3D 시스템즈는 오는 9월 5일 양재 엘타워에서 ‘적층제조 테크 서밋(AM Tech Summit)’을 개최한다고 밝혔다. 이번 세미나에서는 ‘생산성 가속화를 위한 3D 시스템즈의 진화’를 주제로 적층제조(AM)를 위한 3D 시스템즈의 신제품 펠릿 압출 3D 프린터인 ‘EXT 800 Titan pellet’과 PBF 방식 금속 프린터 ‘DMP Flex 350 Triple’에 대한 자세한 내용을 소개한다. 또한, 올해 출시되는 ‘PSLA 270’을 소개하고 프린터 활용 사례를 공유할 예정이다. 행사는 3D시스템즈코리아 정원웅 대표의 ‘적층제조 산업에 대한 3D 시스템즈의 기대와 전략’ 발표를 시작으로 ▲산업용 펠릿 압출 기술의 접근성 확대 ▲펠릿 압출 3D 프린터의 적용 및 활용 ▲SLA와 프로젝션 기술의 결합 ▲레진 3D 프린터의 적용 및 활용 ▲금속 부품 제작을 위한 생산성 향상 ▲금속 3D 프린터의 적용 및 활용 등의 발표를 통해 신제품 및 활용 사례를 소개한다. 3D 시스템즈는 행사 웹사이트를 통해 이번 세미나에 무료 사전등록이 가능하다고 밝혔다.  

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례   이번 호에서는 태성에스엔이의 자회사로 적층제조(AM) 전문 CAE 기업인 원에이엠이 한국항공우주연구원 우주발사체 엔진의 개폐밸브 하우징에 대한 L-PBF 방식 금속 적층제조 공정 중 발생한 과열 문제를 앤시스 워크벤치 애디티브(Ansys Workbench Additive)를 통해 검토하고 해결한 사례를 소개하고자 한다.   ■ 김재은 원에이엠 DfAM팀의 선임연구원으로 Ansys Additive 라이선스 및 다양한 적층제조 관련 교육을 담당하고 있으며, 적층제조 특화 설계를 통한 성공사례를 만들어가고 있다. 홈페이지 | www.oneam.co.kr   금속 적층제조 공정은 상대적으로 높은 설계 자유도 및 공정 자유도에 의해 항공우주, 모빌리티 등의 산업에서 고부가가치 제품의 생산 또는 개발 단계의 성능 검증과 제품 제작에 많이 이용된다. 특히 L-PBF(Laser-Powder Bed Fusion) 방식이 가장 널리 쓰이는데, L-PBF 방식의 금속 적층제조는 금속분말이 얇게 도포된 베드 위에 레이저로 고밀도의 에너지를 조사함으로써 제품을 생산하는 방법을 일컫는다. 균일한 두께로 얇게 도포된 금속 분말은 레이저에 의해 용융되고, 고화 및 분말 도포 과정이 반복되며 층별로 쌓임으로써 제품 형상을 구현한다. 이러한 생산 방식으로 인해 L-PBF 방식 금속 적층제조 공정에서는 필연적으로 열이 발생한다. 이 열을 안정적으로 해소하지 못한 경우 제품의 변형, 크랙(갈라짐) 등이 발생할 가능성이 높아지고, 심각한 경우 공정을 중단하는 사태에 이르게 될 수 있다. 따라서 제품의 개발 비용 손실 최소화 및 성능 만족 측면에서 적층제조 공정 중 문제를 일으킬 가능성이 높은 열 문제를 반드시 검토하고 해결해야 한다.    발사체 엔진 개폐밸브 하우징의 과열 탐색 필요성 한국항공우주연구원은 대한민국 항공우주 분야의 중심 연구기관으로, 항공기·인공위성·우주발사체의 종합 시스템 및 핵심 기술 연구 개발을 수행하고 있다. 최근에는 우리나라 최초의 달 궤도선 다누리의 개발과 국내 독자 기술로 개발한 한국형 발사체 누리호의 개발에 성공하였으며, 차세대 발사체 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 우주발사체의 추진력은 엔진의 점화와 연소 중단을 통해 얻는데, 이때 연소기 내에서 산화제(산소)와 연료의 공급/차단이 원활히 이루어지도록 하는 것이 개폐밸브이다.  개폐밸브는 액체산소(LOX)가 산화제로 사용되기 때문에 -183℃의 극저온 환경에서 안정적으로 작동하여야 하며 기밀, 열림 압력, 내구성 등 밸브 성능에 높은 신뢰성이 요구된다. 또한 밸브 크기 및 무게의 제한으로 인해 개발 요구조건 난이도가 높다. 이러한 개발 요구조건을 만족시키기 위해 개폐밸브 작동조건 및 환경을 고려한 설계와 함께, 극저온 취성을 포함한 우수한 성질의 소재로 제작하는 것이 필요하다.  앞선 요구조건을 만족하도록 연구개발 및 해석을 통해 개폐밸브 하우징은 위상최적화 기법을 도입하여 설계되었고(그림 1) 위상 구조가 복잡해짐에 따라 L-PBF 방식의 금속 적층제조 공정으로 제작이 결정되었다.   그림 1. 한국항공우주연구원의 개폐밸브 하우징   L-PBF 방식의 금속 적층제조 공정은 얇은 금속 분말 층을 레이저로 용융한 뒤 고화시키는 과정을 반복하여 쌓음으로써 제품을 생산한다. 때문에 금속 적층제조 공정 중에 필연적으로 열이 발생한다. 이렇게 발생된 열의 대부분은 전도를 통해 제품의 하단, 즉 베이스플레이트 쪽으로 이동하며 배출된다. 그런데, 이때 열을 충분히 해소시키지 못하는 경우 과열 문제가 발생할 가능성이 높다. 주로 베이스플레이트 쪽으로 열을 전도시키는 매개체가 부족하거나, 제품의 단면적 변화가 급격하여 열 전달의 병목 구간이 존재하는 경우 나타난다. 이러한 과열 및 적층 레이어 간의 높은 열 구배는 잔류응력을 유발하는데, 이는 제품의 과도한 변형 및 크랙(갈라짐)을 일으키거나 제조 공정이 중단되는 사태에 이르게 될 수 있다. 따라서, 금속 적층제조 공정에 들어가기 앞서 문제를 초래할 가능성이 있는 과열 영역에 대해 사전 검토가 필요하다.   그림 2. 과열에 의한 파트 변형 예   추가로, 금속 적층제조 공정에서 열 전도도가 낮아 열 배출이 용이하지 않은 소재를 사용할 경우 과열에 더 유의해야 한다. 대표적으로 철 합금, 니켈 합금, 티타늄 합금 등이 있는데, 이 소재들은 고강도, 극저온, 인체 적합성 등 특수한 사용 환경 및 조건에 의해 항공우주, 모빌리티, 의료 등의 분야에서 활용도가 높다.    그림 3. Ansys Additive Manufacturing Materials의 열전도도 비교   한국항공우주연구원의 개폐밸브 하우징도 마찬가지로 -183℃의 액체산소(LOX) 산화제를 사용하고 내압, 진동, 열변형을 견뎌야 한다는 운용 환경에 의해, 니켈 합금인 Inconel 소재로 금속 적층제조 공정을 수행하게 되었다. 따라서, 위상최적설계를 통해 형상 복잡도가 높아 열 배출이 어려워진 것에 더해, 열전도도가 낮은 Inconel 소재 적용으로 과열에 대한 위험성이 높아졌다. 또한 제품의 크기가 커서 대형 장비로 제작해야 되기 때문에, 소형 대비 제작 실패 시 발생 비용이 높다. 그러므로 개폐밸브 하우징은 금속 적층제조 공정 제작 난이도가 매우 높고 제작 실패 시 발생 비용이 크기 때문에, 사전 검토 단계에서 과열 영역 탐색을 도입하고 문제 발생 가능성이 높은 부분에 대해 예방할 필요가 있다. 따라서 이번 호에서는 앤시스 워크벤치 애디티브를 활용하여 해석적으로 과열 영역을 확인하고, 실제 제작된 제품과 비교함으로써 신뢰성을 확보하고자 하였다.     ■ 자세한 기사 내용은 PDF로 제공됩니다.

머티리얼라이즈와 레니쇼(Renishaw)는 레니쇼의 적층제조(AM) 시스템을 사용하는 제조업체의 효율성과 생산성을 높이기 위한 파트너십을 발표했다. 파트너십에 따라 레니쇼 시스템 사용자는 금속 AM 시스템인 RenAM 500 시리즈에 맞춤화된 머티리얼라이즈의 빌드 프로세서 소프트웨어를 활용하는 한편, 머티리얼라이즈의 데이터 및 빌드 준비 소프트웨어인 매직스(Magics)에 액세스할 수 있다. 이를 통해 레니쇼의 3D 프린팅 시스템 사용자는 디자인부터 3D 프린팅 파트까지 원활한 워크플로를 구축하고, 3D 프린팅 프로세스를 제어 및 맞춤화하며, 생산 시간을 단축하고, 3D 프린팅 작업의 효율을 높일 수 있다. 금속 부품을 산업 규모로 생산하기 위해 적층제조를 도입하는 제조기업이 많아지고 있다. 산업용 3D 프린팅의 핵심 기술은 레이저 파우더 베드 융합(LPBF)으로, 사용자가 생산성 향상을 위해 프린트 파라미터를 조정할 수 있는 기능을 제공한다. 하지만 경험이 없는 사용자에게는 LPBF가 어려울 수 있으므로 이 기술을 최대한 활용하려면 추가 교육이 필요할 수 있다. 제조업체는 소프트웨어를 통해 3D 프린팅 프로세스를 최적화하고 워크플로를 간소화하여 기술의 잠재력을 최대한 활용할 수 있다.     빌드 프로세서는 3D 프린터와 데이터 준비 소프트웨어를 연결하여 디자인부터 프린트까지 적층제조 프로세스를 간소화한다. 머티리얼라이즈의 차세대 빌드 프로세서는 레니쇼가 최근 출시한 TEMPUS 기술을 보완한다. 레니쇼의 RenAM 500 시리즈 3D 프린팅 장비에 적용된 이 새로운 스캐닝 알고리즘은 리코터(recoater)가 움직이는 동안 레이저를 발사하여, 품질 저하 없이 파트 제작 시간을 줄일 수 있다. 머티리얼라이즈의 차세대 빌드 프로세서 소프트웨어는 데이터를 일관되게 처리하고 복잡한 지오메트리와 대량의 파트에 대한 데이터 처리 속도를 높인다. 또한 레니쇼 AM 시스템을 위한 새로운 빌드 프로세서는 파트 레벨에서 전용 프린트 파라미터를 사용하여 생산성을 높이고 품질을 최적화하여, 서로 다르거나 동일한 파트의 대량 생산에 효과적이다. Renishaw AM 시스템용 빌드 프로세서를 사용해 연결할 수 있는 매직스는 다양한 임포트 파일 형식과 호환되며, 주요 3D 프린팅 기술에 대한 연결성을 제공하는 기술 중립적인 데이터 및 빌드 준비 소프트웨어이다. 또한, 사용자에게 고급 워크플로 제어 및 자동화를 제공한다. 이 소프트웨어는 물리학 기반 모델링을 사용하여 서포트 구조 생성을 자동화하는 LPBF 시스템의 데이터 및 빌드 준비를 최적화한다. 제조기업은 머티리얼라이즈 빌드 프로세서 소프트웨어 개발 키트를 사용하여 자신만의 지적 재산(IP)을 만들고, 개방형 소프트웨어 시스템을 통해 금속 3D 프린팅 애플리케이션에 맞는 차세대 빌드 프로세서를 자체적으로 제작할 수 있다. 맞춤형 빌드 프로세서는 비용 효율성, 생산 속도 및 파트 품질을 더욱 높여 복잡한 부품을 제조하고 일관된 품질, 불량률 감소 및 리드 타임 단축으로 동일하거나 개인화된 제품을 대량 생산하는 데에 기여한다. 머티리얼라이즈의 카렐 브란스(Karel Brans) 파트너십 수석 디렉터는 “이번 파트너십을 통해 효율적인 금속 3D 프린팅에 대한 독특한 접근 방식이 가능해졌다. 레니쇼의 TEMPUS 기술과 머티리얼라이즈 빌드 프로세서의 고속 데이터 처리 능력을 결합하면 생산 시간을 크게 단축할 수 있다”면서, “3D 프린터 제조업체와의 파트너십은 빌드 준비를 최적화하고 빌드 작업을 간소화하여 효율성을 극대화한다. 이를 통해 모든 수량과 맞춤화 수준으로 제조가 가능하여 사용자가 생산 능력을 확장할 수 있다”고 전했다. 레니쇼의 맷 파크스(Matt Parkes) AM 전략 개발 매니저는 “머티리얼라이즈와의 협력을 통해 다양한 제조 애플리케이션에 3D 프린팅을 도입하는 레니쇼 사용자를 지원할 수 있게 되었다”면서, “머티리얼라이즈의 차세대 빌드 프로세서는 소프트웨어 포트폴리오와 결합하여 우리의 최근 기술 업데이트를 보완한다. 금속 3D 프린팅이 제조 퍼즐의 필수 요소로 자리 잡으면서 업계를 지원하는 데 필요한 도구에 대해 협력할 수 있게 되었다”고 전했다.

AMR(Additive Manufacturing Research)은 2023년 적층제조(AM) 시장조사 보고서를 발표하면서, 작년 적층제조 시장이 전년 대비 13.5% 성장한 147억 달러 규모라고 밝혔다. 폴리머 적층제조 부문의 성장률은 10%를 조금 넘는 수준이었고, 금속 적층제조 부문은 15%에 가까운 성장률로 폴리머 부문을 앞질렀다. 적층제조 서비스 시장은 총 67억 달러로, 전체 적층제조 산업과 비슷한 성장세를 보였다. 2023년 4분기 적층제조 하드웨어 매출은 2022년 같은 분기에 비해 1% 미만으로 성장했으며, 금속과 폴리머의 연간 하드웨어 매출은 2022년 대비 2023년에 6% 미만으로 성장했다.      파우더 베드 퓨전(PBF) 기술을 빠르게 산업화하고 생산성을 높이려는 노력이 전행되고 있는 한편으로, 비용이 증가하고 고객이 중요한 애플리케이션 적용에 대한 확신을 얻기까지 시간이 더욱 길어지고 있다. 새로운 기술을 통해 부품당 비용이 감소할 수 있는 잠재력이 있지만, 현재와 같은 재무 환경에서는 적층제조 기업의 초기 투자가 여전히 어려운 상황으로 보인다. 이외에도 AMR은 군사/정부 부문의 적층제조 시장 모멘텀이 작년 4분기에 더욱 증가하여, 향후 2년간 적층제조에 대한 정부 지출이 가장 큰 시장 요인이 될 가능성이 커질 것으로 보았다. AMR의 스콧 던햄(Scott Dunham) 부사장은 “시스템 구매 트렌드의 변화로 인해 작년은 매출 성장률이 하락하는 등 기복이 심한 한 해였다. 하지만 정부 지출과 주요 시장의 성숙도에 힘입어 단기간 내에 회복될 가능성이 있는 적층제조 기술에 대한 실질적인 수요는 여전히 존재한다. 올해에는 정상적인 성장세로 돌아갈 전망이며, 장기적으로 볼 때 적층제조는 여전히 제조업의 진화를 위해 주목해야 할 기술”이라고 짚었다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(헥사곤 MI)가 산업 규모의 적층제조(AM) 도입을 지원하기 위해 설계된 ‘헥사곤 적층제조 소프트웨어 스위트(HxGN Additive Manufacturing Suite)’을 발표했다. 헥사곤의 디지털 리얼리티 플랫폼인 넥서스(Nexus)를 통해 사용 가능한 적층제조 스위트는 헥사곤의 네 가지 핵심 소프트웨어를 통합했다. 이를 통해 호환성 문제로 인한 공정 확장 및 반복의 어려움을 해소하고, 안정적인 공장 가동과 3D 프린팅 서비스 운영의 효율성을 높이는 것이 목표이다. 헥사곤 MI는 “프로토타입 제작에 중점을 둔 다른 솔루션의 경우 복잡성과 높은 비용으로 인해 제조 애플리케이션 적용에 제한이 있지만, 넥서스는 공급업체별로 제한적인 도구와 소프트웨어 사용에 대한 제약 없이 민첩하고 반복적인 작업을 지원한다”고 소개했다.     헥사곤 적층제조 스위트는 제조 중심의 고성능 3D 프린팅 소프트웨어 솔루션으로서, 헥사곤의 ▲제조 및 설계 검토용 CAD 소프트웨어인 디자이너(Designer) ▲금속 파우더 베드 퓨전(PBF) AM 빌드 준비를 위한 AM 스튜디오(AM STUDIO) ▲제조 프로세스 시뮬레이션 및 최적화를 위한 시뮤팩트 애디티브(Simufact Additive) ▲금속 AM 부품의 후공정 CNC 가공을 위한 CAM 소프트웨어 에스프릿 엣지(Esprit Edge)가 결합됐다. 제조업체는 업데이트된 넥서스 플랫폼이 지원하는 워크플로 자동화를 통해 효율적인 설계가 가능하다. 또한 고효율의 서포트 구조와 슬라이싱, 해칭 기능이 탑재된 프린터 제작 준비가 간소화되어 비용을 신속하게 예측하고, 프린팅 전략과 빌드 방향을 최적화하여 제품 공정 초기에 문제를 발견하고 해결할 수 있다. 특히 인공지능(AI)을 통한 디지털 트윈 기술로 구동되는 에스프릿 엣지는 금속 적층제조 부품의 후공정에 필요한 CNC(정밀가공) 작업 최적화를 통해 정밀하고 효율적인 작업을 지원한다. 헥사곤의 척 매튜(Chuck Mathews) 생산 소프트웨어 총괄 매니저는 “적층가공은 제조산업계의 핵심 기술로, 다양한 산업 분야의 주요 애플리케이션에 사용될 고품질 부품 생산에 확장, 적용될 것”이라며, “제조업체는 헥사곤의 새로운 적층제조 스위트를 통해 간소화된 워크플로와 효율성, 확장성, 신뢰성을 갖춘 적층제조 프로세스를 기반으로 시간과 예산을 효율적으로 운용할 수 있다”고 말했다. 헥사곤 MI의 파스 조시(Parth Joshi) 최고 제품 및 기술 책임자는 “적층제조 기술 확장에 대한 수요 속에서 제조업체는 부품 제작에 앞서 공정 자동화를 통한 효율적인 운용과 가상환경에서의 생산 최적화를 이뤄야 한다”면서, “광범위한 적층제조 포트폴리오를 보완하는 새로운 헥사곤 적층제조 스위트는 적층제조 운영을 고도화함에 따라 향후 의료, 항공 등 산업 전반에 걸친 추가적인 적층제조 기술에 대한 지원을 지속할 예정”이라고 말했다.

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.

국가뿌리산업진흥센터와 3D융합산업협회(이하 3DFIA)가 뿌리산업 재직자의 3D 프린팅(적층제조) 역량강화를 지원하기 위해 뿌리기술아카데미를 운영한다. 그 일환으로 9월 7일 보코 서울강남에서 2023 뿌리기술아카데미 3D 프린팅(적층제조) 기술 세미나를 개최했다. ■ 최경화 국장     중소벤처기업부와 국가뿌리산업진흥센터가 지원하는 뿌리기술아카데미사업은 2019년부터 6대뿌리산업(금형, 소성가공, 주조, 열처리, 용접, 표면처리 등)을 중심으로 산업별 대표단체가 운영 중이다. 올해부터는 3D 프린팅(적층제조), 정밀가공 등 새롭게 확장된 뿌리기술을 포함해 지원한다. 최근 3D 프린팅은 항공우주, 방산, 발전, 자동차 등의 분야에서 첨단부품 제조를 위한 제조혁신 기술로 주목받고 있으며, 전통뿌리기술과의 응용도 꾸준히 시도되면서 디지털제조의 핵심기술로 자리잡고 있다. 특히 고속냉각채널금형, 정밀금형, 정밀주조, 대형주조 등의 제작을 통해 3D 프린팅 활용가치에 대한 뿌리산업계 인식이 높아지고 있다. 산업부가 산업별 인력수급정책지원을 위해 지정한 3D 프린팅 산업과 뿌리산업 인적자원개발협의체의 인력실태조사에 따르면 기반공정 6대 뿌리기업 1만 7000여개사 중 3D 프린팅 활용기업은 754개사이며, 이중 56.3%가 3D 프린팅 장비 및 담당인력을 보유하고 있는 것으로 확인됐다. 3DFIA는 뿌리기업의 3D 프린팅 활용수준을 높이기 위해 교육과정 12종을 개발했다. 교육과정은 직무향상형, 자격취득형, 세미나형 등 3가지 유형을 기준으로 이론 및 실습 과정을 수준별로 구분하고, 9월부터 세미나형 교육 2개 과정을 시작으로 본격 개시했다. 직무향상 교육 과정에서는 적층제조 기술 개요 및 안전관리, 금형 및 주조분야 3D 프린팅 활용, 플라스틱 적증제조, 금속 적층제조(PBF 및 DED 방식 중심), 금속 적층제조 최적화설계 및 해석, 금속 적층제조를 위한 후처리 및 품질관리, 적층제조를 위한 데이터 전처리, 역설계를 통한 유지보수 및 품질관리 등이 이루어질 예정이다.     2023 뿌리기술아카데미 3D 프린팅 기술 세미나 세미나형 교육과정은 ▲3D 프린팅 글로벌 트렌드 및 활용사례 ▲3D 프린팅 공공인프라 활용 노하우를 주제로 뿌리산업 재직자의 3D 프린팅 기술가치 인식을 지원한다. 이의 일환으로 9월 7일과 8일 양일간 뿌리산업 및 관련분야 재직자를 대상으로 ‘2023 뿌리기술아카데미 3D 프린팅(적층제조) 기술세미나’가 보코 서울강남에서 개최되었다. 1일차에는 글로벌 3D 프린팅 트렌드 및 활용 사례를 주제로 ▲글로벌 3D 프린팅 기술동향(성유철 3D프린팅연구조합 부장) ▲뿌리기술과 금속 3D 프린팅 후공정(전호성 자이브솔루션즈 부장) ▲정밀금형분야 금속 3D 프린팅 활용 방안(하성용 테라웍스 대표) ▲주조분야 대형 샌드3D 프린팅 활용방안(한국현 삼영기계 사장) ▲정밀주조분야 3D 프린팅 융합사례(박경준 알피캐스트 대표) ▲금형분야 3D 프린팅 활용방안(조안기 3D시스템즈 팀장) ▲금형분야 3D 프린팅 고속냉각채널 적용방안(박기철 엠쓰리파트너스 팀장) ▲사출금형분야 3D 프린팅 융합사례(노두숙 프로토텍 이사) 등이 발표되었다. 2일차에는 3D 프린팅 공공인프라 활용 노하우를 주제로 ▲ICT 디바이스랩(3D프린팅연구조합)  ▲3D 프린팅 제조혁신지원센터(한국생산기술연구원) ▲첨단정보통신융합산업기술원(경북대) ▲3D-FAB(3D프린팅연구조합) ▲첨단제조기술연구센터(항공우주산학융합원) ▲K-ICT 3D 프린팅 지역센터(한국교통대) ▲K-ICT 3D 프린팅 지역센터(대전테크노파크) ▲3D 프린팅 융합기술센터(울산과학기술원) ▲3D 프린팅 품질평가센터(한국건설생활환경시험연구원) 등이 소개되었다. 3D프린팅연구조합 성유철 부장은 2022년 전세계 3D프린팅 시장 규모는 182억 70만달러(26조원)으로 전년 152억 40만달러 보다 18.3% 성장하였다고 밝혔다. 성유철 부장은 글로벌 3D 프린팅 글로벌 시장이 연 평균 20% 성장할 것으로 전망했는데, 성장 이유로 “예전에는 시제품으로 만들었는데 지금은 제조 프로세스로 변화하는 방향으로 인수 및 투자가 진행되고 있다”고 밝혔다. 이러한 세계적 추세와는 달리 한국 3D 프린터 개발업체들은 신도리코 등 대기업들이 사업을 접는 등 어려움을 겪고 있으며, 금속, 바이오 등 특화된 시장에서 명맥을 유지하면서 서비스 등을 중심으로 성장해 나고 있는 것으로 보인다. 업계 관계자는 “국내 3D 프린터 관련 업체들이 방향성을 잃으면서 70% 정도는 사라진 것으로 추정된다”면서 “뿌리기술아카데미가 3D 프린팅 기술의 기술과 정보를 이어주는 플랫폼으로서 뿌리산업과 3D 프린팅 산업이 함께 성장할 수 있는 역할을 할 것”으로 기대했다.     ■ 기사 내용은 PDF로도 제공됩니다.

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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

앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례   금속 적층제조 공정은 금속 파우더를 용융시켜 적층하는 방식으로, 공정 특성상 열 변형이 동반된다. 이러한 열 변형은 출력 결과물의 구조적 신뢰성에 큰 영향을 미치므로, 제품의 치수 정밀도를 높이기 위해 반드시 해결해야 한다. 열 변형 해결을 위한 대표적인 방법은 앤시스 애디티브(Ansys Additive)를 이용하여 보상 모델을 활용하는 것이다. 보상 모델은 설계 모델과 실제 생산된 제품 간의 치수 차이를 해결하기 위한 방법이다. 적층공정 중 발생하는 제품 변형을 예측하여 이에 대한 보상 모델을 생성하면, 보상 모델이 사전 예측된 변형 거동을 따라 변형됨으로써 원하는 치수 정밀도를 충족하게 해준다. 이번 호에서는 워크벤치 애디티브(Workbench Additive)를 활용하여 L-PBF 방식의 보상 모델 생성 방법에 초점을 맞추어 다뤄보고자 한다.   ■ 김선명 | 태성에스엔이 적층제조센터 DfAM팀의 매니저로, 적층제조 특화 설계를 담당하고 있다. 이메일 | smkim23@tsne.co.kr 홈페이지 | www.tsne.co.kr   적층 공정에서의 보상 모델 적층제조 공정에서 발생하는 제품의 열 변형은 설계 치수와 실제 제품 간에 치수 차이를 발생시키는 원인이다. 치수에 오차가 발생함에 따라 구조 및 성능에 대한 문제가 발생할 뿐 아니라, 후가공에서도 문제가 발생할 수 있다. 따라서 적층제조 공정에서 치수 정밀도와 성능을 유지하기 위해 열 변형을 고려한 제품 설계가 필요하다. L-PBF 적층제조 공정에서 열 변형이 발생하는 원인은 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 용융시키기 때문이다. 이렇게 제작되는 부품은 제조공정 중에 고온의 에너지를 지속적으로 받게 되고, 제조공정이 끝나도 열응력이 남아있는 등 열 변형에 대한 문제점이 존재한다. <그림 1>은 제조공정 중 발생하는 열이 충분히 배출되지 못해 발생한 열 변형의 대표적인 예이다.   그림 1. 원본 지오메트리 : (a) 설계 모델, (b) 시뮬레이션 결과, (c) 제작 모델   이러한 열 변형에 의한 수축/팽창으로 유발되는 제품 변형을 방지하기 위해 보상 모델의 적용이 필요한 것이다. 그러나 열 변형 거동을 고려한 보상 모델 설계를 직접 수행하기에는 어려움이 있으므로 시뮬레이션을 사용하여 보상 모델을 생성한다. 앞서 언급한 보상 모델이란, 적층제조 공정 중 발생하는 제품 변형을 사전 시뮬레이션을 통해 예측한 후, 열 변형 발생 시 원본 설계와 동일한 형상이 도출되게끔 모델링을 변경하는 방법이다. 먼저 <그림 2>와 같이 열 변형으로 인한 팽창이 일어날 것으로 예측되는 영역에 대해 형상을 변경시킴으로써 보상 모델이 생성된다. 이 보상 모델에 대한 적층공정 시뮬레이션을 수행한 결과, 동일 구간에서 열 변형으로 인한 팽창이 발생하며 원래 설계대로 제품 형상이 완성됨을 확인할 수 있다.   그림 2. 보상(compensated) 지오메트리 : (a) 설계 모델, (b) 시뮬레이션 결과, (c) 제작 모델   L-PBF 공정 시뮬레이션의 보상 모델 생성 방법 이 글에서는 <그림 3>과 같은 형상의 Ti-6Al-4V 재질의 더블 아치형 모델을 이용하여 L-PBF 적층공정 시뮬레이션을 진행하고 보상 모델을 생성하고자 하며, 과정은 다음과 같다. 먼저 보상 모델 생성에 앞서 첫 번째로 모델의 L-PBF 시뮬레이션을 수행한다. 다음으로 Inherent Strain 해석을 기반으로 L-PBF 시뮬레이션 진행 후 결과를 검토하며 보상 모델의 생성 기준을 정의하고, Distortion Compensation 기능을 활용하여 보상 모델 생성을 위해 <그림 4>에서 나타낸 순서대로 워크플로를 진행하여야 한다. 마지막으로 생성된 보상 모델의 L-PBF 시뮬레이션 결과를 검토하여 실제 출력물의 결과가 어떻게 나올지 분석하여야 한다.   그림 3. L-PBF 시뮬레이션을 위한 모델   그림 4. 보상 모델 생성의 워크플로   ■ 기사의 상세 내용은 PDF로 제공됩니다.