위상최적화로 제조 분야에서 3D 프린팅의 가능성을 높인다
3D 프린팅이 제조 분야에서 쓰임새를 넓히고 있는 상황에서, 효과적인 3D 프린팅을 위한 설계 기술에 대한 관심도 높아지고 있다. 알테어(http://www.altair.co.kr)와 스트라타시스 코리아(http://www.stratasys.co.kr)가 2월 7일 진행한 ‘위상최적화와 3D 프린팅을 통한 최적화 설계 워크숍’에서는 위상최적화 기반의 설계와 3D 프린팅의 융합에 대한 내용이 소개되었다.
■ 정수진 편집장 sjeong@cadgraphics.co.kr
최적 설계를 위한 위상최적화 기술
3D 프린팅은 프로토타입 제작에 그치지 않고 제조 분야에서 새로운 가능성을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 4차 산업혁명과도 맞물려 꾸준히 주목을 받고 있다. 3D 프린팅은 기존의 가공 방식으로 구현하기 어려웠던 복잡한 형상이나 획기적인 구조를 빠르게 제작할 수 있는 것이 장점으로 꼽힌다. 또한 개인화된 제품을 편리하게 제작할 수 있고, 제작에서부터 시장출시까지의 시간을 줄이는 효과도 가져온다. 그런데, 이러한 3D 프린팅의 이점을 극대화하려면 제작 전 단계에서 형상 즉 디자인을 결정하는 기술에 대해서도 고민할 필요가 있어 보인다. 알테어와 스트라타시스가 마련한 이번 행사에서는 새로운 설계 기법과 3D 프린팅의 결합에 대한 내용이 소개되었다. 알테어의 이상헌 리더는 "인간의 지적 능력을 대신해 디자인을 할 수 있는 기술로 인공지능(AI)이 주목받고 있다"면서 설계를 위한 인공지능의 사례로 '위상최적화(topology optimization)'를 꼽았다. 위상최적화는 '주어진 설계 공간 안에서 하중을 잘 견디고 재료를 절약하면서 출력시간을 줄일 수 있는 최적의 형상을 제안하는 알고리즘'으로 설명할 수 있다. 성능의 최적화를 위해 자유로운 형상을 제안하고, 개인화를 구현하면서 디자인 프로세스를 줄일 수있다는 점이 위상최적화가 내세우는 이점이다. 특히 산업 현장에서 위상최적화는 아직 보편화된 개념이 아니지만 UAV 개발이나 지그디자인 등 실용화한 사례가 등장하고 있는 상황이다.
위상최적화의 이론적 배경은 이전부터 정립되어 있었지만, 최적설계 소프트웨어로 상용화되어 나온 것은 비교적 최근의 일이다.
알테어의 솔리드씽킹 인스파이어(solidThinking Inspier)는 위상최적화 기술을 통해 설계 엔지니어나 제품 디자이너, 건축가 등 다
양한 사람들이 효율적인 구조의 설계 개념을 쉽고 빠르게 얻을 수있도록 하는 솔루션이다. 알테어는 위상최적화 기술을 먼저 개발
해 제품화했고 사용성이 뛰어나다는 점을 솔리드씽킹의 강점으로 꼽고 있다.
이상헌 리더는 "최근의 3D 프린팅은 복잡한 형상을 제작하는 것이 아니라 필요한 스펙에 맞는 형상을 자동으로 생성하는 것이 필
요해지고 있다"면서 "3D 프린팅과 위상최적화의 결합은 나뉘어진 기술들을 하나로 엮어 더 쉽게 사용할 수 있는 방향으로 발전할 것이다. 더 빠르고 쉽게 접근할 수 있는 보편화된 기술로 자리잡기 위해서는 접근성이 높아져야 하며, 클라우드 컴퓨팅이 이에 기여할 수있을 것"이라고 전망했다.
3D 프린팅, 아는 만큼 잘 쓴다
스트라타시스코리아의 이주현 AE는 3D 프린팅 기술을 실제 제조현장에서 사용하고자 할 때 고려해야 할 점을 짚었다. 현재 많이 쓰이고 있는 NC 가공은 정확한 파트 가공에 강점을 가진 반면, 만들수 있는 형상에 제약이 있고 제작 시간과 숙련도가 요구되는 단점이있다. 이에 비해 3D 프린팅 기반의 적층 제조(Additive Manufacturing)는 자유로운 형상을 제작할 수 있고, 부피에 비해 무게가 가벼운 제품을 만들 수 있다. 스트라타시스가 채택하고 있는 산업용FDM 방식은 ABS와 PC 등 보편화된 재료를 사용하는데, 강성 및 열변형 등에서 장점이 있으며 성능 테스트뿐 아니라 실사용에 활용할 수 있는 기술이다. 그렇다고 3D 프린팅 기술이 만능은 아니다. 제작하는 부피가 클수록 재료 비용이 크게 늘어나고, 한 층씩 쌓는 기법이기 때문에 특정 방향의 강도가 상대적으로 약하다는 점도 고려해야 한다. 이 때문에 3D 프린팅을 제조 영역에서 활용하기에 앞서 3D 프린팅을 고려한 디자인 수정이 필요해진다.이주현 AE는 "예를 들어, 재료를 적층할 때 재료의 단면 두께는 적층 높이의 2배가 된다. 또한 적층 방향에 따라 부위별로 강성이 달라질 수 있다. 이러한 점을 고려해서 3D 프린팅할 파트를 적절하게 배치하거나 때로는 분할하는 작업이 필요하다. 또한 서포트를 생
성하지 않고 스스로 지지할 수 있도록 디자인을 변경하는 것도 고려할 수 있다"고 설명했다.
