토폴로지 최적화와 주조 기술이 만나면?

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  “적층(Additive)” 이라는 말은 최근 “제조(manufacturing)”라는 말과 만나면서, 소위 말하는 핫한 단어가 되었습니다.

  이는, 3D 프린팅은 어렵다는 기존의 사고를 변화시켜주고, 기존 제조방식에 새로운 바람을 불어 넣었습니다.

  한때 수많은 자동차 제조의 진원지였던 미시간 플린트(Flint, Michigan)에는, 수년이 지나면서 현재 대부분의 자동차 제조 관련 업체는 사라졌습니다. 다시 한 번 제조 능력을 키우기 위해, 그리고 제조업의 발전을 위해서는 어떻게 해야할 지에 대해 고민이 필요한 시기입니다.

  제품 설계는 젊은 세대의 요구에 맞게 빠른 속도로 그리고 정교하게 변화하고 있습니다. 제조에 대한 IKB 도이치 기업 은행의 보고서(IKB Deutsche Industrial Bank report on manufacturing)에 따르면, 이를 3가지 트렌드로 살펴볼 수 있습니다.

1. 경량화는 현재 자동차 산업에서, 새로운 배출 기준을 충족시키기 위해 1순위로 고려되는 부분이다.
2. 기존의 낮은 강도의 철 사용량은 2030년에 20% 이하로 감소할 것으로 예상된다.
3. 알루미늄과 마그네슘은, 고강도 철과 함께 대체 자원으로 떠오를 것이다.

  제품 설계의 범위는, 항공 산업에 이어 지금은 자동차 산업에서도, 발전을 위해 보다 가벼운 구조를 위한 만들기 시작하고 있습니다. 선행 제조의 중요성이 새롭게 떠오르고 있습니다. 마그네슘, 알루미늄 및 ZAMAC과 같은 합금 등의 대체 자원과, 3D 프린트 패턴 및 다이를 위한 새로워진 적층 제조기술은, 해당 산업에 엄청난 기회와 새로운 프로세스 도전을 가져왔습니다. 만약 시뮬레이션을 이용한 최신 기술로 잠재력을 극대화하지 않으면, 제조 업체들은 앞으로 차별화와 이윤을 창출하기 점점 더 어려워질 것입니다.

  이러한 추세이기 때문에, 전체 제품 설계 사이클에 대한 포괄적인 접근은 새로운 재료 및 제조 공정만큼이나 매우 중요합니다. 우리는 빠른 설계, 더 나은 성능, 그리고 같은 시간안에 더 쉽게 제조하여 뛰어난 제품을 만들 수 있는 환경이 필요합니다. 이것이 가능할까요?

  이번 내용에서는 전통적인 제조 방법과 협력하고 이 산업에 새로운 바람을 불러일으킬 최신 기술에 대해 설명하고자 합니다. 그 중에서도 금속 주조 공정에 대한 내용을 다루고, 시뮬레이션 기반 설계의 이점들을 살펴보도록 하겠습니다.

적층 제조와 기존 제조의 만남

  기존 제조 산업의 급격한 발전으로 3D 프린팅은 점점 증가하고 있으며, 이는 독특한 주조 패턴 구조물을 만드는데 굉장히 유리합니다. 미르코 브롬버거(Mirko Bromberger)의 이전 글(첨단 주조를 위한 3D 프린팅 및 시뮬레이션 기반 설계)을 보시면, 토폴로지 최적화 방법을 이용하여 처음부터 독특한 형태의 경량 설계를 할 수 있는 방법과 원하는 주조 프로세스대로 작업할 수 있는 방법을 설명합니다.

  아래 그림은 프로세스 하이라이트를 보여주며, 기술들의 결합에 대해 보여줍니다. 경량화를 위해 토폴로지 최적화가 사용되었으며, 패턴을 만들고 정밀 주조를 위해 3D 프린팅이 사용되었습니다. 이러한 절차를 밟는 목적은, 혁신적인 제품을 생산하고 제품 설계 프로세스와도 통합시켜 손쉬운 작업을 하기 위함입니다.

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