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유체 역학을 최적화하는 적층 제조 – 3D 시스템즈의 적층 제조 기술 적용 사례

부품의 복잡성에는 한계가 있다. 통상적인 생산 기술은 더는 복잡한 설계를 비용 효율적으로 구현하지 못하거나 어떤 경우에는 전혀 구현하지 못할 수도 있다. 이 때문에 오늘날 엔지니어들은 기존의 한계를 넘어 정교한 고부가가치의 제품을 생산하는 일에 고심하고 있다. 3D 시스템즈가 발표한 백서를 통해 열교환기, 추진 시스템, 매니폴드, 미세 유체 장치 등의 고부가가치 유체 역학 부문에서 적층 제조(AM)의 이점을 활용하는 방법에 대해 알아본다.

적층 제조(Additive Manufacturing, AM)는 절삭 기술의 한계를 없앰으로써 전에는 불가능했던 디자인을 실현할 수 있게 되었다. 이상적인 적층 제조 솔루션은 재료, 하드웨어, 소프트웨어 같은 유형의 구성요소뿐만 아니라 노하우와 전문성 수준 같은 무형의 요소가 함께 작용하여 제조 수준과 성능을 높인다.

적층 제조로 전환하려면 적층 제조용 디자인(DfAM)으로 사고를 전환해야 한다. 적층 제조는 일반적인 제조 방식과 달리 부품 성능의 도전적이고 어려운 측면을 해결하는 것을 가능하게 한다. 다시 말해, 이제는 제조 가능성과 디자인 자유가 서로 상충하지 않아 부품과 시스템에 새로운 기능을 추가할 때 생산 라인에 조립 라인이 추가되지 않고, 구성품 무게가 줄고, 연결 지점이 적어 신뢰성이 향상된다. 또한, 유기적인 채널 디자인 등 많은 이점을 누릴 수 있다.

적층 제조는 툴을 사용하지 않는 제조 기법이기 때문에 적층 제조 부품은 더 정교해져도 비용이 올라가지 않는다. 적층 제조 프로세스의 자동화가 향상되고 기존 생산 워크플로우와 더욱 긴밀하게 통합된다는 점을 고려하면 고부가가치 부품에서 적층 제조의 매력은 더욱 커진다. 성능, 경제성, 신뢰성 개선 가능성 때문에 적층 제조가 생산 기술로 더 많이 채택되고 있다. 3D 시스템즈의 3D 프린터를 사용해 유체 유동을 강화한 엔지니어링 사례들을 알아본다. 

열교환기 및 기타 열 관리 시스템
열교환기는 큰 시스템 내부의 열에너지를 관리할 때 사용되는 부품이다. 이는 전체 시스템에 엄청난 영향을 미치므로 그 기능과 효율을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 적층 제조를 통해 열교환이 필요한 광범위한 응용 부문에서 성능을 개선할 수 있다.

기존 제조 방식으로 열교환기를 설계할 때는 생산 가능한 냉각 채널의 크기와 모양이 제한된다. 그러나 적층 제조는 디자인의 제약이 없기 때문에 채널 안에 채널을 만들 수 있어 대항류, 표면적, 열 교환을 늘릴 수 있으며, 채널의 내부 표면을 거칠게 하여 난류를 유도할 수도 있다.

또한, 적층 제조는 유한 요소 소프트웨어 패키지로 만든 디자인을 완벽하게 제조할 수 있다. 일반적으로 이런 디자인은 모양이 매우 복잡해 제한된 공간에서 그 표면적과 열 교환이 극대화된다. 적층 제조는 복잡한 모양의 얇은 벽을 프린트할 수 있어, 일반 제조 방식에서 생기는 취약점 없이 열에너지 전달 효과를 크게 높일 수 있다.

일부 열교환 응용 부문에서는 제한된 공간에 맞추는 일도 해결해야 할 과제다. 이 경우 적층 제조는 유기적인 형상을 만들 수 있고, 조립품을 단일 부품으로 통합할 수 있어 매우 유리하다.

적층 제조로 만든 열 교환기의 단면. 적층 제조는 디자인의 제약이 없어 대항류, 표면적, 열 교환을 늘릴 수 있으며, 채널의 내부 표면을 거칠게 하여 난류를 유도할 수도 있다.
적층 제조로 만든 열 교환기의 단면. 적층 제조는 디자인의 제약이 없어 대항류, 표면적, 열 교환을 늘릴 수 있으며, 채널의 내부 표면을 거칠게 하여 난류를 유도할 수도 있다.

통합 냉각
유럽 핵입자물리연구소(CERN)의 엔지니어들은 대형 강입자 충돌기(LHC)의 검출 영역을 – 40 ̊C까지 냉각시켜 연구용 입자 반응을 보존하고자 했다. 이 영역은 길이가 140미터이고 폭이 2밀리미터 미만이며, 소산시켜야 하는 열 수준이 매우 높았다. 또한, 냉각 봉을 끼울 공간이 부족했고, 검출기 효율성과 분해능을 유지하는 데 필요한 평탄도가 요구되어 매우 어려운 상황이었다. 연구소는 적층 제조 솔루션으로 이 문제를 해결할 수 있다고 보고 3D 시스템즈와 제휴 관계를 맺고 실험에 사용할 3D 프린팅 티타늄 냉각 봉을 개발하고 제작했다.

연구팀은 우선 적합한 부품 디자인을 시작했다. 부품 길이(263mm)에 필요한 두께는 종전의 기계 가공 방식으로는 하기 어려운 디자인이었다. CERN은 3D 프린팅 경험이 없었지만 3D 시스템즈와 제휴한 덕분에 완벽한 밀봉 상태의 0.25mm 벽 두께와 정밀도 50마이크론의 평탄도를 달성할 수 있었다. 3D 시스템즈는 300개 이상을 생산하는 최종 단계에서도 도움을 주었다.

효율성을 극대화하기 위해서는 냉각재와 냉각이 필요한 표면 사이의 소재 최소화가 중요한 사안이었다. 부품 길이(263mm)에서 이 두께를 기계로 가공하는 것은 불가능했다.
효율성을 극대화하기 위해서는 냉각재와 냉각이 필요한 표면 사이의 소재 최소화가 중요한 사안이었다. 부품 길이(263mm)에서 이 두께를 기계로 가공하는 것은 불가능했다.

유체 매니폴드
개념은 단순하지만, 대부분의 기존 제조 기법은 매니폴드 제작에 적합하지 않다. 기존 방식으로 제조되는 유체 매니폴드는 모서리가 날카롭게 나와 유체 유동에 방해가 되고, 부품 안에 정체 구역이 생겨 압력이 손실되는 경향이 있기 때문이다. 그리고 체적도 큰 편이어서 무게도 상당히 무거울 수밖에 없다.

고부가가치 산업용 장비나 고속, 고성능 모터스포츠에는 레이더에 사용되는 고성능 유체 매니폴드를 사용해야 한다. 적층 제조 생산으로 전환하면 시스템 성능에 영향을 줄 수 있는 과도한 무게를 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 정체 영역을 없애고 형태를 통해 기능 문제를 더 잘 해결하여 구성품 자체의 성능도 개선할 수 있다.

적층 제조를 사용하면 일반적인 제조 공정에서 생기는 많은 제한을 피할 수 있어 최적의 이론적 형상으로 디자인 공정을 시작할 수 있다. 이 방식을 채택하면, 예리한 모서리와 정체 구역을 없애 성능을 개선하는 보다 유기적인 형상으로 전체 점유 공간, 재료 사용량, 무게를 줄일 수 있다.

적층 제조 방식으로 제작된 유체 매니폴드. 예리한 모서리와 정체 구역을 없애 성능을 개선하는 보다 유기적인 형상으로 전체 점유 공간, 재료 사용량, 무게를 줄일 수 있었다.
적층 제조 방식으로 제작된 유체 매니폴드. 예리한 모서리와 정체 구역을 없애 성능을 개선하는 보다 유기적인 형상으로 전체 점유 공간, 재료 사용량, 무게를 줄일 수 있었다.

미세 유체 장치
미세 유체 시스템은 크기 범위가 수십에서 수백 마이크론에 이르는 채널을 사용하여 소량의 유체를 처리하거나 조작한다. 이렇게 작은 치수와 사용되는 유체의 섬세함을 고려할 때 기존의 제조 방법은 느리고, 비용이 많이 들며, 노동 집약적인 ‘클린룸 공정’이었다. 적층 제조와 생체 적합성이 있는 재료를 사용하면 미세 유체 장치의 디자인 속도가 훨씬 더 빨라지고 복잡해져 성능과 생산 능력을 크게 높일 수 있다.

예를 들어, 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)에서 진행한 병원체 검출을 위한 ‘Lacewing 프로젝트’에서는 3D 시스템즈의 Figure 4 독립형 3D 프린터와 생체 적합성이 있는 생산 등급의 물질을 랩온칩(Lap-on-chip) 플랫폼에 사용할 기능 구성품과 미세 유체 장치의 원형 제작과 생산에 모두 사용했다. 

임페리얼 칼리지의 박사 과정 학생이자 연구 보조인 Matthew Cavuto는 Figure 4를 통해 알게 된 기능을 사용하여 이 장치의 구성품을 설계했다. 그는 “Figure 4를 통해 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 보내는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어서 미세 유체 장치의 생산 능력이 크게 개선되었다”라고 말했다. 각 Lacewing 미세 유체 카트리지는 대략 30 x 6 x 5mm로, 10마이크론 층으로 프린트된다. 임페리얼 칼리지 팀은 Figure 4 MED-AMB 10 재료를 사용하는데, PCR 반응에 대한 생체 적합성이 좋다고 말했다.

Figure 4 PRO-BLK 10으로 프린트한 인클로저. 그 내부에 있는 미소 유체 카트리지는 Figure 4 MED-AMB 10으로 3D 프린팅 했다.
Figure 4 PRO-BLK 10으로 프린트한 인클로저. 그 내부에 있는 미소 유체 카트리지는 Figure 4 MED-AMB 10으로 3D 프린팅 했다.

사례로 본 적층 제조의 이점
앞선 사례에서 자세히 보았지만, 유체 유동 부문에서 적층 제조의 이점은 다양하고, 서로 밀접하게 관련되어 있으며, 여기에 성능, 경제성, 신뢰성 향상까지 결합하여 더욱더 매력적이었다. 적층 제조는 유기적 형상을 사용하여 정체 구역을 없애는 것을 포함해 부품이나 시스템의 유동 성능을 개선할 수 있는 다양한 디자인 전략이 가능하다는 것도 알 수 있었다. 

금속 적층 제조 부품에 선택하는 디자인 전략과 후처리 워크플로우에 따라 적층 제조 생산을 통해 열교환기와 같이 난류로 열전달을 늘릴 수 있는 응용 부문에서는 난류를 촉진하고, 유체 매니폴드와 같이 압력 손실 없이 유체를 이동시켜야 하는 부문에서는 난류를 제한할 수 있다. 또한, 얇은 벽을 프린트하고, 더 복잡한 디자인으로 표면 대 체적 비율을 높이며, 용접 부나 개스킷이 필요 없어 신뢰성을 높일 수 있다는 점에서 정점 냉각도 개선할 수 있다.

About 이상준 기자

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

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