형태는 기능을 따른다

3D 프린팅은 보통 머리 속에서 시작된다. 디자이너들은 이 새로운 제조기술에 의해 제공되는 거대한 기회를 열기 위해 그들의 접근방식을 다시 생각할 필요가 있다. 이에 Grindaix냉각제 시스템의 전문가들은 다음과 같이 하였다.

Ramona Hoenl : TRUMPF GmbH+Co.KG 마케팅 홍보 담당자

내경 원통연마에서 가장 큰 문제거리는 부품과 공구 사이의 제한된 공간이다. 기존의 방식에서 제작되는 냉각제 노즐은 모든 요구사항을 수용하기가 쉽지 않았다. 게다가 노즐구멍이 작은 경우 더욱 불가능하였다. 실제로 제조사들이 연삭에 필요한 윤활제를 밖에서 조심스럽게 주입하는 것은 이 때문이다. 그 결과 사이클 타임이 길어지고 그에 상응하여 생산성이 떨어져 부품이 열적 손상이 발생하여 스크랩 비율이 높아진다. Grindaix의 CEO 디르크 프리드리히는 이러한 솔루션에 만족하지 못하였다.

독일 케르펜에 본사를 두고 있는 Grindaix GmbH는 공작기계용 냉각제 공급시스템의 최적화와 리모델링에 특화된 기업으로, 최근 연삭 번(grinding burn)과 냉각제 낭비를 최소화하기 위한 최적의 솔루션을 개발하였다. Grindaix는 이러한 목표를 성취하기 위해 새로운 제조기술에 항상 열려 있었다. “우리는 오래 동안 3D 프린팅에 초점을 맞추어 왔습니다. 시장을 살펴보던 중 내경 원통연삭에서 구체적 응용사례에 맞는 효율적인 맞춤 노즐을 찾기 어려웠습니다. 따라서 이 새로운 제조기술이 그런 종류의 새로운 노즐을 만드는 데에 훌륭한 선택이 되겠다고 생각했습니다.”(프리드리히)

불가능은 없다

3D 프린팅 세계에서는 무엇이든 가능하다. 이는 이론상으로 맞는 사실이다. 하지만 3D 프린터가 부품을 제작하기 위해 한층 한층 쌓아 올리는 것이 실제로 그 목적을 실현하기 위해서는 상당한 전문 지식이 필요하다. Grindaix 엔지니어들에 의하면 3D 프린팅과 호환 가능한 디자인을 만들기 위해 여러 전문지식을 투입하는 것은 쉬운 일이 아니라고 한다. “우리는 전통적인 절삭방식으로 물건을 디자인하고 가공하는 데에 익숙해 있습니다. 다시 말해 제조 프로세스에 지속적인 진행에 초점을 두고 있었습니다. 3D 디자인은 연금술이라고 말할 수 없지만 사고의 전환이 필요합니다.”(프리드리히)

Laser Zentrum Nord의 전직 직원들에 의해 설립된 Bionic Production은 3D 프린팅 프로세스를 산업으로 끌어 올리는 것을 목적으로 하는 회사이다. Bionic Production은 부품 제조뿐만 아니라 컨설팅, 트레이닝, 컴포넌트 최적화, 프로세스 및 재료 개발을 포함하는 서비스를 제공한다. “Bionic Production은 우리의 초기 디자인을 개선하고 최적화하여 3D 프린팅에 적합하게 만들었습니다. 그들은 우리가 초점을 맞추어야 하는 것이 무엇인지를 잘 보여주었습니다. 우리는 그들로부터 많은 것들을 배웠고 우리 스스로 3D 부품을 디자인 할 수 있게 되었습니다.”(프리드리히) Bionic Production의 영업 책임자인 마티아스 슈미트 레어는 3D 프린팅의 모든 것을 잘 알고 있다. “디자이너들은 그들이 이전에 배웠던 모든 것을 버리고, 새로운 기술에 마음을 열고 새로 시작해야 합니다. 예외적인 경우에만 직선과 사각 구조가 필요합니다. 3D 프린팅은 자유로운 형태의 표면을 창조할 수 있는 기회를 제공합니다. 그 중에 상당 수는 종래의 CAD 툴을 사용하여 제작하기 어렵거나 불가능할 수 있습니다.” 3D 프린팅 프로세스의 한계를 인식하고 가능한 방향으로 한 발짝 물러서는 결단력도 필요하다. “3D 프린팅에서 우리는 3D 프린터 플랫폼에서 서포트가 필요합니다. 이 서포트는 해당 위치에서 부품을 고정하고 프로세스가 완료되면 제거합니다. 하지만 특수한 방법으로 부품을 디자인하면 서포트 사용을 완전히 피할 수 있습니다.”(슈미트 레어)

3D 프린팅용 부품을 디자인하기 위한 첫 번째 단계는 모든 핵심적 측면을 모델링하는 것이다. 이번 경우에는 제한된 윤활 냉각제의 주입과 배출 포인트 그리고 공간을 움직이는 기계 부품과 충돌을 방지해야 한다. 디자이너는 부품이 이러한 목적을 구현하는 데에 절대적으로 필요한 만큼의 재료만 추가하였다. “여전히 시간 당 기계 비용이 3D 프린팅에서 핵심적인 비용입니다. 부품의 부피가 작을수록 부품을 제작하는 데 필요한 시간이 짧아진다. 불필요한 재료를 덜어 부품을 더욱 가볍게 만들 수 있는데, 이는 그 자체만으로도 큰 이점이 됩니다. 부피를 줄이면 부품을 더 싸게 제작할 수 있습니다.” (슈미트 레어)

디자이너들은 기존의 방법과 달리 부품이 작용하는 방식을 최적화하는 데에만 초점을 맞출 수 있다. Grindaix 냉각제 노즐의 경우 곡선 채널이 유량 손실을 감소시켜 압력 강하를 낮추게 된다. 이는 펌핑 파워의 크기를 줄여 작은 펌프를 대체할 수 있고, 높은 냉각제 출구 속도로 인해 얻는 이익은 더욱 크다.

앞서서 생각하는 것이 열쇠이다

TRUMPF의 3D 프린터TruPrint 1000

Grindaix와 TRUMPF TruPrint 1000이 제공한 명세서를 이용하여 Bionic Production은 단계별 공정으로 새로운 노즐 모델을 완벽하게 만들 수 있었다. “소프트웨어로 냉각제 제트의 방향 등 디자인의 많은 측면을 완벽하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 3D 프린팅의 혜택은 프로토타입을 만들어 시험해 보고, 이를 토대로 수정이 훨씬 쉬워진다는 것입니다.” (슈미트 레어) 그 덕분에 Bionic Production 은 합리적인 시간과 예산 범위 내에서 가능한 모든 최적화를 구현할 수 있었다. 개선된 점은 명백하였다. 새 노즐을 개별적으로 최소한의 공간에 고객의 적용사례에 잘 맞게 맞출 수 있었다. Grindaix의 디르크 프리드리히는 고무되었다. “우리는 상당히 많은 변종을 제작합니다. 3D 제조기술로 고객 모두에게 완벽한 노즐을 공급할 수 있습니다.” 이 새로운 노즐은 여러 측면에서 효율적이다. 냉각제 흐름이 최적화되었고, 압력 손실이 최대 20%까지 낮아졌다. 이는 정해진 냉각제 출구속도를 달성하여 보다 낮은 압력과 적은 에너지가 필요하다는 의미이다. 곡선 채널과 최적화된 제트 궤도는 윤활 냉각제를 필요한 지점에 정확하게 제공하며, 부품의 열 손실을 줄이고 최적의 방식으로 프로세스를 실행하기 위해 필요한 양을 제공한다. 윤활 냉각제를 제공하는 자동 솔루션이 이전에 제조공정의 다운타임 요소들을 제거한다.

이점이 단점을 능가한다

프리드리히는 3D 프린팅의 이런 장점에도 불구하고, 아직까지는 이 제조방법을 핵심기술에 더해지는 보조기술로 간주하고 있다. 노즐 특유의 셀링 포인트를 제공하는 것은 형태상 디자인을 보장하는 깔끔한 엔지니어링 공정이기 때문이다. “Grindaix 노즐에서 냉각제 라인 업스트림 내 윤활냉각제 압력과 냉각제가 노즐을 나가는 속도 사이에는 상관관계가 있습니다. 우리는 각각의 맞춤 노즐을 위한 특성을 계산합니다. 또한 물과 오일이 노즐을 나가는 속도와 연삭 속도에도 관련이 있습니다. 연삭 속도를 알면 Grindaix 노즐 흐름 속도 다이어그램을 이용하여 압력을 조절할 수 있습니다. 이는 연삭 프로세스에서 특정 냉각제 배출속도를 달성하기 위해 노즐로부터 어떤 압력을 사용해야 하는지를 고객에게 알려줄 수 있다는 의미입니다. 이전에는 내경 원통연삭을 위한 노즐 어플리케이션에서 이와 같은 정확도를 달성할 수 없었습니다.”(프리드리히)

Bionic Production이 다시 디자인한 이 노즐은 3D 프린터에서 바로 부드러운 곡선과 최적화된 흐름을 제공한다

이 새로운 노즐에 대해 자랑스럽게 생각하지만, 고객에게 이 노즐의 단점도 숨기지 않았다. “프린팅 부품은 종래의 금속으로 만든 부품보다 표면이 거칩니다. 이는 부품의 외관에 관한 것으로 이는 폴리싱으로 수정할 수 있습니다. 그리고 흐름 감소를 초래할 수 있는 내부 표면의 거칠기는 냉각제 노즐에 연마 액을 높은 압력으로 펌핑합니다.” 기밀한 밀봉을 달성하기 위해 연결 나사산의 거칠기도 별도의 공정으로 바로 잡아야 한다. 긍정적인 면은 총 네 번의 생산단계가 두 번의 단계로 충분하여 다른 단점을 충분히 상쇄한다. 프리드리히는 이 프로세스의 높은 유연성이 단점을 훨씬 능가한다고 강조한다. “3D 프린팅이 없었다면 이 노즐을 제작할 수 없었을 것입니다. 한계를 알았다면 이를 보완하면 됩니다.” Bionic Production의 마티아스 슈미트 레어도 이에 동의하였다. “대부분의 경우 실제로 매끄러운 표면이 필요하지 않습니다. 이는 드릴링이나 밀링 공정의 부수적인 효과에 불과합니다. 하지만 컴포넌트 기능면에서 매끈한 표면이 필수적이라면, 3D 프린팅 이후 후작업을 거치면 됩니다. “ 그는 또 다른 사례를 들면서 마무리하였다. “많은 회사들이 3D 프린팅을 사용하여 어떤 컴포넌트도 가능하다고 생각합니다. 또 비용면에서 훨씬 저렴할 것이라고 생각합니다. 하지만 사실은 정말 적은 수의 부품에만 해당됩니다. 제대로 짝을 만나면 엄청남 이익이 될 수 있습니다만.”

한 번에 50개의 노즐을

몇몇 고객들이 이 노즐을 이미 사용하고 있으며, 앞으로의 판매 잠재력에서도 낙관적이긴 하지만, 새로운 Grindaix 노즐이 아직 개발 프로젝트 단계에 있다. “우리는 이미 프로토타입 단계를 뛰어 넘었습니다. TRUMPF와 Bionic Production과 함께 큰 스케일의 프린터에서 한 가지 프린팅 공정을 통해 한 번에 50가지 다른 노즐을 프린팅 할 수 있는 컨셉트를 개발하고 있습니다. 이는 분명히 제조비용에서 긍정적인 효과를 가져올 것입니다.” 프리드리히는 3D 프린팅이 제공하는 유연성에 깊은 인상을 받았다. “이 조인트 프로젝트에서 축적한 노하우를 이용하여, 앞으로 우리 스스로 3D 프린팅 부품을 생산하고자 합니다.”