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[3D 프린팅과 DfAM①] 설계부터 완전히 새로운 방식의 접근 필요해

이미 수년 전부터 기존 가공 기술의 한계를 극복할 첨단 기술로 주목을 받고 있는 3D 프린팅. 해마다 높은 성장률을 기록하는 시장 규모에, 제조 패러다임을 바꿀 것이라는 기대를 한 몸에 받고 있는 와중에도 3D 프린팅 기술에 대한 회의적 목소리가 존재하는 이유는 무엇일까?

많은 전문가들이 3D 프린터 장비 위주의 개념 확산을 우려하고 있다. 3D 프린팅을 단순히 기존 공정이나 장비의 대체재로 여기게 되면 성능 면에서 실망할 수밖에 없기 때문이다. UNIST(울산과학기술원)에서 3D 프린팅 첨단 생산 기술 센터장을 역임하고 있는 김남훈 교수는 이 같은 인식에 개선이 필요하다고 말한다.

“3D 프린터를 도구로 인식하는 경우가 많다. 새로운 도구로 기존의 도구를 대체한다는 개념으로 접근했기 때문에 기존 방식과 비교해 성능, 비용, 시간에서 유리한 것이 없다는 점이 강조되었다. 특히나 대량 생산과 비용 절감이 미덕인 국내 제조 환경에서는 더욱 비판을 받을 수밖에 없는 위치였다. 하지만 3D 프린팅이 기존의 절삭 가공 및 사출 성형 장비와 근본적으로 다른 방식의 제조 기법이라는 사실을 인지해야 한다.”

김 교수는 생산 방식의 전환이라는 개념에서 제품 전주기에 걸친 기존의 한계 및 문제를 해결할 수 있는 방법론으로서 3D 프린팅을 활용해야 하며, 이러한 방식의 접근이야말로 3D 프린팅 기술의 저변 확대에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이라 강조했다. 이처럼 새로운 방식의 접근을 위해 놓쳐서는 안될 개념이 바로 DfAM(Design for Additive Manufacturing)이다.

UNISTS 3D 프린팅 생산 기술 센터장 김남훈 교수
UNISTS 3D 프린팅 첨단 생산 기술 센터장 김남훈 교수

3D 프린팅 활용의 열쇠, DfAM

DfAM은 3D 프린팅이 가지는 고유의 장점을 극대화하는 설계 방법론으로, 앞서도 말했다시피 기존 설계나 제조 과정에서 마주치는 문제 및 한계를 극복하는 해법을 제공해준다. 김 교수는 “DfAM이 3D 프린팅의 단점을 극복하고 장점을 부각시키는 설계 방법이긴 하지만, 모든 제품 및 부품 제작에 DfAM을 적용하는 것은 적합하지 않다. 구조와 소재의 복잡성, 스케일의 복잡성 등의 문제 때문에 기존 공법으로 제작 자체가 불가능하거나 제작 비용 및 시간을 너무 많이 소비하고 있는 경우라면 DfAM을 통해 여러 제약을 넘어설 수 있는 가능성이 훨씬 크다”고 설명했다.

DfAM 기법은 다양하게 존재한다. 여러 특성을 지닌 재료들을 한 번에 프린트하여 다양한 물성, 특수한 기능 등을 구현하는 ‘다중소재’ 설계, 설계 목적과 제약 조건을 고려하여 컴퓨터로 재료의 최적 배치를 계산하는 ‘위상 최적화’ 설계, 부품의 체결부를 줄이고 하나로 병합함으로써 성능을 향상하고 효율적인 구조를 구현하는 ‘일체형 구조’ 설계, 단위 구조 반복으로 구성된 격자 구조를 통해 강성을 유지하면서 파트의 초경량화를 실현하는 ‘격자 구조’ 등이 그것이다.

UNIST 3D 프린팅 첨단 생산 기술 센터에서는 DfAM 기법을 활용한 전기자전거와 전기자동차 외장 파트를 제작하며 높은 관심을 얻었다. 특히 전기자동차는 위상 최적화와 격자 구조 적용을 통해 최종 부품 중량을 기준으로 약 70%까지 경량화하면서도 강성까지 유지시켜, 앞으로 3D 프린팅 기술의 활용 가능성을 기대할 수 있는 긍정적 결과를 만들어냈다. 실제로 DfAM에 기반한 실제품 제작 사례도 존재한다. GE나 록히드마틴의 항공 부품 제작 사례, 로컬모터스의 커스텀 전기차 비즈 니스를 비롯해 스케일 및 형상 복잡성 이슈가 있는 의료 분야, 커스텀 시장에서 3D 프린팅 기술을 활용한 새로운 제작 방식을 도입하는 케이스가 늘고 있다.

국내에서도 지그, 픽스처 같은 툴링 분야를 중심으로 DfAM에 접근하는 사례들이 있지만 아직까지 그 빈도는 미미한 수준이다. 김남훈 교수는 3D 프린팅 기술의 저변 확대를 위해선 기술 접근에 대한 인식 개선이 중요하다고 다시 한 번 강조했다.

“어느 한 공정에 3D 프린터 장비를 들여 놓는다고 변화가 이루어지는 것이 아니다. 이 기술을 제대로 활용하려면 기존의 설계 및 생산 방식과는 완전히 다르게 접근해야 한다. 이는 설계부서나 생산부서가 감당해야할 문제는 아니다. 이 두 부서를 융합한 제 3의 조직 또는 엔지니어가 필요하다는 말이다. DfAM은 설계나 해석, 최적화 그리고 생산 과정에서 3D 프린팅 생산의 제약과 요구 사항들을 얼마나 잘 반영하느냐가 성패를 좌우하기 때문에, 설계와 3D 프린팅의 프로세스를 모두 이해하여 최적의 결과를 만들 수 있는 DfAM 전문가 양성이 중요하다.”

About 김솔 기자

다양한 취재 경험을 살려 여러분께 읽고 싶은 기사, 재미있는 기사 보여 드리겠습니다:)