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적층 가공도 디지털 트윈으로 – 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어의 DfAM에 대한 접근

적층 제조에 최적화된 디자인을 할 수 있도록 지원하고, 한 번에 프린팅에 성공시키고 기준치 이상의 품질을 유지할 수 있도록, 더 나아가 양산까지 할 수 있도록 돕는다는 지멘스의 DfAM 접근 방법에 대해 알아본다.

지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어 (이하 지멘스)에서 적층 제조 영업을 담당하는 김택민 이사는 “많은 지멘스 고객들에게 왜 적층 제조를 하는지 물어보면 답변은 아직은 ‘빠른 시제품 생산’이라고 이야기한다. 이미 누구나 적층 제조으로 시제품 생산을 할 수 있는 상황이다. 적층 제조에 최적화된 디자인을 하고 한 번에 프린팅에 성공하고 기준치 이상의 품질을 유지하면서 양산까지 할 수 있도록 돕는 것이 지멘스의 DfAM에 대한 접근이다.”라고 말했다. 실제로 적층 제조 산업현장, 특히 국내의 경우 여러 가지 현실적인 장벽들이 존재한다. 전통적인 제조에만 머물러있는 사고방식, 설계부터 공정까지 연속적으로 이어지지 못하고 단속적으로만 이루어지는 불합리함 등 풀어야 할 숙제가 많다.

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지멘스는 이런 문제의 해결 방법으로 제시하는 것이 디지털 트윈(Digital Twin) 전략이다. 이는 제품 설계, 생산, 성능 예측 3개의 축을 통합되고 일관된 프로세스로 제공하는 것이다. 지금까지의 적층 제조는 그 자체로 생산 기술로만 여겨졌다. 그러나, 더 혁신적인 제품 생산에 적층 제조가 사용되어야 하며, 제너레이티브 디자인을 포함한 혁신적인 제품 개발을 위한 설계 프로세스, 성능 예측 프로세스가 필요하다. 지멘스는 이를 위한 개별 솔루션(NX, Simcenter Portfolio)들을 제공함은 물론, 전체 업무 프로세스를 표준화하고 축적된 데이터로부터 제품 개선 프로세스를 가속화 하기 위한 인프라인 Teamcenter 까지 모든 업무 단계, 사용자 레벨의 요구에 맞는 솔루션을 제공하는 것이다.

지멘스는 프로세스가 연결되지 않고 단속적으로 머무는 것이 적층 제조의 확산을 막는 문제로 인식한다. 이 장벽을 극복하는 방법으로 그들이 가지고 있는 디지털 트윈을 기반으로 한 플랫폼 차원의 접근을 제시한다.
지멘스는 프로세스가 연결되지 않고 단속적으로 머무는 것이 적층 제조의 확산을 막는 문제로 인식한다. 이 장벽을 극복하는 방법으로 그들이 가지고 있는 디지털 트윈을 기반으로 한 플랫폼 차원의 접근을 제시한다.

제너레이티브 디자인 – NX
지멘스 DfAM의 시작은 역시 제너레이티브 디자인이다. 지멘스에서 NX 제품을 담당하는 박길수 상무는 “적층 제조가 발전하기 전까지 제너레이티브 디자인은 학교에 머물던 이야기였다. 그러나, 적층 제조에 의해 확대된 제조 방법으로 인해 발전 속도가 가속화되고 있다. 업계는 앞으로 기존 제조 방식의 상당 부분이 제너레이티브 디자인을 기반으로 한 적층 제조로 갈 것이라는 확신을 가지고 있는 것으로 보인다. 이미 많은 국내 기업, 정부 기관 연구소 등에서 제너레이티브 엔지니어링을 기반으로 한 적층 제조에 대해 깊은 관심을 가지고 있고 지멘스도 협업 중이다.”라고 말했다. NX 상에서 부품의 요구 조건만 입력하면 자동으로 최적화된 제너레이티브 디자인 결과물이 생성된다.

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컨버전트 모델링
대부분의 제너레이티브 엔지니어링의 결과물은 소위 말하는 ‘캐드 파일’ 형태가 아닌 ‘파셋 바디(Facet body)’ 형태로 생성된다. 파셋 바디는 STL 파일 형태와 유사한 지오메트리(Geometry) 기반의 형상으로 파라메트릭(Parametric)한 정보를 가지고 있지 않다. 이 때문에 제너레이티브 디자인의 결과물에 솔리드 형상을 추가하거나 수정하는 등의 모델 수정을 해야할 때, 일반적인 소프트웨어는 서브디비전(Sub-division)과 같은 방식을 사용해 ‘파셋바디’ 형태를 ‘캐드 파일’로 변환한 뒤에야만 수정 작업이 가능하다. 이런 작업은 불편한 수작업인데다가, 설계자가 수작업으로 변환할 경우 약간의 오프셋을 주어 위상 최적화의 결과로 만든 설계보다 조금 더 크게 만들 수밖에 없기 때문에 최적화의 효과를 희석시키는 결과를 초래할 수도 있는 문제점을 가지고 있다.

지멘스 NX Generative Design을 이용한 위상 최적화 작업으로 여러 개의 부품으로 이루어진 파이프를 같은 성능의 파트 한 개로 통합했다.
지멘스 NX Generative Design을 이용한 위상 최적화 작업으로 여러 개의 부품으로 이루어진 파이프를 같은 성능의 파트 한 개로 통합했다.
제너레이티브 디자인의 결과물인 파셋 바디(Facet body) 상태에서 솔리드 모델링을 통한 추가 홀 작업을 진행한다. 지멘스의 컨버전트 모델링 기능이 이를 가능케 한다.
제너레이티브 디자인의 결과물인 파셋 바디(Facet body) 상태에서 솔리드 모델링을 통한 추가 홀 작업을 진행한다. 지멘스의 컨버전트 모델링 기능이 이를 가능케 한다.

지멘스 NX 플랫폼은 Convergent Modeling™(컨버전트 모델링)이라는 독특한 기술을 가지고 이 문제를 해결한다. 이 기술은 제너레이티브 디자인의 결과물이나 스캔한 데이터를 기본 캐드 형상으로 직접 활용한다. ‘파셋 바디’ 상태에서 캐드 파일 처럼 ‘파라메트릭’한 상태로 수정이 가능한 하이브리드 모델링 방식을 제공해 비 효율적인 수작업을 제거했다. 이 결과물은 조립, 도면 생성, 금형 설계, 해석, NC 가공 또는 적층 가공 등 이어지는 하위 공정에서도 직접 사용할 수 있어 제너레이티브 모델링의 최적화 된 결과를 손상하지 않으면서 제조 단계 까지 이어갈 수 있다.

지멘스의 컨버전트 모델링 기술은 제너레이티브 디자인의 결과물이나 스캔한 데이터를 기본 캐드 형상으로 직접 활용한다. 그림은 파셋 바디와 파라메트릭 형상을 함께 사용하는 예제이다.
지멘스의 컨버전트 모델링 기술은 제너레이티브 디자인의 결과물이나 스캔한 데이터를 기본 캐드 형상으로 직접 활용한다. 그림은 파셋 바디와 파라메트릭 형상을 함께 사용하는 예제이다.

또한, 일반적인 소프트웨어는 제너레이티브 디자인 결과물의 내부에 래티스 형상을 부가할 필요가 있는 경우, 마찬가지로 캐드 모델로 변경 후에야 비로소 가능하지만, NX의 컨버전트 모델링은 추가 작업 없이 래티스 형상을 추가할 수 있어 편리하다.

시뮬레이션 소프트웨어
Simcenter™ 3D AM은 적층 가공에 특화된 GUI로 개발된 해석 솔루션이다. 모델을 보면서 공정 변수만 넣어주면 해석이 되도록 구성되어 있다. 열 해석의 경우 열 때문에 얼마나 수축할지, 적층 후 열처리할 경우 열처리 조건을 감안해서 어느 정도 수축이 일어날 것인지, 또한 잔류 응력은 어떻게 될지를 해석한다. 잔류 응력이 남아있으면 파트 냉각이 완료된 후에도 파손될 수 있기 때문이다. Simcenter 3D AM은 여러 대의 레이저로 적층하는 경우도 해석할 수 있다. 현재는 PBF 방식만 가능하지만 DED 등 다른 방식은 계속 추가할 예정이다.

보상 형상까지 제공
NX AM Geometry Compensation은 적층 과정에서 발생하는 열 팽창이나 수축을 해석을 통해 사전 검증한 후, 실제 설계 데이터와의 차이를 미리 보정해 정상적인 적층 가공이 가능하도록 해 주는 보상 형상(Compensational geometry)을 생성해 주는 기능이다. 보상 형상은 파셋 데이터뿐만 아니라 NX 파트 파일로도 출력이 가능하며, NX의 컨버전트 모델링과 결합하여 형상 수정에 대한 자유도가 높다. 지멘스의 Simcenter™ HEEDS와의 연동을 통해 공정 변수에 대한 실험계획법을 제공한다. 또한, 도출된 보상 형상을 자동으로 기존 캐드 모델로 대체하고 해석 프로세스를 반복하는 과정에서 필요한 보상 계수를 최적화시켜 주는데, 이를 통해 반복 에러를 줄여나갈 수 있다.

NX AM Geometry Compensation은 적층 과정에서 발생하는 열 팽창이나 수축을 해석을 통해 사전 검증한 후 보상 형상을 출력해 준다.
NX AM Geometry Compensation은 적층 과정에서 발생하는 열 팽창이나 수축을 해석을 통해 사전 검증한 후 보상 형상을 출력해 준다.

한편, 이렇게 열 팽창이나 수축 때문에 형상을 보정해서 해결해야 하는 경우, 다루어야 할 공정의 변수가 너무 많은 경우가 있다. 이런 경우 공정을 조정하는 것보다 모델을 수정하는 것이 더 편할 경우도 있을 수 있는데, NX 플랫폼은 보상에 필요한 만큼만 모델을 간단하게 수정하는 과정이 매우 간단해 사용자는 상황에 맞게 효율적인 방식으로 대처할 수 있다.

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설계 부터 완제품 까지를 모두 커버
NX CAM AM 소프트웨어는 서포트 생성, 수정 기능과, 시뮬레이션을 포함해 한 번에 프린팅에 성공 할 수 있도록 하는 프린팅 준비 작업과 빌드프로세스 수행한다. 더 나아가 파우더 관리와 스케줄 관리, 후가공 시 서포트 제거를 위한 툴패스를 생성한다든지 NX CMM 소프트웨어를 이용해 마무리 검사를 준비하는 등 적층 제조 프로세스 전반을 커버하기 위한 플랫폼 차원의 접근이 지멘스의 DfAM 방식이다.

지멘스의 제너레이티브 디자인 사례
지멘스는 차세대 엔지니어 양성을 위해 Formula Student라는 행사를 후원한다. 참가한 학생들은 지멘스의 소프트웨어 플랫폼을 사용해 경주용 자동차를 설계하고 제작한다. 이 과정에서 제너레이티브 디자인을 통해 부품을 위상 최적화한 사례가 나왔다.

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About 이상준 기자

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