3D 프린팅 소프트웨어와 구조 최적화 기술로 혁신을 만든다.

기술의 발전 덕분에 경량화를 추구하는 많은 기업들이 힘을 발휘하고 있습니다. 발전한 3D 프린팅 소프트웨어와 구조 최적화 기술은 엔지니어가 컨셉 설계 단계부터 경량화 제품을 검토할 수 있도록 도와주며, 예전에는 생각할 수 없었던 구조적으로 안전한 유기체 형상을 얻을 수 있게 만들어줍니다.

그 중에서도 자동차나 소비재, 산업장비를 생산하는 기업들은 다른 제품에 비하여 중량을 줄여야 한다는 압력에 직면하고 있습니다. 점증하는 경량화 요구에 대응하여 규제 조건과 에너지 절감 요구도 만족시켜야 합니다. 이런 환경 하에서 경량 설계를 위한 재료비 절감, 증가하는 소비자의 안전에 대한 요구 그리고 에너지를 절감하는 제품을 추구해야 합니다. 어떤 형태로 추진을 하던, 3D 프린팅과 최적화 소프트웨어는 기업이 당면한 경량화 목표를 달성하기 위하여 필수 불가결한 조건임이 증명되고 있습니다.

장애까지 뛰어넘는 혁신

3D 프린팅과 적층가공(AM) 시장은 해가 감에 따라 급격하게 변화하고 있습니다. 한때는 우주항공 분야와 같은 틈새 시장에서 이런 기술이 활용되었지만 최근에는 자동차, 의료기기와 산업기계 분야까지 그 적용범위가 확대되고 있습니다. 좀 더 전문적인 3D 프린터가 출현함에 따라, 현재 이 기술은 소규모 혹은 중간 규모의 기업에도 적용이 되고 있습니다. 더구나 성능 향상과 재료의 선택이 다양해짐에 따라 시제품 차원이 아니라 구조적으로 안전한 부품 생산까지 이런 기술의 적용이 가능하게 되었습니다.

이런 환경 속에서 최적화 소프트웨어도 괄목할 만한 발전을 보여주고 있으며, 특별히 위상 최적화와 같은 수학적인 접근법은 주어진 설계 공간에서 재료의 절감을 가능하게 해줍니다. 전통적인 3D CAD 모델과 달리, 위상 최적화 소프트웨어는 복잡하면서 재질이 균일한 솔리드 부품을 다룰 수 있으며, 이것은 가상의 불륨에서 강성과 밀도 등의 설계 요구 조건을 만족하는 부품을 설계할 수 있다는 것을 의미합니다. 다시 말해서 자연에서 볼 수 있는 형상과 같은 개념의 설계가 가능합니다. 결과적으로, 소프트웨어를 통해서 유기체 구조의 최적 형상을 얻지만 구조적으로 문제가 없는, 그리고 가벼운 형상을 찾아낼 수 있게 되었습니다.

Stratasys Dimension 1200es 장비의 이용한 FDM 모델링 기법을 이용하여 ABSplus thermoplastic 부품을 제작할 수 있습니다.

기업들은 전통적인 생산공법에서 제한 조건으로 작용할 수 있는 캐스팅이나 가공의 문제를 해결할 수 있는 위상 최적화 결과물을 얻을 수 있게 되었고, 이런 시도를 통해서 현재의 생산기술로는 적용이 곤란한 복잡한 유기체 형상 그리고 내부 구조가 격자 형태인 구조물을 소프트웨어를 통해서 산출할 수 있게 되었습니다. 최적화 디자인과 생산의 용이성 사이에서 기업들은 타협점을 찾고 있으며, 이는 최적화에서 생산조건을 고려하거나 조건을 단순화 하는 것입니다. 또 다른 시나리오는 경량화 기여율을 낮추어 설계 자유도를 높이는 방법입니다.

최적화 소프트웨어의 사용 편리성을 높이고 3D 프린터의 성능을 향상시킴으로써 이러한 다양한 제약 조건을 극복할 수 있습니다. 그러므로 엔지니어링 팀은 추가적인 재료 증가의 부담없이 성능과 기능을 만족하는 최적화 형상을 산출할 수 있게 되었습니다.

최적화 소프트웨어인 알테어 솔리드씽킹 인스파이어를 이용하여
1) 부품 형상을 불러오고, 2) 형상을 정리하고, 3) 재질과 하중조건을 설정하고,
4) 최적화 버튼을 클릭하여 이상적인 최적 형상을 산출. 최적 형상이 산출되면,
5) 최적화 소프트웨어를 이용하여 부품의 성능을 평가하고, 6) CAD 형상을 다듬게 됩니다.
산출된 복잡한 경향 형상은 3D 프린팅을 이용하여 신속하게 시제품이나 양산품을 제작합니다.


마술과도 같은 FDM 기법(Fused Deposition Modeling)

스트라타시스(Stratasys) 생산 솔루션 그룹의 비즈니스 개발 매니저인 존 돕스테터(John Dobstetter)는 “FDM 기법은 그 자체가 경량화를 의미합니다” 라고 언급합니다. 전통적인 생산 제품의 재료인 열가소성 수지에도 FDM 기법 기술을 이용할 수 있으며, 경량된 구조물, 좀 더 복잡한 구조물도 제작이 가능합니다.

위상 최적화 소프트웨어를 이용하면 기존 CAD 소프트웨어만을 이용하는 것보다 훨씬 유기체적인 형상, 자연을 통해서 영감을 얻을 수 있는 최적화 결과를 얻을 수 있습니다. CAD 만을 이용한다면, 엔지니어는 부품 형상을 정의하고 여기에 하중과 경계조건을 설정한 후 시뮬레이션을 통하여 설계 안을 단순하게 평가하게 합니다. 반면에 위상 최적화는 엔지니어가 설계 공간을 설정한 후, 여기에 하중과 경계조건을 부여하게 됩니다. 그러면 소프트웨어는 자동적으로 주어진 중량, 강성 조건을 만족하는 최적 안을 얻게됩니다. 이런 최적화 기술을 이용하면 전통적인 솔리드 모델보다 훨씬 다양한 외부 구조를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 내부 구조도 마술에 가까울 정도의 위상 최적화 결과를 얻을 수 있습니다.

최적화 프로세스 측면을 보더라도, 소프트웨어는 체계적으로 형상에 따른 응력을 분석하고 필요없는 재료 부분은 제거해줍니다. 이 결과물은 구조물이 다양한 강성과 밀도 성능을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 격자나 골격 구조를 갖더라도 안전성에 문제가 없이 중량을 획기적으로 줄일 수 있게 해줍니다. 이러한 최적 형상들은 적층가공 기법을 이용하여 기능적으로 훌륭한 시제품과 엄격한 공차, 강도 그리고 안전성을 적용한 부품의 제작이 가능합니다.

예를 들어, 스트라타시스가 특허권을 소유하고 있는 FDM을 이용한 3D 프린터는 전통적인 생산공법이 적용되는 엔지니어링 용의 열가소성 수지에도 사용할 수 있습니다. FDM에 기반한 3D 프린터를 이용하여 열가소성 수지 필라멘트를 가열하여 아래부터 한 층씩 적층시켜 부품을 제작합니다. 지지가 필요하거나 완충이 필요할 경우, 3D프린터는 공사장의 비계 역할을 하는 제거 가능한 구조를 함께 만들어줍니다. 그리고 부품이 완성되면 이 지지 구조를 부수거나 녹여서 제거를 하는데 이런 과정을 통해서 최적화 결과물인 복잡한 형상을 가지거나 내부가 비어 있는 구조를 제작할 수 있습니다.

존 돕스테터는 “경우에 따라서는 동일한 적층가공 기술을 사용하더라도 최적화를 통하여 산출된 복잡한 형상을 제작할 수 없을 수도 있습니다.” 라고 말합니다. 예를 들어, 액체나 분말 형태의 적층가공은 쉬운 일이 아닌데, 이는 격자 구조를 가지거나 속이 비어있는 구조에서 필요 없는 재료를 제거하는 것이 쉽지 않기 때문입니다. 결과적으로 부품을 두 개로 나누어 제작한 후, 다시 접착제를 사용해서 일체화 시키는데, 이는 추가 공정이 필요하고 중량도 늘어나게 됩니다.

또한 존 돕스테터는 “FDM 기법에 기초한 3D 프린터는 광범위한 재료에 적용할 수 있으며, 복잡한 경량화 구조물 제작에도 적합합니다.” 라고 말합니다. 강도와 열 저항력이 높은 ULTEM로부터 ABS-M30i, 생체에 적합하고 살균력이 있는 엔지니어링 플라스틱까지, FDM에 이용할 수 있는 재료는 정전기적 방전, 반투명, 생체 적합성, 인화성 물질까지 다양합니다. 이런 다양성은 엔지니어링 그룹이 경량 구조, 복잡한 구조를 제작할 수 있도록 해주며 우주항공, 자동차, 의료를 포함한 많은 산업분야에 걸쳐 적용될 수 있습니다.

제품을 인도해야 하는 압력을 지속적으로 받는, 즉 미적 즐거움 뿐만 아니라 환경까지 생각해야 하는 기업 입장에서는 선택의 여지가 없을 것입니다. 최적화 소프트웨어와 FDM에 기초한 3D 프린터의 조합은, 경량화를 달성하기 위한 효과적인 수단이며, 기업들이 기존 설계와 생산을 뛰어 넘는 혁신적인 발전을 이루는데 많은 도움을 줄 수 있을 것입니다.

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