앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례   최근 전기자동차의 수요가 증가함에 따라 전기자동차의 성능을 보다 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 모터 분야에서 헤어핀(hairpin) 코일의 적용으로 성능이 향상됨을 확인하였으며, 이미 여러 양산형 모델에도 적용되어 실사용 중에 있다. 그러나 헤어핀 코일은 복잡한 제조 공정 및 제작 기술이 필요하다는 단점이 있다. 이렇게 기존 생산 공정에서 발생할 수 있는 문제점을 해결하고 추가적인 성능 향상을 도출하기 위해 금속 3D 프린팅 기술을 적용하여 모터 코일을 제조하는 방법이 연구되고 있다.  이번 호에서는 앤시스에서 제공되는 맥스웰(Maxwell)과 앤시스 애디티브(Ansys Additive)를 활용한 시뮬레이션을 기반으로 헤어핀 코일의 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 및 적층공정 해석을 수행하며 전체 제작 프로세스를 제시하고자 한다.    ■ 김선명 원에이엠 DfAM팀의 연구원으로, 적층제조 특화 설계를 담당하고 있다. 이메일 | smkim@oneam.co.kr 홈페이지 | www.oneam.co.kr   전기자동차용 헤어핀 모터 코일 헤어핀 코일이란 <그림 1>과 같이 헤어핀의 형상처럼 직사각형 단면의 도선을 구부려서 제작되는 모터 코일이다. 기존의 원형 도선의 권선 형태로부터 성능 개선을 위해 개발되었으며, 성능 향상이 입증되어 이미 상용 전기차량에 적용되어 실사용 중에 있다. 이러한 직사각형 단면의 헤어핀 코일을 사용하는 이유는 기존 원형 코일 대비 높은 점적률(fill-factor)을 갖기 때문이다. 점적률이란 <식 1>과 같이 모터고정자의 슬롯 면적 대비 구리 도선이 차지하는 면적의 비로 계산이 된다. 점적률이 높아지면 <그림 2>와 같이 도선 간 빈 공간 영역이 작아진다. 따라서 상대적으로 권선 저항이 낮아지게 되고 도선간 접촉 면적이 증가함에 따라 열전달 계수가 높아져, 방열 효과도 증가하는 효과가 있다. 이러한 헤어핀 코일의 적용으로 원형도선 대비 모터의 성능을 향상시킬 수 있다.   식 1   그림 1. 헤어핀 코일   그림 2. 원형 도선과 헤어핀 코일의 비교(출처 : MG Motor article : Why 1% efficiency improvement means so much, Hairpin Technology : Hubiz)   헤어핀 코일은 <그림 3>과 같은 공정을 통해 조립된다. 제일 먼저, 원재료인 사각형 단면의 코일을 헤어핀 형태로 성형한 후 모터 고정자의 슬롯에 조립한다. 그 다음 같은 상끼리 연결될 수 있도록 트위스팅(twisting) 공정을 거친 후, 서로 접촉하는 도선끼리 용접하는 과정을 거쳐 완성된다. 추가로 도선에 용접될 부분의 절연재를 제거하는 등의 공정이 필요하다. 이처럼 헤어핀 코일 모터는 복잡한 제작 절차와 제작 공정이 필요하며, 특히 고난도의 용접 기술이 요구된다. 무엇보다 제조 공정 중 제품에 문제가 발생한다면 문제가 되는 부분만 처리가 불가능하기 때문에, 제작 공정이 처음부터 수행되어야 한다.   그림 3. 헤어핀 코일의 조립 공정(출처 : Maximising E-Machine Efficiency with Hairpin Windings, by Shaoshen Xue-Motor Design Limited)   이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 금속 3D 프린터를 사용한 모터 코일의 금속 적층제조에 대한 연구가 진행되고 있다. 금속 적층제조는 다음과 같은 장점이 있다. 제작 공정 간소화 : 헤어핀 코일의 3D 프린팅 공정 적용 시 3D 프린팅 장비만 있다면 기존의 복잡한 제작 공정이 필요 없으므로, 제작 공정을 보다 간소화시킬 수 있다. 일체화 : 개별 파트로 나누어진 헤어핀 코일을 일체화하여 하나의 부품으로 제작이 가능하기 때문에, 용접을 최소화한 공정이 가능하여 제작 중 파트 불량률을 최소화할 수 있다.  설계 자유도 향상 : 헤어핀 코일 형상의 제약이 없으므로 형상 구현의 자유도가 높기 때문에, 성능 향상을 위한 설계가 용이하다.  금속 적층제조를 고려한 헤어핀 코일의 설계를 위해서 시뮬레이션을 기반으로 전자기 성능 분석, 열 특성 분석, 적층 공정 해석의 전체 설계 및 제작 프로세스를 진행한다. 이 글에서는 앤시스 맥스웰과 앤시스 애디티브를 활용한 시뮬레이션을 기반으로 헤어핀 코일의 DfAM 및 적층공정 해석을 수행하며, 전체 제작 프로세스를 제시하고자 한다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

  17　THEME. 플랜트·조선 산업 혁신을 위한 디지털화 전략   Part 1. 디지털 기술로 플랜트·조선 산업을 혁신하다 데이터 기반의 업무 혁신, 건설산업의 새로운 시작 클라우드 서비스를 통한 대내외 보안 환경 조성 경쟁력 있는 플랜트를 위한 설비 관리 전략 스마트 디지털 리얼리티와 스마트 야드형 공사 정보 디지털 백본 구축 해양의 미래 : 자율운항 선박의 혁신과 시뮬레이션의 중요성 디지털 전환 여정을 위한 3D CAD 기반 디지털 트윈 구축의 4단계   Part 2. 디지털 트윈의 구축과 활용을 위한 기술 디지털 트윈 가속화를 위한 3D 엔지니어링 데이터 경량 시각화 솔루션 3D 스캔 데이터를 효과적으로 분석하고 활용하는 방법 플랜트 BIM 배관 공사의 필수 아이템 Ez-ISO Strand7 R3 : 범용 유한요소 해석 프로그램   Infoworld   Column 55　책에서 얻은 것 No. 19 / 류용효　커넥팅 80　디지털 지식전문가 조형식의 지식마당 / 조형식　제조업 디지털 전환과 디지털 엔지니어링, 디지털 PLM   Case Study 58　해외 소장 문화재의 ‘디지털 귀향’ 프로젝트　언리얼 엔진과 에픽 에코시스템으로 이뤄낸 문화유산 디지털 경험 62　최신 렌더링 기능의 사용 돕는 URP 3D 샘플　고품질 그래픽스의 효율적인 제작 및 스케일링 방법 제시   Focus 64　지멘스 DISW, “솔리드 엣지로 지능형 제품 설계를 실현한다” 66　모두솔루션, 지스타캐드 시장 확대 및 파트너십 강화 전략 소개 68　슈나이더 일렉트릭, 데이터 플랫폼으로 EV 배터리 시장 공략 70　한국산업지능화협회, “산업 디지털 전환을 주도하기 위해 다방면의 활동 강화” 72　레노버, “클라우드부터 에지까지 폭넓은 AI 포트폴리오 제공” 74　생성형 AI와 협업 툴의 만남, ‘플로우 3.0’ AI Now   New Products 76　이달의 신제품   On Air 78　캐드앤그래픽스 CNG TV 지식방송 지상중계　SIMTOS 2024와 디지털 제조 혁신 트렌드   82　New Books 84　News   Directory 131　국내 주요 CAD/CAM/CAE/PDM 소프트웨어 공급업체 디렉토리   CADPIA   AEC 87　BIM 칼럼니스트 강태욱의 이슈 & 토크 / 강태욱　로컬 호스트 LLM 오픈소스 기반 BIM 전문가 챗봇 서비스 만들어보기 94　데스크톱/모바일/클라우드를 지원하는 아레스 캐드 2024 (12) / 천벼리　아레스 커맨더의 사용자 인터페이스 108　새로워진 캐디안 2024 살펴보기 (4) / 최영석　구성선 및 자유선 기능 128　복잡한 모델에서 인사이트를 얻고 설계 의사결정을 돕는 직스캐드 (1) / 이소연　직스캐드 2024의 최신 기능 업데이트   Reverse Engineering 100　문화유산 분야의 이미지 데이터베이스와 활용 사례 (4) / 유우식　한지 데이터베이스   Mechanical 111　제품 개발 혁신을 가속화하는 크레오 파라메트릭 10.0 (11) / 김주현　매스캐드 프라임 9.0 사용하기 Ⅰ   Analysis 97　시뮤텐스 소프트웨어를 활용한 복합소재 해석 (1) / 씨투이에스코리아　복합소재 공정 전반의 가상 프로세스 체인 118　앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공사례 / 김선명　전기자동차용 헤어핀 모터 코일의 DfAM 및 금속 적층제조 프로세스 124　성공적인 유동 해석을 위한 케이던스의 CFD 기술 (8) / 나인플러스IT　CFD 시스템 설계 및 분석 가속화를 위한 밀레니엄 M1     캐드앤그래픽스 2024년 4월호 목차 from 캐드앤그래픽스  

캐드앤그래픽스 CNG TV 지식방송 지상 중계   2023년 12월 6일 CNG TV는 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스에서 준비한 ‘디지털 리얼리티 플랫폼을 통한 제조 산업의 미래’를 주제로, 디지털 트랜스포메이션과 디지털 리얼리티 기술을 중심으로 제조산업의 혁신과 디지털 전환에 대한 내용을 소개했다. 자세한 내용은 다시보기를 통해 확인할 수 있다. ■ 박경수 기자    ▲ 왼쪽부터 캐드앤그래픽스 박경수 부장, 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스 홍석관 부사장, 이우영 그룹장, 황인혁 이사    이날 방송에서는 헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스의 홍석관 부사장, 이우영 그룹장, 황인혁 이사 등 세 명의 발표자가 참석해 ‘DX/DR 기술 기반의 제조산업 기술’과 ‘Nexus를 활용한 디지털 메뉴팩처링으로의 전환’, 그리고 ‘Nexus 기반의 적층제조 솔루션 및 활용사례’에 대해 소개했다.  홍석관 부사장은 ‘DX/DR 기술 기반의 제조산업 기술’을 주제로, 디지털 트랜스포메이션(DX) 및 디지털 리얼리티 기술과 제조산업의 제품 설계/제작/품질관리를 위한 기술에 대해 설명했다. 먼저 헥사곤 사업부에 대해 소개했다. “현재 본사는 스웨덴 스톡홀름에 있고, 전 세계에 8개의 사업부를 운영하고 있다”며, “그 중 한국에서는 ▲플랜트 설계 및 자신관리를 하는 ‘ALI(Asset Lifecycle Intelligence)’ 사업부를 비롯해 ▲건축이나 토목 등에서 GIS 정보를 취득해 효율적인 제조를 가능하게 하는 ‘라이카 지오시스템즈’ 사업부 ▲스마트 제조를 위한 다양한 솔루션과 하드웨어를 지원하고 있는 ’매뉴팩처링 인텔리전스’ 사업부가 있다”고 설명했다. 또한 “헥사곤의 주요 핵심가치는 CAD 기반의 모델링 베이스는 물론 실제 물리정보를 측정해 디지털 자산화하고 디지털 트랜스포메이션과 디지털 리얼리티 기술을 접목해 디지털 트윈을 구축에 힘쓰고 있다”고 말했다.   ▲ 헥사곤의 오픈형 디지털 리얼리티 플랫폼, 넥서스(Nexus)   이우영 그룹장은 ‘Nexus를 활용한 디지털 메뉴팩처링으로의 전환’을 주제로, 디지털 리얼리티 플랫폼인 넥서스(Nexus)를 통한 디지털 메뉴팩처링의 전환 지원 솔루션을 비롯해 제조 프로토타입의 새로운 디지털 제조 환경 구축에 대해 소개했다. 이우영 그룹장은 “헥사곤은 디지털 트윈 구축을 목표로 다양한 플랫폼을 기반으로 사업을 진행하고 있다”며, “기반 기술 플랫폼으로 Xalt와 HxDR이 있고, 산업별 플랫폼으로 HxGN Connect, HxGN SDx, Nexus, Power of One, HxGN Agron이 있다”고 말했다. 또한 “넥서스는 제조환경을 위해 제품 전 주기에 필요한 솔루션을 제공하고 있고, 다른 솔루션과도 융합할 수 있는 디지털 트랜스포메이션 구축에 최적의 플랫폼”이라고 강조했다. 황인혁 이사는 ‘Nexus 기반의 적층제조 솔루션 및 활용사례’를 주제로, 적층제조 솔루션(DfAM)과 이를 활용한 적층제조 솔루션과 재료 선정부터 파트 설계, 측정 및 검사에 이르기까지 적층제조 솔루션의 실제 적용 사례에 대해 설명했다. 황인혁 이사는 “넥서스를 보다 효율적으로 사용하기 위해 제조 공정 상의 여러 가지 문제를 해결할 수 있는 다양한 솔루션을 준비하고 있다”고 말했다.      ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

헥사곤에서 '디지털 리얼리티 플랫폼을 통한 제조 산업의 미래'를 주제로 CNG TV 웨비나를 12월 6일(화) 오전 10시부터 1시간 동안 개최한다. 이번 웨비나에서는 Digital Transformation과 Digital Reality 기술을 중심으로 제조산업의 혁신과 디지털 전환을 다룰 예정이다. 또한 Nexus 플랫폼(오픈형 디지털 리얼리티 플랫폼)을 통해 제조환경을 혁신하고, 적층제조 솔루션(DfAM)의 모든 단계를 실제 사례를 통해 설명한다. 이번 웨비나를 통해 제조기술과 데이터의 현재 발전에 대한 인사이트를 확보할 수 있다. 또한, 제조 업계에서의 혁신을 지원하는 디지털 오픈형 플랫폼의 기술을 간략하게 탐구할 예정이다. 이번 웨비나는 사전등록을 통해 무료로 시청할 수 있다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(헥사곤 MI)가 지난 달 국내 출시한 개방된 구조의 디지털 리얼리티 플랫폼 ‘넥서스(Nexus)’를 통한 적층제조 프로세스가 적용된 자동차 휠케리어 제작 공정 시연 영상을 공개했다. 이 영상은 해외에서 활용된 자동차 휠케리어 제작 사례를 토대로 국내 제조 현장에 적합한 사용 사례를 선보이기 위해 헥사곤과 한국기술, 광주그린카 진흥원, 테크밸리의 협업을 통해 제작됐다. 3D 프린팅 토털 솔루션 기업인 한국기술은 자동차부품산업 진흥과 기술 고도화를 선도하는 자동차 전문 기관 광주그린카 진흥원과 함께 기술 시연을 담당했으며, 산업용 검사 장비 전문업체인 테크밸리에서 시연의 CT 검사 및 측정을 담당했다.     적층제조 프로세스 시연에 사용된 넥서스 플랫폼은 금속 PBF 방식의 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 솔루션을 제공하며, 경량화 설계를 위한 에이펙스 제너레이티브 디자인(Apex Generative Design), 제조 공정을 위한 AM 스튜디오(AM Studio), 적층 시뮬레이션을 위한 시뮤팩트 애디티브(Simufact Additive)와 만들어진 제품의 품질을 검토하는 메트롤로지 리포팅(Metrology Reporting) 솔루션을 제공한다. 이를 통해 작업자가 작업 선정, 기술 적용 및 보유한 데이터를 연결하여 엔지니어링과 생산 공정이 구체적인 시각화를 토대로 제조 프로세스를 효율화할 수 있도록 지원한다. 구체적으로 헥사곤의 적층제조 솔루션은 재료 선정, 파트 설계, 적층제조 공정 시뮬레이션, 가공 시뮬레이션, 적층제조 및 NC 가공, 측정 및 품질 검사로 구성되어 순차로 진행된다. 넥서스 플랫폼의 3D 프린팅 공정은 프로젝트 검토와 관리를 위한 협업 도구를 제공해 적층제조 기술의 활용도를 높이고, 엔드 투 엔드로 자동차, 항공, 전자 및 조선해양 산업 등 제조업체의 전체적인 제조 공정을 최적화할 수 있게 한다. 넥서스 도입 이전의 적층제조 프로세스는 파트 설계, 빌드 준비, 프로세스 시뮬레이션, 빌드 프로세스 과정으로 분절되어 한 단계가 완성되어야만 다음 단계로 진행할 수 있었으며, 각 단계의 전후에 피드백을 반영할 수 있는 구조였다. 반면에 넥서스는 데이터 중심적 접근법을 통해 각 프로세스에 대한 민첩한 피드백 교환을 실현한다. 헥사곤의 전완호 D&E BU 기술 담당 본부장은 “지난 달 새롭게 출시한 헥사곤 넥서스 플랫폼은 간단한 회원 가입을 통해 누구나 쉽게 체험할 수 있도록 무료로 제공하고 있다”면서, “제조사들이 넥서스 플랫폼을 통해 제품 출시를 앞당기고 더욱 더 자율적인 워크플로를 개발할 수 있도록 다양한 애플리케이션과 솔루션을 출시할 예정”이라고 밝혔다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(헥사곤 MI)가 디지털 리얼리티 플랫폼인 넥서스(Nexus)를 국내에 공식 론칭했다. 클라우드 기반의 개방형 플랫폼인 넥서스의 핵심은 사람, 기술, 데이터를 연결하여 사용자가 상황에 따른 실시간 인사이트를 바탕으로 의사결정을 내릴 수 있는 디지털 환경을 제공하는 것이다. 넥서스는 설계, 엔지니어링, 생산 및 품질 관리 등 제품 수명주기 전반에 걸쳐 다양한 애플리케이션의 연결과 데이터의 공유를 지원한다. 이를 통해 사일로(silo) 현상을 해소하는 한편, 실시간 협업을 통해 제품 개발 과정의 문제를 해결하고 제품의 시장 출시 기간을 줄일 수 있도록 돕는다. 헥사곤의 고객은 넥서스를 다양한 설계, 엔지니어링, 생산, 계측 소프트웨어 애플리케이션과 장비, 타사 기술 등과 연결해 필요에 따라 포트폴리오를 구성할 수 있게 된다. 넥서스는 제조 수명주기 전반에 걸쳐 다양한 혁신 기능을 제공한다. ’머티리얼즈 인리치(Materials Enrich)’ 애플리케이션은 머신러닝과 재료 거동 시뮬레이션을 결합하여 신뢰할 수 있는 재료 데이터를 신속하게 생성하고, 재료 테스트 데이터베이스의 공백을 메우는 클라우드 기반 솔루션이다. 물리적 테스트 횟수가 줄어들어 기존 데이터를 활용하고 강화하여 재료 특성화 작업에 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있다. ’메트롤로지 리포팅(Metrology Reporting)’ 애플리케이션은 클라우드 환경에서 헥사곤 및 타사의 계측 데이터 소스를 연동해, 기업이 자사 장비에서 기존에 활용하지 않은 품질 관리 데이터를 보고 및 분석하여 품질 경향 파악 및 공차 식별을 할 수 있도록 지원한다. ‘메트롤로지 애셋 매니저(Metrology Asset Manager)’ 애플리케이션은 계측 기기를 원격으로 모니터링해 작동 상태·위치·활용도를 보고하며, ‘넥서스 커넥티드 워커(Nexus Connected Worker)’ 솔루션은 제조 작업 현장의 디지털화·이동성·생산성을 중점적으로 지원한다.   ▲ 넥서스 3D 화이트보드 애플리케이션   ‘넥서스 3D 화이트보드(Nexus 3D Whiteboard)’ 애플리케이션은 사용자에게 동시 작업·3D 시각화·주석 기능을 제공하는 협업 툴로, 넥서스 웹 인터페이스 또는 마이크로소프트 팀즈(Teams) 앱 내에서 구동 가능하다. 적층제조 설계(DfaM) 솔루션은 PBF(파우더 베드 퓨전) 3D 금속 프린팅 공정을 사용하여 최적의 금속 적층제조 부품을 공동 개발하고, 성공적인 프린팅을 위한 준비 과정을 보다 쉽고 효율적으로 지원한다. 특히, 기존의 적층제조 설계는 최소 3명의 엔지니어와 별도의 소프트웨어 애플리케이션을 통해 사일로화된 환경에서 진행됐다. 이러한 연결성 부족은 불필요한 비용과 수동 작업으로 이어져 비용과 소요 시간을 증가시키고, 중요 데이터의 손실로 이어진다. 넥서스는 적층제조 설계에 참여하는 모든 엔지니어가 데스크톱 소프트웨어로 설계 과정에 필요한 툴을 이용해 참여하는 실시간 협업을 가능하게 한다. 이를 통해 사일로를 해소하는 한편, Metrology Reporting 애플리케이션과 같은 기능을 통해 다양한 소스에 분산된 데이터를 모아 전사에 걸친 데이터 가시성을 확보하고 효율성을 높긴다. 또한 넥서스 사용자는 헥사곤과 파트너 에코시스템의 소프트웨어 및 하드웨어 포트폴리오가 제공하는 도구, 교육, 지원을 이용해 각자의 포트폴리오를 확장할 수 있다. 엔지니어링 및 제조용 네이티브 SaaS(서비스형 소프트웨어) 애플리케이션과 커넥티드 솔루션 구축을 위한 개발자용 넥서스는 디지털 리얼리티 플랫폼과 개방형 에코시스템을 활용해 시스템 통합(SI) 업체와 기술 벤더 자체 소프트웨어 및 솔루션을 구축할 수 있도록 돕는다. 일례로, 전자 설계 자동화(EDA) 소프트웨어 기업인 알티움(Altium)은 자사 포트폴리오를 넥서스와 연동해 전자 시스템의 설계와 제조를 위한 환경을 구축했다. 헥사곤 MI는 9월 7일 ‘헥사곤 이노베이션 콘퍼런스 2023’에서 국내에 공식 출시한 넥서스에 대해 소개했다. 이 행사에서 헥사곤 MI의 넥서스 글로벌 총괄인 스테판 그래험(Stephen Graham) 부사장은 “4차 산업혁명은 더 많은 도구, 기술 및 데이터 소스를 선사하고 있지만, 사일로화된 프로세스와 데이터 소스는 분야 간 협업을 어렵게 해 도리어 기업의 발전을 저해한다”며, "기업이 스마트 제조의 이점을 누리려면 다양한 분야의 혁신가들 사이의 협업을 지원하고 역량을 강화하는 접근법을 채택해야 한다”고 말했다. 또한 “헥사곤은 혁신에 대한 전문성을 바탕으로 사람, 기술, 데이터를 연결해 기업의 효율적인 업무와 신속한 아이디어 실현을 지원할 것”이라고 전했다.     ▲ 넥서스에 대해 소개한 헥사곤 MI의 스테판 그래험 부사장

‘제26회 국제금형 및 관련기기전(INTERMOLD KOREA 2023, 이하 인터몰드)’이 지난 3월 14일부터 18일까지 일산 KINTEX에서 진행됐다. 2년마다 열리는 인터몰드는 코로나19 팬데믹의 여파로 지난 회에는 온라인으로 전환되었는데, 4년만에 오프라인 행사가 다시 열린 셈이다. ‘4차 산업혁명을 위한 금형산업 혁신기술’을 주제로 한 이번 인터몰드 2023에는 25개국에서 450개 업체가 참가했고 해외 바이어 특별 초청 상담회, 금형 및 관련 기술 세미나, 국제 금형기술 콘퍼런스 및 학술 세미나 등 부대행사도 함께 진행됐다. 이 글에서는 특히 3D 프린팅과 CAD/CAM/CAE 소프트웨어 분야를 중심으로 올해 전시회에서 나타난 주요한 흐름을 살펴본다. ■ 정수진 편집장   ▲ 인터몰드 2023이 열린 킨텍스 전시장   3D 프린팅 : 시제품부터 생산기술까지 가능성 넓힌다 금형 전시회에 3D 프린팅 기술을 선보인 것이 다소 낯설어 보일 수도 있다. 3D 프린팅이 금형을 포함해 기존의 생산기술을 대신할 수 있는 수단으로 여기는 경우도 있기 때문이다. 하지만 두 기술은 분명한 차이를 갖고 있으며, 일정 부분에서는 상호보완이 가능하다. 금형 기술은 동일한 형태와 크기의 제품을 대량생산하는 데에 특화돼 있다. 이 부분에서는 아직은 3D 프린팅이 금형 생산의 속도와 비용을 따라갈 수 없다. 반면, 3D 프린팅은 복잡한 형상을 효과적으로 만들어낼 수 있고, 필요에 따라 형상을 변경하거나 최적화하는 과정을 빠르게 진행할 수 있다. 이런 특징 때문에, 3D 프린팅은 많은 시간과 비용이 드는 금형 제작에 실제로 들어가기 전에 빠르게 시제품을 만들고, 이를 기반으로 금형 제작 과정의 오류와 재작업을 줄일 수 있다. 금형 내부의 냉각채널을 최적화해 금형을 사용한 생산 과정에서 실패를 줄일 수 있는 것도 3D 프린팅이 줄 수 있는 효과이다. 금형 산업을 중심으로 하는 인터몰드 전시회의 성격이 반영된 측면도 있겠지만, 이번 인터몰드 2023에 참가한 3D 프린팅 관련 업체들의 강조점은 생산 기술로서 3D 프린팅의 가능성과 활용사례에 집중돼 있는 모습이었다. 3D 프린팅과 가공, 측정 기술을 연계해 생산성을 높이기 위한 고민도 엿보였다. 3D 프린팅은 애초 시제품(프로토타입)을 만들기 위한 기술로 시작됐지만, 최근에는 실제로 쓰일 수 있는 부품이나 완제품까지 만들 수 있는 제조기술로서의 가능성을 높이고 있다. 그 배경에는 소재와 적층기술의 발달이 있으며, 3D 프린터의 대형화/고속화도 이런 흐름에 한 몫을 하고 있다.   ▲ 다양한 산업 분야의 3D 프린팅 적용 사례를 소개한 HP 부스   ▲ HDC가 공급하는 멜티오(Meltio)의 금속 3D 프린팅 출력물   스트라타시스와 HP는 엔지니어링 시제품 제작뿐 아니라 실제 부품 및 완제품까지 만들 수 있는 폭넓은 3D 프린팅 기술을 소개했다. HDC는 용접에 쓰이는 금속 소재를 활용해 생산 시간과 비용을 줄인 3D 프린터 기술을 소개했다. 삼영기계는 금형 제작에 활용할 수 있는 바인더 제팅 기술에 기반한 샌드 3D 프린팅 기술을 소개했다. 마크포지드는 산업용 3D 프린터를 기반으로 디지털 생산과 스마트 공장까지 구현할 수 있는 기술을 소개했고, TPC메카트로닉스는 3D 프린터와 광학 측정장비를 연계해 적층제조부터 품질 검증까지 진행할 수 있는 프로세스를 소개했다. 퓨전테크놀로지, 에이엠코리아, 3D엔터, 더블에이엠 등 참가업체는 시제품부터 제품 생산까지 활용할 수 있는 3D 프린터 라인업 및 산업용의 대형 3D 프린터 장비 등을 소개했다. 또한, 많은 참가업체들이 3D 프린터 장비뿐 아니라 이를 활용할 수 있는 관련 서비스를 소개했다. 씨이피테크는 3D 프린터 공급뿐 아니라 이와 연계한 컨설팅 및 출력 서비스를 제공한다고 소개했으며, 글룩은 제조산업뿐 아니라 영상, 엔터테인먼트 등 다양한 분야를 겨냥한 3D 프린팅 서비스를 소개했다. 하비스탕스는 DfAM(적층제조를 최적화 설계)을 위한 위상최적화 소프트웨어 기술 및 이를 적용한 3D 프린팅 사례를 소개했다.   ▲ 마크포지드의 3D 프린터 기반 스마트 공장 시연   ▲ 삼영기계가 전시한 샌드 3D 프린팅 샘플   CAD/CAE/CAM 소프트웨어 : 통합과 연계로 스마트 제조 실현 제품을 설계하고 검증하며 생산을 돕는 엔지니어링 소프트웨어 업체들도 인터몰드 2023에 참가했다. 이번 전시회에서 살펴볼 수 있었던 큰 흐름은 스마트 공장 또는 스마트 제조를 염두에 두고 소프트웨어간 또는 소프트웨어와 생산 장비의 연계와 통합을 추구하는 것이었다. 제조 산업은 제품의 설계부터 생산까지 다양한 과정을 거치는 복잡하고 다양한 분야이다. 이러한 과정을 효율적이고 정확하게 수행하기 위해서 컴퓨터를 활용하는 CAD, CAE, CAM 소프트웨어가 꾸준히 발전해 왔다. 기존에는 제품의 형상·구조의 모델링, 성능과 안전성 평가, CNC 머신의 코드 생성 등 각각의 소프트웨어 영역이 독자적으로 발전해 왔다. 하지만, 제조산업 전반의 디지털화 또는 디지털 전환이라는 테마가 강조되면서, 이들 영역을 효과적으로 연계하거나 통합해야 한다는 목소리도 높아지고 있다. 예를 들어 설계와 분석, 생산 과정 사이에 데이터를 교환하고 협업함으로써 제품 개발 및 제조에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있다. 또한 제품의 품질과 신뢰성 향상도 가능해진다. 이런 맥락에서 엔지니어링 소프트웨어의 통합과 연계는 제조 산업의 경쟁력과 혁신력을 높일 수 있는 중요한 요소로 꼽을 수 있다. 이번 인터몰드 2023에서는 단일 소프트웨어를 소개한 부스를 찾기가 어려울 정도로, 여러 소프트웨어 업체들이 다양한 소프트웨어 또는 소프트웨어와 측정 장비/로봇 등 하드웨어의 연계 활용 방안을 선보였다.   ▲ 헥사곤은 금형 산업을 위한 CAD/CAE/CAM 소프트웨어와 측정장비를 전시했다.   ▲ MES와 로봇을 연계한 건솔루션의 스마트 공장 시스템 시연   솔리드캠코리아는 절삭공구 업체인 마팔하이테코와 공동 부스를 마련해 2.5D/3D 등 다양한 가공에 대응하는 CAM 소프트웨어의 이점을 소개했다. 헥사곤은 제품 설계/최적화, 금형/전극가공, NC 데이터 검증 및 시뮬레이션, 가상 측정, 검사, 역설계 등 폭넓은 영역에서 자사가 보유한 소프트웨어 및 측정장비를 소개했다. 그리고 건솔루션은 MES 소프트웨어와 로봇 자동화를 연계한 스마트 공장 생산 시스템을 소개했다. 키미이에스는 NX, 심센터, 폴라리온, 테크노매틱스, 팀센터 등 설계부터 제조 프로세스를 관리할 수 있는 소프트웨어를 소개했고, 이디앤씨는 사출성형 해석 소프트웨어인 몰드플로우와 금형 설계/가공에 활용할 수 있는 클라우드 기반의 퓨전 360 등 소프트웨어를 소개했다. 브이엠테크는 지능형 사출성형 플랫폼과 SCADA-MES-ERP 통합 시스템을 소개했으며, 씨투이에스코리아는 메시 생성, 사출/포밍 성형, 구조해석, 성형-구조해석 연계, 복합재 해석, 최적화 등 프로세스를 위한 솔루션 라인업을 소개했다. 이외에도 아이지피넷은 3축/5축 가공을 위한 CAM 소프트웨어, 3D 모델의 에러 수정 및 최적화 소프트웨어, 프레스 금형을 위한 하이브리드 CAD/CAM 솔루션 등을 소개했다. 나이스솔루션은 지능화 기술을 더한 CAM 자동화 소프트웨어를, 씨지텍은 가상 검증을 통해 가공시간을 줄이고 생산 중 발생 가능한 문제를 막는 가공 시뮬레이션 소프트웨어를, 코어텍시스템은 사출성형 해석 소프트웨어인 몰덱스3D를 소개했다.   ▲ 사출성형 해석 소프트웨어와 클라우드 설계/제조 솔루션을 소개한 이디앤씨 부스   ▲ 솔뱅크는 가공머신 작업의 교육에 활용할 수 있는 VR 솔루션을 선보였다.   ■  기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

▲ 산업용 SLA 3D 프린터로 출력한 지그, 케이스, 조립부품 양산사례(이미지 제공 : 글룩)  국내 최대 규모의 3D 프린팅 팩토리를 구축·운영 중인 글룩은 3D 프린팅을 이용한 부품 대량 생산 체계를 더욱 다양한 산업 분야로 확대하기 위한 시스템 구축을 완료했다고 밝혔다.   글룩은 경기도 파주에 산업용 3D 프린팅 자동화 팩토리를 구축·운용하면서 자동차(차체·배터리 제조 등), 타이어, 전자·통신장비, 의료·헬스기기 등의 산업에 쓰이는 부품들의 양산을 진행하고 있다. 팩토리 설립 이후 수많은 양산 사례들을 발굴했으며, 2022년 4분기에는 산업용 SLA(광경화수지 적층 조형) 3D 프린터 6대(600mm급 5대, 2000mm급 1대)를 추가 도입하기도 했다. 글룩이 현재 운용 중인 산업용 SLA 3D 프린터는 총 28대에 달한다. 크기도 2000mm급 1대, 1000mm급 2대, 600mm급 25대 등 다양해 대량 생산부터 초대형 부품의 제작까지 모두 대응 가능하다. 특히 2023년 하반기에 파주 3D 프린팅 팩토리를 지금의 약 7배 규모로 증축함으로써 서비스할 수 있는 수준과 범위를 더욱 확대할 예정이다. 최소 주문 수량이 1개(MOQ=1ea)라는 점도 글룩의 강점이다. 수 천개 이상의 양산 고객은 물론 단일 시제품 제작이 필요한 고객도 손쉽게 도움을 받을 수 있다. 홍재옥 글룩 대표는 “설계-출력-세척-후가공 등 전 공정을 표준화했고, 지속적 연구개발을 통해 발주 수량에 상관없이 단기간 내에 고품질 제품의 양산 제작을 하고 있다”며 “점점 다양해지는 산업군과 고객 니즈를 충족시키기 위해 QA(Quality Assurance)와 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 설계 내재화도 진행하고 있다”고 말했다. 글룩은 앞으로 공장 자동화를 통해 비용효율적(Cost-effective)인 제조 환경 구축에 더욱 주력할 계획이다. 특히 여러 개의 부품을 단일 부품으로 일체화하거나 기존 방식으로는 제작하기 힘든 복잡한 형상 등에 DfAM 솔루션을 제공하는 등 다양한 사례를 만들어 나가고 있다. 홍재옥 대표는 “3D 프린팅 기술로 제작된 양산 제품들이 4차 산업혁명의 기술 발전과 함께 제조, 의료, 예술, 건축 등 전 산업 분야에 널리 활용되고 활용 범위도 점차 넓어질 것”이라며 “점점 증가하는 양산 수요와 필요성을 고려한 팩토리 확장을 통해 서비스 능력과 수준을 더욱 높여 3D 프린팅을 통한 제조분야 혁신에 한 걸음 더 나아갈 방침”이라고 강조했다.  

선박엔진용 금속 3D 프린팅 프리챔버의 대량생산에 성공하다   메탈쓰리디와 현대중공업은 선박 엔진의 핵심부품인 프리챔버(pre-chamber)를 적층제조(Additive Manufacturing : AM) 기술로 대량생산하는 연구개발을 진행했다. 이는 대표적 전통 제조업인 조선 산업에서 금속 적층제조 기술 기반의 대량생산에 성공한 사례이다.   그림 1. 메탈쓰리디 3D 프린팅 공장   조선 산업에 3D 프린팅 대량생산 기술을 적용 대중들에게 3D 프린팅으로 잘 알려진 적층제조(Additive Manufacturing) 기술은 기존 전통 제조 기술로는 구현이 어려웠던 복잡한 형상의 부품 제작도 가능하여 성능 향상 및 제조비용 절감이 기대되는 기술이다. 적층제조 기술이 개발된 초기에는 설계 형상 검증이나 부품 조립성 확인을 위한 목업이나 시제품에 주로 활용되었으나, 최근에는 다양한 산업에서 실제 부품의 생산을 목적으로 적층제조 기술을 활용하기 위한 연구개발이 다양하게 진행되고 있다. 적층제조 기술은 전통 제조 기술과 비교했을 때 아직은 높은 제조 비용과 낮은 생산성으로 인해 다품종 소량생산에 적합한 의료 산업, 금형 산업, 항공우주 산업 등에만 제한적으로 적용되고 있는 실정이다. 이는 국내뿐만 아니라 해외도 비슷한 상황으로, 2014년에 전 세계적으로 적층제조 붐을 일으켰던 GE 항공의 항공기 엔진용 연료노즐이 개발된 이후로 항공우주 산업 이외의 다른 산업에서 적층제조 기술이 대량생산에 적용된 사례는 거의 없다.1 금속 3D 프린터 개발 및 3D 프린팅 서비스 기업인 메탈쓰리디와 조선 및 선박엔진 분야의 글로벌 기업으로 자리잡은 현대중공업은 2018년 4월에 ‘고성능 선박 시스템 제조 기술 개발을 위한 3D 프린팅 컨소시엄’을 구성했다.2 이후 4년 이상의 연구개발을 통해 선박 엔진의 핵심 부품인 프리챔버(그림 2)를 적층제조 기술을 이용하여 대량생산하는 데에 성공했다.3   그림 2. 3D 프린팅으로 생산한 프리챔버   산업용 3D 프린팅 부품 제작부터 실증까지 완료 프리챔버는 선박용 대형엔진 연소실에 사용되며 ‘예연소실’이라고도 불리며, 선박 엔진의 주연소실 위쪽에 있는 작은 연소실을 말한다. 연료가 프리챔버에 분사되고 그 일부가 연소하여 고온, 고압가스를 만든 다음 나머지 연료와 함께 주연소실로 분사되어 연소되는 방식으로 작동한다. 프리챔버로 인해서 연료의 연소에 앞서 뿜는 압력을 낮춤으로써 연료 펌프와 노즐의 구조를 간단하게 변경할 수 있다. 프리챔버 제작에는 여러 적층제조 공법 중 PBF(Powder Bed Fusion) 공법이 사용되었다. PBF 공법은 금속 분말을 한 층씩 도포한 후 레이저 열원을 사용하여 선택적으로 용융시켜 3차원 형상을 만드는 방식으로, 복잡하고 정밀한 형상이 요구되는 산업용 부품 제작이 가능한 장점이 있다. 이번에 개발된 3D 프린팅 프리챔버는 현대중공업이 글로벌 선박엔진 제조업체인 독일 MAN ENERGY SOLUTIONS(MAN-ES)와 기술협력을 통해 개발한 이중연료 추진 대형 엔진인 ME-GA 엔진(그림 3)에 장착되며,4 5 MAN-ES로부터 생산 승인을 획득한 후 실제 엔진에 장착하여 실증을 완료했다.   그림 3. 선박용 ME-GA 엔진5   3D 프린팅을 위한 설계부터 최적화, 평가기술까지 확보 3D 프린팅 특화설계(DfAM : Design for Additive Manufacturing)가 적용된 프리챔버는 <그림 2>에서 볼 수 있듯이 내부에 다수의 유로가 있는 복잡한 형상으로, 고온고압의 환경에서 사용되는 고기능성 부품이다. 이로 인해 MAN-ES는 유럽의 선진 3D 프린팅 제조사로부터 프리챔버를 수입할 것을 강력하게 주장하였으나, 메탈쓰리디와 현대중공업 엔진연구소는 수년 간의 연구를 통해 확보한 적층제조 공정 최적화 및 평가 기술(그림 4)을 바탕으로 MAN-ES의 요구 수준 이상의 품질을 확보하여 MAN-ES를 설득할 수 있었다. 3D 프린팅으로 프리챔버를 생산하는 과정은 Preprocessing → Machine Build → Powder Cleaning → heat treatment → post-processing → Quality Assessment 등으로 진행되었다. 프리챔버를 생산한 금속 3D 프린터는 300×300×300mm의 빌드 사이즈를 갖고 있으며, 한 번에 4개씩 프리챔버 제작을 진행했다. 현재 ME-GA 엔진에는 전량 국산 프리챔버가 사용되고 있다.6   그림 4. 3D 프린팅 공정 최적화 및 평가 예시(MDM : Material Development Module)   맺음말 금속 3D 프린팅으로 제작한 시제품이나 다품종 소량생산 부품들은 국방, 의료, 항공우주 등 여러 분야에서 적용되고 있지만, 3D 프린팅이 전통 제조 산업에서 대량생산에 적용된 것은 국내외를 통틀어 최초의 사례라고 할 수 있다.7 향후, 메탈쓰리디는 국내 금속 3D 프린터 업계를 선도하고자 중소형 3D 프린터 라인업 확대와 혁신적인 기술 개발로 해외 금속 3D 프린터 기업들과 차별화된 경쟁력을 유지할 계획이다. 또한, 현대중공업은 대형엔진 뿐만 아니라 힘센엔진 및 친환경 기자재 등 다양한 제품에 3D 프린팅 기술을 확대 적용하여 성능 향상 및 가격 경쟁력 우위를 강화해 나갈 예정이다.   참고자료 GE리포트, “3D 프린팅, 이제 하늘을 날다” 현대중공업 보도자료, “현대重, 3D 프린팅으로 선박 건조 경쟁력 높인다” 현대중공업 블로그, “세계 최초 3D 프린팅 선박엔진 프리챔버 양산기술 개발 발표” 매일경제신문, “현대重, 친환경선박 ‘심장’ 원천기술 확보” MAN-ES 홈페이지 일간조선해양, “세계 최초 프리챔버 3D 프린팅 양산” 경상일보, “세계 최초 3D 프린팅 선박용 엔진 부품 양산”     이성모 현대중공업 엔진연구소 가상제품개발연구실의 책임연구원으로, 3D 프린팅 공정 최적화 및 3D 프린팅 양산화 기술을 연구하고 있다. 현재 울산시 3D 프린팅 산업 발전위원회 위원을 맡고 있다.   손현진 한국생산기술연구원 & 메탈쓰리디의 책임연구원이다. 3D 프린팅 공정 최적화 기술 개발, 3D 프린팅 제품 제작 방안 설계 및 해석, R&D 기술 개발 등을 진행하고 있다.   ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

머티리얼라이즈가 6월 10일 경기도 시흥에 위치한 한국생산기술연구원 시흥 3D 프린팅 제조 혁신센터에서 'Materialise Metal AM 사용자 데이'를 진행한다고 밝혔다. 미래 제조기술로서 3D 프린팅 및 적층제조(AM)에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 금속 적층제조는 3D 프린팅의 설계 유연성과 금속의 강력한 기계적 특성을 결합하기 때문에, 제품 개발의 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대를 받는 상황이다. 반면 이러한 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는 기술 자체뿐 아니라 디지털 제조에 대한 깊이 있는 이해가 중요하게 여겨지는 것도 사실이다. 머티리얼라이즈는 "제조기업에서 금속 적층제조 기술을 활용하는 데에 있어 어려움을 극복하고 금속 적층제조의 잠재력을 실현할 수 있도록 이번 세미나를 준비했다"고 소개했다. 이번 'Materialise Metal AM 사용자 데이' 세미나에서는 ▲현대자동차 최재준 연구원의 '실패 없는 빌드를 위한 서포트 및 배치 전략' ▲경상국립대학교 3D 프린팅 경남센터 정명휘 실무책임연구원의 '금속 3D 프린팅 제작 지원 사례와 서포트 최적화를 통한 공정개선' ▲경북대학교 IACT 의료융합기술센터 김윤호 선임팀장의 '3D 프린팅 의료기기 생산성 향상을 위한 연구' ▲M3파트너스 박기철 부장의 '8년차 엔지니어가 말하는 Metal AM 접근 방법' 등 발표가 진행된다. 또한 머티리얼라이즈의 적층제조 플랫폼 소개, 패널 토론, 3D 프린팅 제조혁신센터 투어 등의 프로그램을 통해 금속 적층제조에 대한 이해를 넓히고 제조기업의 비즈니스 성장을 위한 인사이트를 제공하는 기회가 마련될 예정이다. 한편, 머티리얼라이즈는 금속 3D 프린팅을 위한 기술, 재료 및 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 및 소프트웨어 솔루션에 대한 심층 정보를 제공하는 유료 교육 프로그램도 진행한다고 밝혔다.