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진정한 DfAM이란 바로 이런 것 – 머티리얼라이즈의 DfAM 솔루션

불과 5년 전만 해도 생소했던 3D 프린팅이 현재는 제조의 한 축으로 언급되고 있다. DfAM은 Design for additive manufacturing을 축약한 단어로 2017년부터 3D 프린팅 업계에 가장 인기 있는 단어로 쓰여왔다. 현재까지도 가장 큰 축을 이루는 전통 제조 방식은 그에 맞춰진 디자인과 엔지니어링 교육이 150년간 지속돼 온 반면, 30년 정도의 역사를 가진 적층 제조(AM, Additive Manufacturing)는 기존 제조의 반대되는 방식으로 생산하기 때문에, 이를 위한 디자인인 ‘DfAM’은 필수적이며 AM을 위한 마인드 셋이 요구되는 것도 당연한 일일 것이다. 최근 DfAM의 정의에 대한 다양한 주장이 이어지면서 가장 우려 되는 부분은 DfAM의 핵심적 가치인 ‘Why’와 ‘How’에 대한 부분을 놓치게 되는 것이다.

Why와 How를 망각하지 않은 DfAM의 좋은 예를 사례를 통해 살펴본다. 먼저 세계적으로 가장 성공적인 AM 사례가 많은 의료 업계를 살펴보면 맞춤 임플란트의 경우, 수백 장의 MRI 이미지 데이터를 기반으로 Materialise Mimics를 통해 3D 데이터로 정확하게 재건되며, Materialise 3-matic으로 뼈구조 디자인 혹은 서지컬 가이드(Surgical guide) 디자인을 만들고 Materialise Magics를 통해 데이터 준비 후 제조로 이어졌다. 보청기 산업은 시장의 패러다임을 완전히 바꾸어 99%가 AM으로 제조되어 대표적인 ‘AM 와해 기술’로 언급되고 있다. 3D 스캔 데이터를 입력으로 소프트웨어 개발을 통해 3D 데이터를 재건하고 디자인하며 시뮬레이션을 통하여 완성도 높은 출력까지 할 수 있었다. 필립스 전구 공장의 생산 라인에 사용되고 있는 3D 프린팅 브라켓은 CAD 및 해석 솔루션을 통해 디자인 최적화를 실현하여 생산성을 향상하고 비용 절감 효과를 이뤄내고 있다. 이 외에도 자동차, 항공 및 다양한 산업에서는 제너레이티브 디자인을 기반으로한 사례들이 만들어지며 이는 AM을 위한 디자인으로 진화되고 있다.

보청기 산업은 99%가 AM으로 제조되어 대표적인 ‘AM 와해 기술’로 언급되고 있다.
보청기 산업은 99%가 AM으로 제조되어 대표적인 ‘AM 와해 기술’로 언급되고 있다.
세계적으로도 성공적인 AM 사례로 가장 많이 소개되는 맞춤 임플란트 케이스.
세계적으로도 성공적인 AM 사례로 가장 많이 소개되는 맞춤 임플란트 케이스.
필립스 전구 공장의 생산 라인에 사용되고 있는 3D 프린팅 브라켓은 CAD 및 해석 솔루션을 통해 디자인 최적화를 실현했다.
필립스 전구 공장의 생산 라인에 사용되고 있는 3D 프린팅 브라켓은 CAD 및 해석 솔루션을 통해 디자인 최적화를 실현했다.

결국, 적층 제조 시장에 가장 중요한 것은 DfAM 소프트웨어에 대한 지나친 구분과 선긋기에 의한 가능성 제약이 아니라, 의미 있는 사례를 발굴하고 그 사례를 위한 DfAM을 통해 최대 가치를 창출하는 것이 우리가 집중해야 할 부분이다.  DfAM의 목적이 무엇인지를 이해하고 이에 맞는 마인드 셋으로 이를 의미 있는 사례에 적용할 때, 기업의 비즈니스 가치를 창출하고 인간의 삶의 질을 개선할 수 있을 것이다.

Materialise의 DfAM, ‘CONNECTIVITY’
벨기에에 본사를 둔 Materialise(이하 머티리얼라이즈)는 전 세계에서 가장 큰 3D 프린팅 공장 중 하나를 지난 30년 간 운영해오고 있으며 1990년부터 적층가공용 소프트웨어를 개발하여 공장의 생산성 및 품질 향상을 이루어 낸 기업이다. 또한, 개발한 소프트웨어를 전 세계에 공급하여 그들과 함께 의미 있는 사례를 실현해 내고 있다. 3D 프린팅 산업에서 머티리얼라이즈의 역할을 한 단어로 정의한다면 ‘연결’이다. AM 제조 과정에서 하나의 소프트웨어가 모든 것을 해결할 수 없기에, 각 단계 혹은 사례에 특화된 소프트웨어가 필요하고 또한 이들이 연속적으로 적용되는 것이 중요하다. 머티리얼라이즈는 30년 간 다져진 디지털 공장의 노하우와 AM 생산에 필요한 소프트웨어로 AM 제조 과정을 ‘연결’하고 있다.

3matic

 

 

디자인 :: 머티리얼라이즈 3-matic은 1990년 중반 의학 적층 제조를 위해 개발되어 맞춤 서지컬 가이드, 맞춤 임플란트 및 뼈 구조 디자인 등에 활용되기 시작했다. STL 기반의 AM을 위한 디자인, 경량화 구조, 3D 텍스처링, 디지털 디자인 자동화 기능 등을 통해, 의료 분야뿐 아니라 전 세계 자동차, 항공우주, 신발, 금형, 안경 산업 등에 활용되고 있다. DfAM의 가장 중요한 역할 중 하나는 출력(Printing)이다. 아무리 멋진 디자인도 실제로 출력이 어렵다면 실현될 수 없는 데이터에 불과하다. 출력 관점에서 3-matic은 이미지 데이터(CT/MRI), 스캔 데이터, 위상 최적화 데이터, CAD 데이터 등 다양한 입력 데이터를 가장 좋은 퀄리티의 STL로 변환하여 각각의 사례 안에서 AM을 위한 디자인 최적화를 가능케 한다. 이를 위해 머티리얼라이즈는 Siemens NX, Altair, Ansys 등 다양한 파트너들과 협력하고 있다. 특히 머티리얼라이즈 3-matic 래티스 모듈은 그래프를 기반으로 래티스 구조의 자유로운 설계 및 편집이 가능하며, 많은 수의 노드도 가볍게 다룰 수 있다.

3-matic의 텍스쳐링 모듈을 통해 STL 파일에 3D 텍스쳐, 천공, 패턴 등을 제작할 수 있다.
3-matic의 텍스쳐링 모듈을 통해 STL 파일에 3D 텍스쳐, 천공, 패턴 등을 제작할 수 있다.
3-matic의 래티스 모듈은 다양한 격자구조 중 선택이 가능하다. 사진은 알테어, 레니쇼와 협업한 결과물이다.
3-matic의 래티스 모듈은 다양한 격자구조 중 선택이 가능하다. 사진은 알테어, 레니쇼와 협업한 결과물이다.

magics

 

 

적층 제조 파일 준비

업계에서 사실상 AM 표준 파일 준비 소프트웨어로 활용되고 있는 머티리얼라이즈 Magics는 가공 분야에서의 CAM의 역할을 한다고 볼 수 있다. 성공적인 3D프린팅을 위해서는 완벽한 데이터 준비가 필요하다. 다양한 입력 데이터(CAD, 스캔 데이터, 3mf)의 원본을 최대한 유지한 상태에서 STL로 변환하고 출력 가능한 데이터로의 오류 복구 및 AM 기술별로 최적화된 빌드 플랫폼을 준비해야 한다. 또한, 생산성 향상을 위한 데이터 수정 등을 워크플로우 단계별로 수행한다.

Magics의 파일 준비는 로고, 시리얼 넘버 추가, 파트 내부 비우기 (자체 서포트로 내부 비우기), 텍스처 적용, 래티스(lattice) 구조 생성 및 Bolean 적용 등 파일 편집이 가능하다. 또한, 빌드 플랫폼 준비를 위해 파트를 복제하거나 이상적인 방향으로 배치하고 메탈과 SLA 파트에 서포트를 생성하며 효율적으로 SLS파트를 3D 네스팅하거나 no-build 존을 생성할 수 있다.

Materialise Magics는 생산성 향상을 위한 데이터 수정 및 준비 등을 워크플로우 단계별로 수행한다.
Materialise Magics는 생산성 향상을 위한 데이터 수정 및 준비 등을 워크플로우 단계별로 수행한다.

머티리얼라이즈의 CAD Link 모듈을 통해 STL 파일을 CAD 데이터로 변환 시에는 모델의 형상에 따라 자동으로 표면을 계산 및 변환하는 과정을 거치게 된다. 사용자의 선택에 따라서 기하학적인 구조를 계산하여 이를 기초적인 형상 정보로 변환하거나, 전체의 표면을 Nurbs로 자동분리할 수 있는 기능을 제공한다.

AM 시뮬레이션
AM 제조를 실현하기 위해 가장 중요한 요소 중 하나는 생산성이다. 이를 위해 하드웨어적인 자동화뿐 아니라, 데이터 준비 과정에서의 자동화 및 최적화가 더욱 중요해지고 있다. 특히 금속 파트 출력 시에는 많은 실패 요소가 있다. 기술 발전으로 리드 타임을 단축하고 그 어느 때보다도 디자인의 자유를 누리지만, 한편으로는 한 번의 실수가 매우 큰 비용 손실로 이어질 수 있다. 빌드 실패로 인한 손해를 피하려면 처음부터 금속 파트를 제대로 프린트하는 것이 관건이다. 머티리얼라이즈는 MSC가 인수한  Simufact사와의 협력을 통해, AM 데이터 작업에 가장 필요한 기능을 Magics에 적용하여 데이터 준비가 빠르고 최적화되도록 했다. 

Magics Simulation 모듈은 이와 같은 실패 요소를 예측하여 성공적인 빌드를 끌어내는 솔루션이다. 이 모듈은 3가지의 대표적인 장점이 있다. 첫째로 한 번에 성공적으로 빌드할 수 있도록 한다. 부품의 변형을 예측할 수 있어 효과적으로 서포트를 배치 및 조정하여 변형에 대처할 수 있다. 이로써, 제작 시 발생할 수 있는 충돌을 피할 수 있으며 출력 파트의 품질을 높일 수 있다. 그 다음으로 시뮬레이션을 빠르게 재실행할 수 있다. 이로 인해 시험 제작 비용을 줄여 개발 비용이 크게 절감되며, 시장 출시 기간을 단축할 수 있다. 마지막으로 출력 파트의 품질을 향상한다. AM 공정에서 시뮬레이션을 통해 가장 좋은 부품 방향을 분석한다. 최고의 방향 설정 시, 표면 품질 개선, 변형 감소, 잔여 응력 감소 등의 품질 향상을 이룰 수 있다. 지능형 자동 서포트 최적화 솔루션인 머티리얼라이즈 e-Stage 소프트웨어와 함께 활용될 경우 생산성을 더욱 높일 수 있다.

Magics Simulation 모듈은  변형, 과열, 잔류 응력의 위험이 높은 부분을 예측하고 빌드 실패의 위험 및 테스트 프린트의 필요성을 감소시켜 주고, 부품 빌드에 있어서 최상의 파라미터 구성을 찾는 데 걸리는 시간을 줄여준다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 서포트 및 오리엔테이션을 변경할 수 있고 프린팅 단계상의 변형을 피할 수 있어 부품 변형을 방지해 준다. 또한, 시뮬레이션 결과 변형이 예상되는 부분에 대한 자동 보정 형상을 제공해준다.

Magics Simulation 기능

시뮬레이션 결과는 수축 라인이 발생할 수 있는 위치를 예측한다. 붉은 영역은 수축 라인이 생길 수 있는 위험성이 높은 반면 푸른 영역은 위험이 없음을 나타낸다.
시뮬레이션 결과는 수축 라인이 발생할 수 있는 위치를 예측한다. 붉은 영역은 수축 라인이 생길 수 있는 위험성이 높은 반면 푸른 영역은 위험이 없음을 나타낸다.
붉은 영역은 잔류응력으로 인해 발생할 수 있는 리코터 충돌 위험을 나타내며, 파트의 변형을 발생시킬 수 있다.
붉은 영역은 잔류응력으로 인해 발생할 수 있는 리코터 충돌 위험을 나타내며, 파트의 변형을 발생시킬 수 있다.

 

출력 후 파트의 전반적인 변형을 시뮬레이션한다.
출력 후 파트의 전반적인 변형을 시뮬레이션한다.
시뮬레이션 결과는 서포트 구조와 관련된 위험성을 예측한다. 붉은 영역은 서포트 출력에 실패하기 쉽거나 뒤틀릴 수 있는 가능성을 나타낸다. 서포트 구조를 강화할 것을 제안하고 있다.
시뮬레이션 결과는 서포트 구조와 관련된 위험성을 예측한다. 붉은 영역은 서포트 출력에 실패하기 쉽거나 뒤틀릴 수 있는 가능성을 나타낸다. 서포트 구조를 강화할 것을 제안하고 있다.
왜곡 보정을 통한 자동 파트 수정. 붉은색 부분은 원본 파트를 나타내며, 회색 부분은 보정이 적용된 부분을 나타낸다.
왜곡 보정을 통한 자동 파트 수정. 붉은색 부분은 원본 파트를 나타내며, 회색 부분은 보정이 적용된 부분을 나타낸다.

 

시뮬레이션 모듈이 열 축적으로 영향을 받은 부분을 감지한다.
시뮬레이션 모듈이 열 축적으로 영향을 받은 부분을 감지한다.

bp

 

 

머티리얼라이즈 Magics Build Processor(BP)는 Magics 소프트웨어의 모듈로 장비 사이의 커뮤니케이션을 담당하여 프린팅의 복잡성을 줄여준다. 머티리얼라이즈 Build Processor(BP)는 국내 3D 프린팅 장비뿐만 아니라 전 세계 광범위한 장비 별 솔루션을 제공하여, 3D 프린팅 기술에 구애받지 않는다. 더불어, BP의 슬라이스 기반 기술은 상당한 작업이 요구되는 트라이앵글 화(Trianglization)를 생략하여 슬라이스 상의 원하는 형상을 생성함으로써 큰 대용량의 파일도 프린팅 가능하게 한다. 국내 대표적 장비 사인 대건테크, 윈포시스, 캐리마, 인스텍을 포함한 해외 메이저 장비 제조사들의 거의 모든 Build Processor를 개발했다.

정확한 슬라이싱 기능을 위해서는 기하학적인 구조의 중요성보다 깔끔하게 닫힌 형태의 STL 모델 형상을 고려해야 한다. STL 모델에서 열린 표면, 겹쳐진 혹은 교차된 삼각형 등의 요소들은 슬라이싱 과정에서 오류나, 빌드 실패를 유발할 수 있다. 단순한 슬라이싱 기능은 다양한 프로그램으로 진행이 가능하다. 그러나 3-matic에서의 그래프 상태의 복잡한 래티스 구조 등의 디자인을  STL 변환을 거치지 않고 바로 출력을 할 수 있도록 하는 슬라이싱을 하는 것은 Materialise 빌드 프로세스의 특징이며, DfAM의 중요한 역할중 하나인 데이타 사이즈의 제약을 넘어서, 프린팅이 가능하게 함을 의미한다.

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AM 생산관리 시스템 :: 오늘날 적층 제조가 안고 있는 과제는 생산성 및 연결성 증대이다. 머티리얼라이즈 Streamics는 장비와 운영 시스템을 통합 관리하여 이 과제를 해결한다. 머티리얼라이즈 소프트웨어가 GE Aviation의 세계 최대 규모의 제트 엔진을 만드는 일조했던 사례를 알아본다. 보잉의 차세대 777X 제트기용으로 개발된 세계 최대 제트 엔진인 GE 9X는 2018년 3월 GE 플라잉 테스트 베드에서 처녀비행을 시작했다. GE 9X 엔진에는 디자인 최적화의 유명한 사례로 알려진 3D 프린팅 연료 노즐부터 저압 터빈블레이드를 포함 6개의 3D 프린팅 부품이 들어간다.

Avio Aero사는 최대 생산 기간인 2022년에서 2023년 동안 이러한 3D 프린팅 TiAl 블레이드만 연간 6만 개 생산될 것으로 예상했다. 이는 3D 프린팅 부품 생산을 일반 산업 수준으로 확장하면서 동시에 항공 우주 산업의 높은 표준을 충족하고 생산 환경에서 효율성을 유지해야만 가능하다. 산업 수준에다가 인증까지 마쳐야하는 3D 프린팅 과업을 위해서는 품질 관리 및 재현성이 요구되는 동시에 기계 작동 시간, 폐기물 최소화 및 비용 제어의 효율성을 바탕으로한 높은 처리량이 필요하다. 이를 위해 설계에서 생산 및 마무리에 이르기까지 이 매끄럽고 효율적인 디지털 생산을 가능하게 하려면 모든 프로세스 단계를 최적화하고 통합해야 한다. 당면한 이 문제를 해결하기 위해 Avio Aero는 머티리얼라이즈의 Streamics 소프트웨어 솔루션을 사용하여 성공적으로 3D 프린팅 비즈니스를  확장할 수 있었다.

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Avio Aero는 머티리얼라이즈의 Streamics 소프트웨어 솔루션을 사용하여 설계에서 생산 및 마무리에 이르기까지 매끄럽고 효율적인 디지털 생산을 가능하게 하기 위한 모든 프로세스 단계를 최적화하고 통합했다. (Image: Avio Aero. All rights reserved)
Avio Aero는 머티리얼라이즈의 Streamics 소프트웨어 솔루션을 사용하여 설계에서 생산 및 마무리에 이르기까지 매끄럽고 효율적인 디지털 생산을 가능하게 하기 위한 모든 프로세스 단계를 최적화하고 통합했다. (Image: Avio Aero. All rights reserved)

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프로세스 모니터링은 AM 품질 관리를 위한 중요한 도구로서, 머티리얼라이즈에서는 Inspector 소프트웨어가 품질 보장을 위한 생산 및 R&D 솔루션 역할을 한다. 생산 공정 품질을 보장은 모든 제조 비즈니스에 필수 요건으로 3D 프린팅을 적용 시 더욱 중요한 요소가 된다. 빌딩 공정에서는 재료 및 파트 특성이 형성되므로 생산 공정을 면밀히 제어하고 모니터링할 필요가 있다.

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About 이상준 기자

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