솔리드씽킹과 적층가공이 만나 고품질의 경량 제품을 완성하다.

아래 내용은 미국 ‘디자인 월드(Design World)’지에 실린 기사 내용입니다.

Tony Norton and Chad Zamler솔리드씽킹(solidThinking)

빠른 프로토타이핑(rapid prototyping)에는 현재 3D프린팅과 적층가공 기술이 범용적으로 적용되고 있습니다. 전통적인 몰드와 툴가공 작업을 통하여 프로토타입을 제작하는 대신, CAD모델을 간단히 구성한 후, 적층가공 기술을 이용하여 신속하게 프로토타입을 제작하고 있으며, 이 방법을 이용하여 작업시간과 소요비용을 획기적으로 절감할 수 있게 되었습니다. 최근 몇 년 사이에 적층가공 기술이 시제품 제작에 많이 사용되고 있으며, 기업들은 이런 가공기술의 이점을 인식하고 이 분야에 많은 투자를 하고 있습니다. 이러한 적층가공 기술은 의학, 우주항공분야 뿐 아니라 일반 소비자 제품 생산에도 활용되고 있습니다.

적층가공의 설계 자유도

위상 최적화가 무엇이고 또 어떻게 이것이 적층가공에 활용되고 있을까요? 위상 최적화는 설계자가 주어진 설계공간 내에 부품에 필요한 하중, 경계조건을 제약조건으로 부여하면, 최적의 형상을 계산해 내는 수학적인 방법입니다. 즉, 부품이나 제품이 사용되는 과정에서 작용되는 하중을 정의해 주면 위상 최적화 소프트웨어는 초기에 설정된 형상 중에서 필요 없는 부분을 재빨리 제거하여 시각적으로 보여 줍니다.

위상최적화를 이용하여 설계자는 초기 설계컨셉 개발단계에서 효율적인 형상을 빨리, 그리고 쉽게 결정할 수 있게 해줍니다. 이런 신기술을 이용하여 설계자는 강하고, 가볍고 그리고 재료 소요량을 최소화하는 최종 설계 결과물을 도출할 수 있는데 이 과정들이 어떻게 진행되는지, ‘솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)’를 이용한 브레이크 패달 최적화 예(例)를 통해 한번 보도록 합시다.

먼저 초기 설계공간은 CAD프로그램에서 작성이 되며 인스파이어에서 이 모델을 불러들여 하중조건 등을 정의하게 됩니다. 그리고 인스파이어는 몇 분 이내에 최적화된 결과를 산출해 냅니다.

결과들은 흔히 우리가 자연에서 관찰할 수 있는 유기물의 형상과 비슷한 경우도 아주 많습니다.

위상 최적화의 첫 번째 단계는 시스템 내에서 부품이 차지할 수 있는 최대한의 공간을 정의하게 되는데 이것은 ‘설계공간’으로 최적화가 이루어지는 영역을 말합니다. 브레이크 패달 예(例)에서, 설계공간은 오렌지 색깔 부분입니다. 브레이크 패달은 끝부분이 고정되고 패달에 압력이 작용한 패달 위에 실제 작용하중을 설정합니다.

최적화 결과는 유기체와 비슷한 트러스 구조가 산출되며, 이 결과는 솔리드 타입 파일로 CAD로 변환되어 추가 해석에 사용되거나 바로 생산 현장으로 배포됩니다.

실제 산업체 적용 현황

위상 최적화 기술의 사용이 증가함에 따라, 적층가공 분야에서도 이 기술의 사용에 따른 이점이 명확해지고 있습니다. 많은 기업에서 적층가공을 이용한 생산을 위해서 위상 최적화 소프트웨어를 사용하게 되었고, 차별화된 설계 컨셉을 창조해 내고 있습니다.

우주항공산업에서 이 기술을 가장 먼저 도입하였으며 현재 원가절감과 성능향상을 포함한 엄청난 성과를 거두고 있습니다.

최근 스웨덴의 우주항공회사 ‘루아그(RUAG)’는 지구 관찰 위성에 사용되는 새로운 안테나를 선보였습니다. 이 회사는 위상 최적화 소프트웨어를 사용하여 실제 작용 하중에 가장 적합한 최적 형상의 안테나를 설계하였습니다. 이 새로운 디자인은 적층가공 기술로 제작되었으며 유기체와 유사한 형상을 가지고 있습니다.

완성된 최종 설계를 이용, 최종 부품은 알루미늄 레이져-소결 장비를 이용하여 제작하였습니다. 이 새로운 디자인의 안테나는 기존 안테나보다 길이가 40cm가 더 길지만 오히려 강성은 우수하면서 50%의 중량을 절감하였습니다. 그리고 이 안테나 길이는 선택적 용융(power bed) 가공기법으로 제작되었습니다.

영국에 본사를 두고 있는 레니쇼(Renishaw) 역시 적층가공에 위상 최적화 소프트웨어를 사용하고 있는 회사입니다. 이 회사는 엠파이어 사이클(Empire Cycles)사와 함께 세계 최초로 메탈 바이크 프레임을 적층가공 기술로 생산하고 있습니다. 바이크 시트 포스트(seat post)의 아이디어 컨셉 단계에 위상 최적화를 위하여 ‘솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking INSPIRE)’를 사용하고 있습니다. 이 경우에도 시트 포스트 형상은 유기체 형상을 가지고 있으며, 중공 티타늄 재질의 이 부품은 기존 부품보다 44%의 중량감소를 달성하였습니다.

자동차산업에도 적층가공에 동일한 위상 최적화 기술이 사용되고 있습니다. 중량감소는 연비향상과 CAFE규제 뿐 아니라 적재 중량을 증가시키거나 전체적인 비용절감을 위해서도 필수불가결한 요소입니다.

하드마크(HardMarque)는 자동차 부품시장의 요구에 부응함에 있어 이 두가지 기술의 조합에 따른 잠재력을 잘 인식하고 있습니다. 위상 최적화를 적용한 이 회사의 가장 최근 개발 부품은 티타늄과 적층가공 기술로 제작된 경량 피스톤 헤드로 기존 헤드보다 23.5%의 중량 절감을 달성하였습니다. 하드마크의 닉 하드 이사는 “내부 부품이 가벼울수록, 탄소발생량이 줄어들고 적층가공 기술의 적용으로 기존 공법 대비, 전체적으로 90%의 재료 절감이 가능합니다. 우리는 꼭 제품 제작에 꼭 필요한 만큼의 재료만 투입합니다.” 라고 말합니다.

설계와 생산의 효율성

적층가공의 중요한 이점 중의 하나는 기존 공법에서 발생하는 여러 가지 제약조건을 제거할 수 있다는 것입니다. 위의 예(例)에서 보았듯이, 이러한 제약조건이 없어지면 위상 최적화의 효과를 크게 확대시킬 수 있습니다. 제품의 중량을 줄이는 것이 반드시 비용 절감으로 연결되는 것은 아닙니다. 가공에 빌릿(billet)을 사용하면 가공과정에서 절삭되어 버려지는 재료가 많이 발생하며, 부품 중량 감소는 의미가 없어지게 됩니다. 하지만 적층가공에서는 이런 단점이 근본적으로 제거되며 경량화되는 만큼 비용도 줄어들게 됩니다. ‘인스파이어’ 위상 최적화 소프트웨어를 전통적인 가공공정에 적용한다면 최적화에 한계가 존재할 수 있지만, 적층가공 기술과 함께 적용하게 되면 아주 복잡한 형상도 실현 가능하며 시간과 제작비용도 크게 줄일 수 있습니다. 아울러 높은 수준의 품질도 확보할 수 있습니다.

빠르게, 스마트하게, 가볍게

자전거 부품 생산에 인스파이어를 사용하고 있는 레이스페이스의 크리스 헤이넨 선임 설계 엔지니어는 “이 소프트웨어가 적층가공 프로세스에 아직까지 완벽하게 적용하고 있지는 않지만, 우리가 인스파이어에 대해서 처음 듣고, 우리가 현재 사용하고 있는 전통적인 2D 단조공법의 가공방법은 앞으로 도태될 수도 있을거라는 생각을 했습니다.” 라고 말했습니다.

헤이넨과 그의 팀은 개발 초기에 주어진 설계공간에서 하중조건을 부여, 다양한 케이스 스터디를 수행하여 바로 설계 방향을 결정하고 있습니다. 헤이넨은 “’솔리드씽킹 인스파이어’는 구상하는 형상 중에 제거할 수 있는 부분을 정확하게 보여줍니다. 우리의 최종 개발품인 ‘크랭크 암’은 전작 대비, 25~50% 강성 향상을 달성하면서 중량은 동일하게 유지할 수 있었습니다.” 라고 말합니다.

적층가공 기술과 위상 최적화를 조합함으로써, 설계 기간을 단축할 수 있고 형상 변경 효과를 실시간으로 검토할 수 있습니다. 그리고 고품질의 경량 제품을 고객에게 제공할 수 있습니다. 기업들은 이미 이 2가지 기술조합의 이점을 인지하고 있으며 제품개발/생산 적용하기 위한 노력을 경주하고 있습니다.

solidThinking, an Altair Co.

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