을 유발하기도 한다.

또한 프린팅 작업 중 반복된 용융과 냉각 과정을 통해 누적된 변형과 증가된 응력 때문에 프린팅 이후 서포트를 제거하고 나면 파트를 지지하던 경계 조건과 구속이 없어지게 되어 2차 변형이 올 수 있다. 때문에 출력물의 품질관리를 위해선 이러한 문제들을 사전에 예측하거나 극복하는 것이 중요하다.

이에 3D시스템즈는 금속 3D프린팅용 소프트웨어 ‘3DXpert’를 통해 유일하게 출력 이후 출력물의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한 디자인 보정 작업과 검증된 여러 가지 가공 옵션을 제공하고 디지털 스캐닝 결과 대조 기능을 통하여 출력물의 허용 공차를 충족시킬 수 있는 솔루션을 제공하고 있다. 또한 서포트 제거 이후 특수 목적에 따라 열처리 조건(풀림, 불림) 이나 CAE 시뮬레이션 과정을 반영하여 결과를 예측해 볼 수 있다.

각 단계를 살펴보면 준비·분석 단계에서 초기 CAE를 통한 사전 예측을 통해 열 집중 구간이나, 프린팅 작업 시 표면에 발생될 수 있는 조도가 떨어지는 구간, 그리고 서포트 형상을 부착해야 될 최적화 구간 등을 예측하고 최적화해 볼 수 있다.

기계부품이 활용될 기계적인 목적에 부합하는지 체크가 필요한 경우, 유사한 외력 조건 등을 모델에 대입하여 분석을 해야 하는 상황이 발생한다. 이러한 부분을 대비하여 3DXpert에서는 자체적인 FEM 해석을 보유하고 있으며 내외부 다양한 래티스(Lattice) 기능으로 경량화를 시도하거나 FEM 해석을 통해 사전 분석이 가능하다. 또한 경계 조건을 대입 시키고 프린팅 소재를 선택한 다음 외력을 가하거나 진동을 발생시켜 내부적인 반응과 형상의 변화를 체크할 수 있고 나아가 형상 최적화를 통해 격자의 간격이나 두께를 자동 수정할 수도 있다.

3Dxpert는 빌드 시뮬레이션(Build simulation)이라는 내부 모듈을 통해 적층 과정 중 발생하거나 출력 과정이 끝난 이후 변화에 대해 CAE 예측을 통해 작업의 완성도를 판별해볼 수 있다. 사용자는 출력 과정에서 발생할 수 있는 에러를 레이어 층마다 시뮬레이션 하고 이를 확인할 수 있어 스트레스 최소·최대 구간 및 응력 집중 구간들에서 오는 변형을 유추할 수 있다.

추가로 3DXpert에서는 변형 예측과 보정 작업을 시도해 볼 수도 있는데, 측정이나 해석을 통하여 변형이 특별히 심하고 서포트 만으로 대응하기 힘든 경우 예측 데이터를 기준으로 형상 자체를 보정하여 수정을 할 수도 있다. 설정된 스케일에 따라서 3DXpert는 모델링 자동 변형이 가능하기 때문에 작업 시간이 생각보다는 많이 소요되지 않는다.

이 외에도 DMP Inspection 옵션이 지원되기 때문에 프린팅 작업 중 장비로 전송된 결과를 3DXpert로 불러와 원래 형상과 비교해 공극(Void) 구간이나 거친 면 현상 부위를 디지털로 재현하여 고가의 CT 검사 대신 3DXpert의 옵션으로 사전에 확인 및 대응이 가능할 수도 있다. 이러한 기술은 프린터와 소프트웨어간의 데이터 호환성과 작업성을 고려하여 개발한 3D 시스템즈만이 제공 가능한 옵션이다.

마지막으로 3DXpert의 도면화 작업을 통해 작업 목적에 따라 작업 공정도, BOM, Part list 등을 원하는 대로 제작해 볼 수도 있다.