3D 프린팅 신시장 창출의 열쇠 DfAM (2)

적층제조(AM)는 디자인된 기본 설계를 바탕으로 특수한 형상(Feature)이나 이종 소재로 구현이 가능하도록 쉽게 제어가 가능하기 때문에 고도화된 맞춤화를 실현하는데 매우 유용하게 활용될 수 있다. 이번 호에서는 AM 시뮬레이션의 정의와 종류에 대해 소개한다.

■ 주승환 | 한국적층제조사용자협회 회장, 인하대 교수, 산업부 및 미래부의 3D 프린팅 기술로드맵 수립위원이다. 국내 메탈 3D 프린터 개발자이고 메탈 공정 개발 전문가이다.
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1. AM 시뮬레이션이란 무엇인가
(1) AM 시뮬레이션이 필요한 이유
적층제조(AM : Additive Manufacturing)는 고도화된 맞춤화를 실현하는데 매우 유용하게 활용될 수 있다. 단번에 맞춤화된 제품을 생산하는 능력은 생산 비용과 소재 낭비를 크게 줄이는 동시에 사용자 만족도와 기업 이윤을 크게 향상시킬 수 있다. 금속제품의 개발단계에 적층제조 기술의 적용은 전략적으로나 재정적으로 큰 효과가 알려지고 있다. 하지만, 모든 기업으로 일반화되지 못하고 주로 고비용의 정교한 제품 설계가 요구되는 항공회사와 같은 대기업을 중심으로 적용되고 있다. 이것은 금속 적층제조에 사용되는 프린팅 장비가 고가이고 소재 분말의 비용이 현저히 높으며, 기술적으로 초기 단계에 실패율이 높아 개발 환경 구축 초기 비용이 크게 발생하기 때문이다.
기본적으로 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점은 <그림 1>과 같다. 기존의 적층 방식은 먼저 디자인된 파트를 가지고 와서 빌드를 준비하기 위해서 전처리과정을 거치게 된다. 전처리를 하면서 서포터를 만들고 서포터를 생성하고, 바로 장비에 올려서 빌드를 진행하게 된다. 하지만 이렇게 빌드하게 되면 일반적으로 대부분의 고객들은 시행착오를 많이 거치게 된다.
<그림 1> 같이 파트의 파괴, 서포터 파손, 와이어 커팅 후 변형 등 잔류응력으로 인한 흔한 악순환을 겪게 된다. 이런 여러 번의 문제점들을 겪고 나서야 최종적으로 원하는 제품을 얻는 이런 시행착오를 심각하게 겪고 있다.

그림 1. 금속 AM 부품 제조 시 발생하는 문제점

머터리얼라이즈는 “금속 3D 프린팅을 이용한 적층제조에서 전체 비용 중 75% 이상이 출력 공정에 들어가며, 시험 출력이나 실패한 출력물 등에도 많은 비용이 발생한다. 또한, 복잡한 기하학적 구조의 3D 프린팅 출력물인 경우 평균 15%가 실패한다”고 말했다. 또한 지멘스는 “현재 금속 3D 프린팅 작업을 완성하는데 평균 3~5회의 시도가 필요하며, 금속 분말을 사용하는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로 적층한 출력물에서 발견되는 공통적인 결함은 거친 표면, 비경화된 분말, 불순물 혼입, Layer Defects 현상, Voids 현상 등이 있다”고 설명했다.
이와 같이 금속 3D 프린팅에서 단 한 번에 완성된 출력물을 만들어내지 못하고 실패가 반복되는 것은 새로운 장비, 축적된 기술의 부재, 생소한 제조 파라미터의 조정, 경험 부족, 다양한 결함 등에 요인이 있을 수 있다. 이러한 요인을 최소화하거나 최적화함으로써 시행착오적 실패를 줄일 수 있으며, 이것은 소프트웨어적으로 상당 부분을 해결할 수 있다.