대한금속·재료학회 엮음    대한금속·재료학회가 '적층 제조 금속 소재와 시장동향' 도서를 발간했다. 빠르게 변화하고 성장하는 금속적층제조 분야에서 우리나라가 빠르게 기술 선진국을 추적하기 위해서는 최신 기술과 시장 동향을 파악하고 예측하는 것이 시급하다. 이 보고서는 기존에 이미 많이 출판된 교과서적인 기술 위주의 내용에서 탈피하여, 최신 기술뿐 아니라 산업 동향을 중점적으로 포함시키고자 하였다. 이를 위하여 금속적층제조 공정, 금속적층용 분말제조, 다양한 재료의 적층공정, 후처리기술과 시장동향, 인증과 표준현황과 방향에 대해 기술하였다.  이 책자는 3D 프린팅부터 적층 제조, 알루미늄, 타이타늄, 초내열합금 등 다양한 분야의 전문가들이 함께 집필했으며, 3D프린팅연구조합 강민철 이사와 공주대 홍순직 교수가 책임 집필을 맡았다.  

AM 스튜디오를 활용한 금속 3D 프린팅   이번 호에서는 새롭게 등장한 PBF 머신을 지원하는 데이터 전처리 소프트웨어인 AM 스튜디오(AM-Studio)의 특징과 워크플로에 대하여 살펴보고자 한다. ■ 유병주  태성에스엔이 적층제조센터(DfAM)의 소장이다. 구조해석 분야의 오랜 경험과 통찰력을 바탕으로 금속적층제조 분야의 설계, 해석 및 3D 프린팅 소재, 제품에 대한 연구를 총괄하며 다양한 국책지원사업에 참여하고 있다. 이메일 | bjyoo@tsne.co.kr 홈페이지 | www.tsne.co.kr ■ 황우진 태성에스엔이 적층제조센터(DfAM)의 전문가로서 설계부터 제작까지 수반되는 Additive Solutions 전문 해석을 담당하고 있다. AM 교육 담당과 함께 DfAM 및 제조 성공 사례를 발굴하며 DfAM의 표준을 제시하고 있다. 이메일 | hwj3237@tsne.co.kr 홈페이지 | www.tsne.co.kr   금속 PBF 기술과 전처리기의 등장 금속 적층제조(Additive Manufacturing)에 관심이 있는 분들이라면 한번쯤은 EOS의 DMLS, GE 애디티브(GE Additive)의 LaserCUSING, SLM 솔루션즈(SLM Solutions)의 SLM 그리고 3D시스템즈의 DMP를 들어보았을 것이다. 세계적으로 유명한 금속 적층제조 장비 제작사와 각 제작사가 보유한 적층제조 기술을 의미한다. 이러한 기술을 하나로 묶어서 ASTM F2792에서는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로 명명하고 있다.  PBF로 명명되는 금속분말 적층제조 방법의 뿌리는 1995년으로 거슬러 올라간다. 이 때 지금까지 유명한 2개의 이름이 세상에 드러나게 되었다. 첫 번째는 EOSINT M250이라는 세계 최초의 금속 적층제조 머신이다. 이 장비는 독일 EOS의 DMLS(Direct metal Laser Sintering) 기술을 이용하여 PBF 장비를 최초로 시장에 출시한 것이다. 한편 독일 프라운호퍼 레이저 기술 연구소(Fraunhofer ILT)에서 3명의 연구원이 SLM(Selective Laser Melting)이라는 기술로 특허를 출원하였다. 1년 뒤 ILT SLM 프로세스에 대한 기본 특허를 받았으며, 이후 이 연구를 진행한 공동발명가들이 창업 또는 스핀오프를 하면서 우리가 알고 있는 여러 PBF 전문 회사들이 생겨나게 되었다. 이러한 이유에서 SLM이라는 특허 기술은 회사의 이름뿐만 아니라 PBF를 표현하는 다른 이름으로 널리 사용되고 있다. PBF 머신의 발전과 함께 소프트웨어(여기서는 데이터 전처리기, data pre-processor)도 빠르게 개발되었다. 대표적인 전처리기는 머티리얼라이즈(Materialise)의 매직스(Magics)이다. 머티리얼라이즈는 시장의 흐름과 고객의 요구에 맞추어 꾸준히 제품을 개발하였다. 현재까지 여러 특색 있는 PBF 머신 개발회사가 생겨난 것에 비해, 데이터 전처리는 머티리얼라이즈의 매직스가 독점적 위치를 차지하고 있다.  2010년대 후반에 이르러 유럽에서는 전처리기 시장에서 새로운 움직임이 일어났다. 이 중 하나는 CADS의 AM 스튜디오(AM-Studio)의 등장이다. 이 전처리기의 개발 역사는 PBF 장비의 예처럼 흥미롭다. 2016년에 독일 SLM 솔루션즈와 CADS간의 합작투자회사인 ‘SLM 솔루션즈 소프트웨어(SLM Solutions Software)’가 설립되었다. 이 합작회사는 2018년에 데이터 전처리 소프트웨어인 Additive Designer(애디티브 디자이너)를 출시하였다. 2019년 CADS가 SLM 솔루션즈 소프트웨어의 전체 지분을 인수하면서 합작은 종료되었으며, CADS의 100% 자회사인 ‘CADS 애디티브(CADS Additive)’로 이름을 변경하게 된다. 인수 후 1년 뒤인 2020년에 CADS 애디티브는 스탠드얼론(stand-alone) 프로그램인 AM 스튜디오를 출시하였다. CADS에 따르면 AM 스튜디오는 EOS, SLM 솔루션즈, 트럼프(Trumpf), 디엠지 모리(DMG Mori) 머신과 완벽한 호환을 이룬다고 한다. 이로써 PBF 장비를 운영하고 있거나 앞으로 고려 중인 고객에게는 데이터 전처리기에 대한 선택권이 하나 더 추가되었다.   AM 스튜디오의 특징과 기능 금속 3D 프린팅에 있어서 제작을 위한 최적의 배치와 서포트 설계는 매우 중요한 단계로서, 설계한 제품이 금속 3D 프린팅을 통해 정상적인 완성품이 되어 나오는 데에 중요한 역할을 한다. 이제부터 AM 스튜디오를 활용하여 금속 3D 프린팅 배치 최적화 및 서포트 설계 방법을 소개하고자 한다. 먼저 AM 스튜디오는 사용자가 배치 및 서포트 설계부터 네스팅(nesting), 빌드 전략(build strategy) 설정 및 슬라이싱 뷰어까지 전 과정을 쉽게 접근하고 다룰 수 있는 프로그레스 바(Progress Bar) GUI로 이루어져 있으며, 프로그레스 바의 순서대로 작업을 진행하는 워크플로를 가지고 있다.(그림 1)   그림 1. AM 스튜디오의 워크플로  

금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용 (2)    이번 호에서는 비행체의 급기동 성능 향상을 위한 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션을 활용에 대하여 자세히 다루고자 한다.   ■ 유병주 | 태성에스엔이 금속적층제조(DfAM) 연구소 소장이다. 구조해석 분야의 오랜 경험과 통찰력을 바탕으로 금속적층제조 분야의 설계, 해석 및 3D 프린팅 소재, 제품에 대한 연구를 총괄하며 다양한 국책지원사업에 참여하고 있다.  홈페이지 | www.tsne.co.kr ■ 황우진 | 태성에스엔이 DfAM 연구소 책임연구원이다. DfAM 전문가로서 설계부터 제작까지 수반되는 애디티브 솔루션(Additive Solutions) 전문 해석을 담당하고 있다. AM 교육 담당과 함께 DfAM 및 제조 성공 사례를 발굴하며 DfAM의 표준을 제시하고 있다.     홈페이지 | www.tsne.co.kr   소형 항공 플랫폼용 구동부 시스템은 고해상도 위성카메라용 안테나 장치, 발사체의 자세 제어 장치, 미사일의 대상물 추적 장치 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 이러한 구동부 시스템은 중력가속도의 수십 배에 달하는 가속 충격을 견뎌야 하며, 진동에 의한 공진 현상을 최소화하여 개발된다. 일반적으로 구동부 시스템의 주요 부품은 통(Monobloc)가공방법으로 제조되는데, 그 이유는 여러 부품으로 이루어질 경우 부품들을 조립한 후 강성이 약화되어 정밀 제어가 어려워지기 때문이다. 통가공을 위한 소재는 절삭가공성이 우수한 스테인리스 스틸 계열 소재가 널리 사용되고 있다.  구동부 시스템의 회전체들은 뛰어난 운동응답성능이 필요하다. 따라서 축을 회전시키기 위하여 사용되는 모터는 높은 토크를 필요로 하며 크고 무거운 고용량의 모터가 장착된다. 일반적으로 센서용 구동부 시스템은 센서의 성능을 보장하기 위해 비행 플랫폼의 최외각에 배치된다. 이것은 비행체의 무게 중심에서 제일 멀리 구동부 시스템이 위치한다는 것을 의미한다. 구동부 시스템이 무거울 경우, 비행체의 비행거리에 영향을 미칠 뿐만 아니라 회전운동 능력에도 심각한 영향을 끼친다.  구동부 시스템의 부품을 경량화하면 보다 가벼운 모터를 사용할 수 있다. 따라서 구동부 시스템이 경량화된다. 구동부 시스템의 경량화는 비행체의 회전운동 능력을 획기적으로 향상시켜준다. 비행체에서 본다면 구동부 시스템의 구조 부품은 매우 작지만, 이것을 경량화할 경우 선순환을 일으켜 전체 성능의 개선을 일으킬 수 있다. 작은 부품의 경량화가 어떻게 전체 비행체의 성능을 향상시킬 수 있을까? 답은 관성모멘트에 있다. 회전체에서는 경량화를 넘어 관성모멘트를 고려한 설계를 해야 한다. 구동부 시스템에서 무엇을 개선하고, 어떻게 개선해야 할까? 기존 구동부 시스템을 다시 살펴보며, 솔루션을 찾아보자. ■ 질문 1 : 통가공한 스테인리스 스틸 부품의 대안이 있는가?  ■ 답변 1 : 스틸보다 비중이 낮은 경금속으로 소재를 대치하고 일체화 적층제조 적용 ■ 질문 2 : 무게중심을 고려한 관성모멘트 최소 설계가 가능한가? ■ 답변 2 : 시뮬레이션 도출 설계 시, 관성모멘트 최소화와 무게중심 고정을 시뮬레이션에 반영   이번 호에서는 비행체의 급기동 성능 향상을 위한 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션을 활용에 대하여 자세히 다루고자 한다.   1. 구동부 시스템 부품의 일체화 적층제조와 시뮬레이션 활용 스테인리스 스틸 소재는 알루미늄, 티타늄과 같은 경량 소재 대비 비중이 높아 상대적으로 상당한 무게를 지니고 있다. 따라서 제품화에 따른 구동부 전체 시스템의 무게가 무거워질 수밖에 없다. 또한 통가공이라는 것은 자원의 효율적 이용이라는 측면에서 볼 때 매우 낭비이다. 그리고 절삭을 위한 절삭툴 접근이 제한되므로 만들 수 있는 모양에 제한이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 개발에서는 고강도, 경금속 소재를 이용한 3D 프린팅을 제안하였다. 내식성, 내열성이 우수하고 스테인리스 스틸 대비 무게가 40% 정도 가벼운 티타늄 소재를 선정하였고 DfAM 과정을 통하여 구동부 시스템의 무게와 회전 저항을 대폭 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. 지금부터 금속 3D 프린팅을 통한 구동부 시스템의 경량화 개발에 대하여 자세히 다루어 보고자 한다. 이번 개발에 적용한 구동부 시스템은 크게 기계 가공이 필요한 기구물과 구동부로 분류된다. 이번 개발에서는 핵심 3가지 제작 파트인 Body Housing, Payload Support Plate, Gear Set에 대한 경량화 설계를 수행하였고 이후 실제 3D 프린팅 제작까지 완료하였다. <그림 1>은 이번 개발에 적용된 최초 설계 모델이다. 위 3가지 파트와 설계 요구사항을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, Body Housing 은 구조물에 부가되는 하중을 지지해야 하기 때문에 구조 강성/강도가 매우 중요하다. 플랫폼의 운용 조건에 따라 매우 큰 하중이 적용되게 되며, 비행 플랫폼의 특성 상 하중은 X, Y, Z 방향에 모두 적용된다. 또한 구동 구성품이 배치되어야 하는 영역이 필수적으로 필요하여 재료를 재배치하는데 매우 큰 제약이 따르지만, 비행 플랫폼의 운용 성능을 극대화하기 위해서는 반드시 경량화되어야 한다. 둘째, Payload Support Plate는 자체 무게의 경량화가 필요할 뿐만 아니라 회전 구동에 직접 관여하는 대상이기 때문에 무게 중심이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 무게 중심이 축 중심에 있지 않을 경우 질량관성모멘트가 커지게 되어 더 높은 토크의 모터 성능이 필요하다.  셋째, Gear Set 또한 Payload Support Plate와 마찬가지로 경량화가 필요하고 질량관성모멘트 최소화가 필요한 파트이다. 단순 기어 구동 시스템으로 특별히 강도/강성을 필요로 하지는 않으나 회전 구동에 직접 관여하는 부품이므로 DfAM을 통한 질량관성모멘트 개선이 중요하다. 또한 Gear Set는 기존 방식인 기계 가공성을 고려하여 초기 설계가 2개의 파트로 최초 설계되어 있다. 따라서 3D 프린팅을 통한 일체화가 필요한 파트이다.   그림 1. 항공 플랫폼 부품의 기초 설계  

고부가가치 다물리 바이오닉 형상 구현 사례 : 우주발사체 MOV 하우징 개발   캐드앤그래픽스 2021년 5월호의 특집기획에서 ‘금속적층제조에서 시뮬레이션 도출 설계를 통한 부가가치 창출 방안’에 대해 소개했다. 이에 이어서 이번 호부터 3회에 걸쳐 금속적층제조를 위한 시뮬레이션의 활용에 대해 설명한다. 이번 호에서는 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 ‘Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징’의 DfAM 적용 사례에 대해 소개한다. ■ 유병주 | 태성에스엔이 금속적층제조(DfAM) 연구소 소장이다. 구조해석 분야의 오랜 경험과 통찰력을 바탕으로 금속적층제조 분야의 설계, 해석 및 3D 프린팅 소재, 제품에 대한 연구를 총괄하며 다양한 국책지원사업에 참여하고 있다. 홈페이지 | www.tsne.co.kr ■ 전효승 | 태성에스엔이 DfAM 연구소 선임연구원이다. 다양한 적층제조 관련 교육과 DfAM 및 제조 성공사례를 만들며 DfAM의 표준을 제시하고 있다. 홈페이지 | www.tsne.co.kr   1908년 포드 모델 T부터 시작되어 약 100년간 제조산업을 지배하고 있는 소품종 대량생산과 그로부터 파생된 여러 제조방법은 저렴한 가격으로 제품을 생산하여 공급함으로써 획기적인 소비시대를 열었다. 대량생산 방식에는 항상 같은 종류의 제품을 생산하므로 공장은 정하여 놓은 한 가지 작업만을 수행하는 단능적 기계장치가 순차적으로 배치되어 제조가 이루어지며, 이에 따라 작업자의 기능도 단능공적이다. 또한 제품의 모양도 이러한 제조방법에 생산 가능한 형상으로 한정되어 점점 바이오닉한 형상과 멀어져 왔다. ‘규격화된 중간재를 이용하라, 이를 가장 간단하고 효율적으로 가공하라(예 : 상하운동을 하는 프레스 금형), 가공이 가능한 형상으로 설계하라, 기존 가공이 불가능한 형상은 쪼개어 각자 생산한 후 다시 조립하라’가 대량생산이 설계자에게 가르치는 것들이다. 이러한 전통적 기계제조 방법에서 부가가치를 논하고 바이오닉 형상 구현을 논한다는 것은 앞뒤가 맞지 않다. 대량의 단능적 설비와 저렴한 인건비의 단능공을 많이 보유한 개발도상국으로 제조산업이 이전되는 것은 너무나 당연하다. 이러한 상황에서 우리는 북미와 유럽의 제조업체들이 다능적 설비를 이용하여 다품종 소량생산을 통한 고부가가치 제조산업에 눈을 돌리는 것을 주목해야 한다. 다능적 설비의 대표적인 예가 3D 프린팅 장비이며, 이미 한국에서도 세계 유수의 3D 프린팅 장비가 제법 많이 설치되고 있다. 하지만 이를 운용할 작업자와 설계자가 반드시 다능공(Multi Capacity Engineer)이 되어야 한다는 것을 간과하고 있다. 다능공이 다능적 설비를 정확하게 이해할 때 비로소 바이오닉 형상 구현에 따른 고부가가치 제품을 개발할 수 있다는 것을 앤시스 통합 플랫폼을 통한 7톤급 우주발사체 Main Oxidizer Valve(MOV) 밸브 하우징의 DfAM 적용사례를 통해 소개하고자 한다.   1. MOV 밸브 하우징의 DfAM 적용 사례 한국항공우주연구원은 1989년 설립 이래로 발사체에 대한 다양한 마일스톤을 세워왔으며, 최근에는 국내 독자 기술로 개발한 우주발사체인 누리호 및 차세대 발사체의 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 우주발사체를 궤도에 올리기 위해 추력을 발생시키는 부분이 엔진 부분이다. 우주발사체의 엔진은 연소기에 연료와 산화제(산소)를 같이 공급하여 연소를 진행하여 추력을 얻는 Gas-Generator Cycle의 원리를 이용한다. Main Oxidizer Valve(MOV)는 이러한 Gas-Generator Cycle에서 산소가 희박한 고고도에서도 원하는 비추력을 얻기 위해 연소기로의 산화제의 공급을 제어한다.(그림 1) 이때 주로 발사체에서는 액체 산화제(Liquid Oxygen : LOX)를 사용하기 때문에 MOV는 -183℃까지도 내려가는 극저온 환경에서 안정적이어야 한다. 더불어, 우주발사체가 발사되어 추진되는 동안에 엔진에서 발생하는 진동을 견뎌야 한다. 따라서 MOV는 이러한 극저온 및 진동에 대한 극한의 조건에 대한 신뢰성이 필수적이다.   그림 1. 발사체 엔진(왼쪽)에 위치한 Main Oxidizer Valve(왼쪽 하단) 및 엔진을 구성하는 Gas-Generator Cycle(오른쪽)