적층 가공이 제공하는 설계의 자유로룸

적층 가공은 속이 비어 있는 중공체 내부와 같은 까다로운 형상을 만들 수 있다. 가벼운 중량으로 높은 하중 용량을 제공하는 완전히 자유로운 구조의 장점을 활용하려면 정교한 시뮬레이션이 필요하다.

안드레아스 바르트(Andreas Barth): Dassault Systèmes의 Euro Central 매니징 디렉터

나무는 가볍고, 안정적이며, 최소한의 재료를 사용한다. 자연은 나무처럼 재료와 구조를 어떻게 안정적으로 완성하는지를 잘 보여준다. 기술 구성 요소의 설계자들은 이를 자연에서 모방하고자 한다. 우수한 형상을 개발하고 하중과 거동을 계산하는 데 도움이 되는 소프트웨어는 수년 전부터 이미 있었다. 설계자들은 이상적인 형상을 만들 설계 도구와 시뮬레이션 도구 두 가지가 필요하다. 여기에 불가능했던 구조물을 현실이 되게 하는 제조법도 필요하다.

Dassault Systèmes은 3D Experience 플랫폼을 통해 서로 조정되는 어플리케이션을 제공한다. 적층 가공은 Rapid Prototyping(쾌속 조형)을 넘어 성장하고 있다. 사용자는 점점 더 실제에 가까운 부품을 생산하게 되었다. 이는 CAD와 시뮬레이션 도구가 서로 잘 어울리지 않으면 불가능하다. 완전히 다른 방식으로 제조되는 3D 부품은 주조나 밀링으로 제작되었던 이전 모델들과 동일한 특성을 가져야 한다. 이 새로운 유형의 제조방법은 엄청난 이점을 제공한다. 설계 단계가 줄이고 값비싼 프로토타입과 설계 오류를 없앨 수 있다. 설계자는 어떤 형상을 제작할 수 있는지 걱정할 필요가 없고, 부품의 기능에만 온전히 집중할 수 있다. 하지만 3D 프린팅의 단점을 묵과해서는 안 된다. 레이저로 금속을 녹이는 뜨거운 공정에서 구성 요소에 응력이 생길 수 있고, 가상의 구성품과 실제 구성품 사이에 프로세스 차이가 있을 수 있다. 이런 경우 Simulia 소프트웨어가 열 입력을 시뮬레이션하고 구조의 왜곡을 예측하여 다양한 레이저 노출 전략과 레이저 경로를 미리 평가하여 최상의 가능성을 구현할 수 있다. 이때 사용하는 재료와 선택한 적층 가공법의 공정 매개변수가 결정적인 역할을 한다.

시뮬레이션이 구성품을 개선하다

현실적인 시뮬레이션 외에 보다 복잡한 문제도 시뮬레이션으로 해결할 수 있다. 특히 하이엔드 어플리케이션 영역에서는 다양한 크기 스케일에 미치는 다중 물리 효과를 고려해야 한다. 3D 프린팅의 경우, 재료를 미세한 크기로 녹여 전체 구성품의 특성을 형성한다. 설계자는 이상적인 구성품을 구상하는 것이 아니라 실제 테스트를 통과할 수 있는 구성품을 구상해야 한다. 반복 루프인 설계, 시뮬레이션, 설계 개선, 시뮬레이션, 과정에서 어디서 재료를 절감할 수 있고, 어디에 더 추가해야 하는지 보다 정확한 정보를 제공한다. 복합 재료도 이에 해당한다. Dassault Systèmes은 한 디자인 연구에서 농업 기계 제조사 Claas을 위해 플라스틱으로 3D 프린팅한 부품을 개발하였다. 이 3D 프린터는 하중을 많이 받는 부분에 얇은 Kevlar 실을 추가한다. 건조 반전기에 들어가는 조인트의 일부인 이 구성품은 시뮬레이션과 적층 가공의 조합이 어떤 변혁을 가져올 수 있는 지 보여주었다. 이 구성품은 금속 주물로 제조된 이전 모델과 모양이 다르고 무게도 8kg이 아닌 800g이지만 하중 용량은 동일하다. 어떻게 이런 일이 가능할까? 이는 불필요한 구조를 생략함으로써 가능한 일이다. FEA(유한 요소법)로 하중을 살펴보면, 이전의 구성품은 전체의 절반이 부하를 수용하지 않고 무게와 비용만 추가하였다. 물론 다른 기능적 조건들을 더 갖추어야 한다. 이 시뮬레이션은 건조 반전기의 나사를 처리하는 데에 도움이 되었다. 건조 반전기의 하중에서 나사가 지닌 기능은 나사로 인해 안전에 플러스가 되는 요소를 장착했다는 것을 개발자에게 제공하는 것이다. 많은 경우 그러한 나사 또는 리벳은 구조를 약화시킬 수 있다. “엔지니어의 머릿속에서 이를 없애는 것은 쉬운 일이 아닙니다.”(빌프리드 가스너, Dassault Systèmes 기술 컨설턴트) 그런데 이 아이디어에서 3D 프린팅된 제품으로 가는 과정은 이상적으로 보인다. 설계자들은 CAD 프로그램으로 구성품을 설계한다. 아마도 이전 모델과 매우 유사하게 보일 것이다. 이제 Dassault Systèmes의 소프트웨어인 Tosca Structure로 토폴로지를 개선할 수 있다. 시뮬레이션은 부품에 힘을 가하고 재료에서 응력을 계산한다. 부하가 발생하지 않는 곳에서는 재료가 흐리게 묘사되고, 슬라이드 컨트롤러로 사용하는 재료의 양을 설정한다. 3D Experience 플랫폼은 이렇게 개선된 제너레이티브 디자인을 이어지는 설계 상세화를 위해 CAD에서 연속적으로 사용할 수 있도록 보장한다.

적층 가공을 통해 래티스 구조로 채워진 중공체를 구현할 수 있다. 이 구성품은 매우 안정적이며 가볍다.

생체 공학과 격자 구조

생체 공학, 제너레이티브 디자인이 등장하였다. 기술 제품 설계에서 라운딩과 같은 부드러운 전환부는 환영받지 못한다. 설계하기가 번거롭기 때문이다. 생체 공학적 아름다움은 목적에는 이바지하지만 많은 엔지니어들에게 라운딩은 필요 이상이라고 여긴다. Simulia Tosca Structure는 그러한 부드러운 전환부를 생성하고 동시에 내부 구조를 개선한다. 내부 구조는 자연을 모방한 다공성 충진물로 가볍지만 뼈와 같은 단단한 격자 구조로 이루고 있다. 래티스 구조라고 하는 격자 내부구조는 3D 프린팅을 이용해서 처음으로 제작하였다. 지금까지 격자 구조는 매우 규칙적이었지만 Tosca Structure로 생산한 구성품을 잘라보면 인간의 뼈처럼 다소 혼란스럽게 보이기도 한다. 격자가 전환부는 두껍고 어떤 곳에서는 간격이 작고 또 다른 곳에서는 공기가 잘 통한다. 이는 의도된 것으로 부하를 받는 민감한 부분은 강화하고 전체적으로는 재료 소비를 줄이기 때문이다. 위에서 언급한 Claas 트랙터에 사용하는 구성품도 Tosca Structure로 최적화하였다. 이 구성품은 최적화를 통해 무게를 90% 낮추었지만 안정성은 이전 주조 제품과 동일하다.

적층 가공에서 설계는 설계자들에게 자유의 문제이다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer), 적층 가공