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적층 제조가 살아갈 길. DfAM

본지 지난 호 (2019년 7월 호) 토픽이었던 ‘적층 제조 – 장비 편’을 통해서 다양한 방식을 가진 장비들이 적층 제조 고유의 단점을 극복해 가면서 발전하고 있음을 알 수 있었다. 그렇다고 적층 제조가 마치 요술 방망이라도 된다는 접근은 경계할 필요가 있다. 반면, 오랫동안 제기되어 왔던 적층 제조를 위한 디자인 (DfAM, Design for Additive Manufacturing)의 필요성은 누그러들지 않고, 오히려 최근들어 여러 가지 소프트웨어의 비약적인 발전으로 좋은 사례들을 만들어가며 본격화되는 분위기다.

적층 제조는 비싸고, 느리고, 어렵다. 자칫 잘못하면 사진처럼 소위 ‘예쁜 쓰레기‘들을 비싸게 만드는 누를 범할 수도 있다. 어떤 것을 출력해야 할지와 어떻게 실패하지 않을지가 모두 중요하다. (사진 제공 앤시스코리아)
적층 제조는 비싸고, 느리고, 어렵다. 자칫 잘못하면 사진처럼 소위 ‘예쁜 쓰레기‘들을 비싸게 만드는 누를 범할 수도 있다. 어떤 것을 출력해야 할지와 어떻게 실패하지 않을지가 모두 중요하다. (사진 제공 앤시스코리아)

적층 제조(AM, Additive Manufacturing)는 요술 방망이가 아니다. 적어도 2019년 현재는 그렇다. 적층 제조는 비싸고 느리다. 게다가 한 번에 원하는 결과를 얻지 못하고 실패하는 경우가 훨씬 많다. 출력에 실패했을 때 감당해야 할 리스크도 만만치 않다. 비싸고 느리기 때문이다. 3D 프린터에서 출력만 잘 되었다고 끝이 아니다. 후공정에 드는 비용과 시간도 만만치 않다. 업계에서는 금속 적층 제조의 경우 파트당 비용의 30%가 후공정에서 발생한다고 보고 있다. 그럼 이렇게 비싸고, 느리고, 어려운 적층 제조를 왜 해야 하는 것일까?

첫째, 어떤 경우에 적층 제조를 해야 하는가?
지난 3월 열린 한 세미나에서 신진국 전자부품연구원 3D 프린팅 연구단장은 다음과 같이 이야기했다. “제조는 재료(Material), 공정(Process), 디자인(Structure)의 관점으로 보아야 하는데, 적층 제조는 이 세 가지 관점 중에서 재료와 공정의 단점을 디자인으로 극복해 상쇄시키고도 남아야 한다.”라며, “적층 제조는 한 마디로 ‘다른’ 것이다.”라고 밝혔다. 적층 제조만의 ‘다른’ 디자인, 다시 말해 DfAM의 필요성을 말한 것이다. 신진국 단장은 DfAM을 적용하면 좋은 어플리케이션에 대한 이해를 돕는 ‘표경일인생경공’이라는 용어를 제안했다. 표는 표면적이 넓어야 하는 열교환기, 냉각핀, 촉매 등을 말하며, 경은 항공 부품 등에서 각광 받는 경량화, 일은 여러 부품을 한 번에 출력하는 부품의 일체화, 인은 냉각 유로형 금형 등에 적용하는 인렛(Inlet) 구조의 손 쉬운 출력, 생은 생체 모방 구조, 경은 경사 기능 재료 (FGM, Functionally Gradient Materials), 공은 다공성 조직의 손쉬운 생성이 필요한 경우를 들었다.

DfAM의 접근 방법으로는 먼저, 설계 목적과 제약 조건을 고려하여 컴퓨터로 재료의 최적 배치를 계산하는 위상 최적화(Topology Optimization) 설계를 들 수 있다. 또한, 단위 구조의 반복으로 구성된 격자 구조(Lattice Structure)를 통해 강성을 유지하면서 파트의 초경량화를 실현하는 방법, 여러 특성을 가진 재료들을 한 번에 프린트하여 다양한 물성, 특수한 기능 등을 구현하는 ‘다중소재’ 설계 방법, 부품의 체결부를 줄이고 하나로 병합함으로써 성능을 향상하고 효율적인 구조를 구현하는 ‘일체형 구조’ 설계 또는 ‘파트 통합(Parts Consolidation)’ 등이 있다.

최근들어 이러한 방법론을 아우르는 설계 방법론인 제너레이티브 디자인(Generative Design)이 각광 받고 있다. 오토데스크코리아 김동현 대표는 “제너레이티브 디자인은 인공지능 기반의 설계 기술로 사용자가 입력하는 조건에 따라 수백, 수천 가지의 설계 디자인 옵션을 제시해 준다. 입력값에 맞는 단순 디자인이 아닌, 인간이 생각할 수 없는 상상 이상의 새로운 설계 옵션을 만들어 낸다. 기존 설계 방식과 달리 초기 디자인 설계가 필요하지 않으며, 설계자가 원하는 가공 방법, 소재 등을 반영해 여러 결과물을 마련할 수 있다.”라고 정의했다. 제너레이티브 디자인이 새로운 설계 컨셉은 아니지만, 적층 제조의 발달로 인해 최근 3~4년 전부터 큰 관심을 받기 시작했고 굴지의 소프트웨어 기업들이 저마다 제너레이티브 디자인 기능 개발에 나서고 있다.

DfAM의 범위에 대해서는 의견이 분분하다. 위상 최적화를 중심으로 한 설계 단으로 한정하자는 의견과 공정 부문까지 확대해야 한다는 의견이 있다. MFG는 이번 호에서 설계에서 부터 공정까지 범위를 확대한 넓은 범위의 DfAM에 대해 알아보았다.
DfAM의 범위에 대해서는 의견이 분분하다. 위상 최적화를 중심으로 한 설계 단으로 한정하자는 의견과 공정 부문까지 확대해야 한다는 의견이 있다. MFG는 이번 호에서 설계에서 부터 공정까지 범위를 확대한 넓은 범위의 DfAM에 대해 알아보았다.

둘째, 어떻게 실패를 방지할 것인가?
앞서 말한 것처럼 적층 제조는 비싸고, 느리고, 어렵다. 그럼에도 불구하고 이런 제약들을 상쇄하고도 남을 만큼 가치 있는 적용 대상을 찾았다면, DfAM을 통해 생성된 최적화 된 디자인을 바탕으로 파트를 출력하는 것만 남았다. 문제는 아직 넘어야 할 산이 많다는 것이다. 적층 과정, 특히 금속 파우더를 사용한 적층 제조 공정 중에는 상대적으로 온도가 낮은 금속이 갑자기 레이저를 맞아 용융된 다음, 새로운 파우더 층을 통해 다시 레이저를 맞기 전에 상대적으로 급속하게 냉각되어 온도 변화가 크다. 이로 인해 열 응력이 쌓이게 되고 부품의 변형 되거나 빌드 플레이트에서 떨어지기도 하고, 심지어 3D 프린팅 장비 안에서 폭발할 수도 있다. 이런 상황을 경험하고 공정 차원에서 해결한 기업은 국내의 경우 많지 않다. 아직 대부분 기업, 심지어 적층 제조를 전문으로하는 기업조차 아직 풀어야 할 기술적인 문제들을 많이 가지고 있는 것이 현실이다.

후처리를 포함한 적층 제조 공정 전반에서 시뮬레이션은 값비싼 시행착오 과정을 크게 줄여줄 수 있다. 테스트 출력을 위해 고가의 파우더, 장비, 큰 비용이 드는 개발 시간을 투자하는 위험을 감행하기 전에 출력 결과를 예측할 수 있다면, 가상 환경에서 열적, 구조적 응력이 있는 영역을 확인하고, 설계를 수정하여 3D 프린팅 중에 발생할 수 있는 제품의 변형을 제거할 수 있다면, 이 정도라면 시뮬레이션은 적층 제조에 있어서는 선택이 아닌 필수라고 할 수도 있다. 실제로 최근 사용되는 적층 제조 전문 소프트웨어들은 DfAM 기반 최적화 설계 이후 이어지는 서포트 생성 단계, 빌드 준비 단계, 열처리 단계, 플레이트 절단 및 서포트 절단 단계 등 모든 단계마다 시뮬레이션을 적용해 응력 및 변형, 열 흐름 등을 파악하고 원하는 파트를 실패 없이 출력할 수 있도록 하고 있다. 종전의 제조 방식과는 조금 다르게 적층 제조에서는 시뮬레이션이 별도의 테마가 아닌 기본 기능으로 자리 잡을 것으로 전망된다. 마치 3D CAD가 필수로 인식되고 있는 것과 유사하다.

적층 제조를 위한 DfAM 차원의 접근 방식을 요약하자면 다음과 같다. 첫째, 비싸고, 느리고, 어려운 적층 제조 공정의 약점을 모두 상쇄하고도 남을 만한 파트를 찾아 위상 최적화 설계를 한다. 둘째, 시뮬레이션을 반복해 각 공정 중에 발생할 다양한 문제를 사전에 예측하고 수정해 출력 실패를 줄여나간다. 이를 위해 어떤 기술과 솔루션이 사용되는지 기사를 통해 알아본다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.