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[3D 프린팅과 DfAM③] DfAM을 실현한 제품들

전통적인 제조 기술은 재료를 깎아 내며 부품을 완성해 복잡한 내부 구조를 만들어내기 어렵다. 3D프린터는 전혀 새로운 형상을 한 번에 출력할 수 있다. 단, DfAM이 선행되어야 한다. 현재 시장에 DfAM을 적용해 제품을 만들어낸 사례들을 소개하고 DfAM을 구현하기 위한 접근 방식을 살펴본다.

DfAM이 만든 진공 그리퍼

기존 가공 방법
기존 가공 방법

로봇 자동화 전문기업 Genesis Systems Group(이하 제네시스)은 주요 생산 장비로 워터젯 로봇을 활용하고 있다. 복잡하고 많은 부품 때문에 로봇 팔에 물을 분사하는 절삭기를 장착하고 부품을 가공했다. 그러나 로봇 팔이 조금이라도 잘못 움직이면 분사 장치의 높은 수압으로 근로자가 위험해질 가능성이 있어 보다 안전한 프로세스의 도입이 시급했다. 따라서 로봇 팔로 부품을 잡은 상태로 절삭기 주위를 이동하며 가공하는 방식을 고안했다. 가장 큰 과제는 다양한 모양의 부품을 고정할 맞춤 그리퍼를 설계하고 제작하는 것이었다. CNC로 제작 시 가공 기간은 20일, 그리퍼의 무게는 15.9kg이다. 생산성이 너무 떨어져 제네시스는 3D 프린팅을 도입하기로 했다. 여러 가지 3D 프린팅으로 부품을 만들어본 결과 대부분은 물 분사 절삭 프로세스의 험한 과정을 견딜 만큼 견고하지 않았지만 스트라타시스의 FDM® 기술로 만든 그리퍼는 요구 수준을 뛰어넘는 견고함을 보였다. 또한, 기술자들은 FDM®의 기술을 활용해 에어라인의 내부 채널에 공기가 통과할 수 있도록 재설계 했다. 이를 통해 까다롭고 복잡한 모양의 진공 그리퍼를 제작할 수 있었다. 외부에 진공관을 설치했을 때보다 훨씬 더 간편하게 제작했으며 그리퍼는 진공 상태에서 부품을 고정할 수 있었고 물 분사 환경에서 손상될 수 있는 번거로운 바깥쪽 공압 라인도 줄었다.

내부 진공 채널을 볼 수 있는 CAD 모델
내부 진공 채널을 볼 수 있는 CAD 모델
DfAM을 적용해 출력한 그리퍼가 작동하고 있는 모습
DfAM을 적용해 출력한 그리퍼가 작동하고 있는 모습

기존 CNC 가공 시 20일 걸렸던 제작 시간이 FDM 3D 프린터로 출력 시 3일로 줄어 85% 단축했고 비용은 94% 감소했다. 경량 FDM 플라스틱 소재를 활용한 재설계로 무게도 15.9kg에서 1.4kg로 7배 이상 줄였다. DfAM을 적용한 설계 변경으로 시간, 비용 절감은 물론이고  제품 성능을 획기적으로 향상한 사례다.

Airbus

Finnair A320 항공기에 들어갈 부품

Finnair A320 항공기에 들어갈 부품
Finnair A320 항공기에 들어갈 부품

에어버스는 벨기의 Materialise와 협업해 기내 좌석 위 짐을 싣는 공간을 3D 프린터로 제작했다. 에어버스의 엄격한 객실 크기 및 품질 기준을 통과해 Finnair A320 항공기에 도입될 예정이다. DfAM 적용으로 기존 부품보다 15 % 가벼워 졌다. 또한, 추가 제조 비용을 들이지 않고 패널 내부에 복잡한 격자 무늬의 지지 구조를 만들었다.

GE

63D 프린팅에 아낌없이 투자하고 있는 GE의 유명한 DfAM 사례다. DfAM을 바탕으로 855개로 만들어진 기존 터보프롭 항공기 Catalyst 엔진 부품을 12개로 출력해 획기적으로 공정 단계를 줄였다. 뿐만 아니라 연료 소모를 20% 감소시켜 동급의 다른 엔진에 비해 10% 더 많은 출력을 보장한다.

해초류 형상의 신발 중창

7_1 7뉴발란스와 3D 시스템즈의 협업 사례다. 운동화의 본체와 밑창을 연결해주는 중창을 바닷속 해초류의 움직임을 보고 알고리즘을 만들었다. TPO 계열 소재에 적합한 3D 시스템즈의 SLS 프린터를 사용했다. 신발 중창은 신은 사람이 달리고 뛸 때 발생하는 충격을 흡수해주며 척추나 머리를 타고 올라오는 충격을 최소화해줘야 한다. 주문한 고객의 몸무게, 서있는 자세, 습관 등을 고려해 압력을 많이 받는 위치에 TPO의 밀도를 높게 배치한 고객 맞춤형 운동화다. 무게, 극한 온도 테스트 등 다양한 실험 끝에 85g짜리 운동화가 탄생했다.

 

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최적화 설계한 후 다시 디자인해 출력한 자동차 도어 힌지. 움직이는 토크를 재해석해 필요 없는 군살을 제거했다.

 

버섯균사 모양의 패턴을 사용해 디자인한 기타  
버섯균사 모양의 패턴을 사용해 디자인한 기타

주객이 전도된 DfAM 접근 방식

3D 시스템즈 프린터 사업부 백소령 본부장은 현재 DfAM에 대한 이해가 ‘주객이 전도된 상황’이라고 꼬집었다. DfAM은 적층 제조 관점에서 ‘제조공정’을 전문적으로 들여다봐야 하는데, 그보다는 해석 소프트웨어에 치중되어 있다는 것. “DfAM은 말 그대로 적층 제조를 위한 설계다. 하지만 적층 제조 공정을 포함하지 않고 해석 소프트웨어 데이터를 DfAM이라고 오해하는 경우가 허다하다. 해석 소프트웨어는 DfAM의 일부일 뿐이고, 바로 3D 프린터로 출력할 수 없는 데이터다. DfAM을 제대로 실현하기 위해서는 ‘공정 연구’가 제일 중요하다. DfAM 설계 없이 물리적인 성능만으로 3D 프린터가 기존 양산 공정을 대체할 수 없기 때문이다.”

공작기계로 가공하던 기존 제조 공정에 3D 프린터를 들여놓았다. 최신 3D 프린터를 도입했으니 아무 노력 없이 생산성이 올라갈까? 아니다. 3D 프린터는 기존 양산 공정을 책임지던 공작 기계보다 속도가 느리고 재료가 비싸다. 미세한 구슬 입자로 특수 공정을 거쳐서 청정 소재를 만들다보니 연구비와 개발비 많이 들고 같은 가공물을 만들어내도 재료를 조금 써 시장이 작다. 3D 프린터의 재료비가 비싼 이유다. 확연히 생산성이 떨어진다. 하지만, DfAM을 접목한다면 이야기는 달라진다.

실제로 3D 시스템즈는 고객의 DfAM 적용을 돕기 위해 공정 타당성을 검토하고 단계적으로 생산 라인에 도입할 수 있도록 검증하는 프로젝트를 진행하고 있다. 그 과정을 따라가 보자.
DfAM은 만들고자 하는 제품의 산업군과 사용하는 애플리케이션을 바탕으로 기존 공정을 검토하고 ▲경량화 ▲견고함 ▲심미성 ▲생산 원가 감소라는 네 가지 목적을 모두 담고 있는 설계 코드다. 목적을 설정하고 다양한 접근 방식 중 현재 제조 공정에 적합한지 끊임없이 적용해보고 테스트해보는 과정이 필요하다.

백 본부장이 말하는 DfAM의 세 가지 접근 방식은 첫째, 각종 해석툴의 부품에 대한 기능의 구속 조건을 부여해 만들어 낸 기본적인 위상 최적화 결과물에 제너레이티브 디자인을 추가해 재설계 한다. 이를 통해 필요 없는 군살을 제거할 수 있어 경량화는 물론 생산 원가가 줄어든다. 둘째, 일체형 설계로 공정을 최소한으로 줄여 가공 시간을 획기적으로 감소시킨다. 캐스팅, 언더컷 등 불가능했던 가공 공법이 3D 프린팅은 가능하게 해준다.

셋째, 기하 알고리즘, 자연 생체 모방 구조를 적용해 심미성을 부여한다. 자연환경에 맞춰 진화한 형상을 카피하는 방식을 통해 3D 프린터만이 출력해 낼 수 있는 형상을 구현한다.

일련의 과정이 바로 DfAM을 실현해줄 공정 연구다. 그 결과 제조 속도는 빨라지고 3D프린터 재료의 수요가 늘어나 단가는 내려간다. 3D 프린터를 사용하는 공정의 효율화를 위해 DfAM을 꼭 적용해야 하는 이유다.

백 본부장은 “제품을 생산하는 기업이 아닌 정부출연연구기관 위주로 DfAM 연구가 진행되다 보니 최종 목표가 공정에 대한 연구보다는 국산화 장비와 소재 개발인 경향이 크다. 정부 지원금으로 성능이 비슷한 억 단위 소프트웨어 패키지만 여러 대 구입하는 실정이 안타깝다”고 말했다.

 

About 김란영 기자

따끈한 밥 위에 스팸 한 조각처럼 감칠맛 나는 기사로 여러분의 입맛을 책임지겠습니다. 맛있게 읽으세요 :)