3D 프린팅이 주는 절대적인 자유로움

이제 모든 것이 가능해졌다. 이제 디자인에 한계는 없다. 관건은 도처에서 3D 적층가공 분야에 뛰어드는 적극적인 디자이너들이 있어야 하는데, 아직 그렇지 못하고 있다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer) & 페너 쾨니히스로이터(Peter Königsreuther)

많은 업체들이 3D 적층가공은 일반적으로 예비부품부터 시작한다. 그런데 한 번 진지하게 생각해 봐야 한다. 기존의 전통적인 방법으로 제작하던 부품생산을 단순히 3D 프린팅으로 복제하는 것은 3D 프린팅과 그와 관련되어 종사하는 모든 이에게 모욕적인 행사이다. 3D 프린팅 자체는 무한하게 확장되는 설계의 자유로움을 가지고 있다. 또한 전례가 없는 무한한 가능성을 내포하고 있다. 이는 구성요소를 다시 생각하고 재창조할 수 있다는 것을 의미한다. 디자이너에게는 „당신이 지금까지 배운 모든 것을 버려라!“라는 의미를 담고 있다. 지난 수년 동안 얻었던 지식, 모든 노하우, 이 모든 것이 이제 구식이 되어버렸다.
Fit의 언론 대변인인 Dr. 엘리자베스 바우어는 다음과 같이 언급하였다. „냄비 대신 풀로 완벽한 모닝 달걀을 요리해 보십시오“ 이 말에 대해 Dassault Systèmes의 Simulia Portfolio Introduction 미하엘 베르너가 설명하였다. „그건 할 수 없습니다. 같은 변명은 더 이상 통하지 않습니다.“ 자유를 얻은 대가다. 새로운 자유는 새로운 경험을 동반한다. 적층가공에서 배워야 할 것들이 주변에 산재되어 있다. 오래 동안 제기되었던 요건을 충족하고 아름답게 디자인된 플라스틱 트레이가 3D프린터에서 이상하게 출력될 수 있기 때문이다. 어떻게 이런 일이 일어날 수 있을까? 트레이는 층을 용융하는 방법으로 프린팅을 진행한다. 레이저가 전체 면을 용융해야 하는 지점이 있고, 그 지점에서 온도가 상승하면 변형이 생길 수 있다. 작은 변화가 이 문제를 해결하였다. 디자이너들은 적층가공에서도 많은 것을 할 수 있어야 한다. 전제 조건은 자신들이 작업할 때 취급하는 프로세스를 이해해야 한다. 소프트웨어 제조사들이 연구하고 있는 작은 결함을 해결할 수 있다. Werner는 소프트웨어 제조사들에게 제시하는 요구 사항을 다음과 같이 설명하였다. „이러한 복잡한 과정에 성공적으로 대응하려면, 협력적인 제품 개발 프로세스를 위해 연속적이고, 디지털로 연결되어 있는 소프트웨어 솔루션이 중요합니다.“

Dassault의 올인원 솔루션

Philips의 이 홀더는 3D 프린팅을 통한 변화의 훌륭한 예시이다. 왼쪽은 출발 모델이고, 오른쪽은 적층 가공된 변이형이다.

Dassault는 이러한 요건을 3D-Experience 플랫폼으로 해결하였다. 디자이너들은 이 플랫폼에서 재료 설계부터 디자인과 시뮬레이션과 제작 플래닝에 이르기까지 필요한 소프트웨어 변이형을 찾을 수 있다. Dassault는 앞에서 언급한 뒤틀린 플라스틱 트레이 문제를 해결하였다. „물리적 시뮬레이션을 통해 구성품의 안정성과 프린팅 공정 중에 일어나는 변형을 사전에 체크할 수 있습니다. 조정이 가능한 디자인을 미리 알아내고, 해당 프린팅 경로와 지지 구조물을 최적화할 수 있습니다.“(Dassault Systèmes 미하엘 베르너) 어떤 경우이든 설계 플랫폼이 생산기계와 산업표준 포맷을 사용하는 3D 프린터와 호환할 수 있다는 점이 플러스로 작용합니다.
Autodesk도 같은 생각이다. Autodesk의 소프트웨어도 모든 재료와 방법 그리고 금속 또는 폴리머를 프린팅하는 모든 3D 프린터와 호환된다. Autodesk는 Netfabb 프로그램에 디자인과 제작에 필요한 도구를 하나의 패키지로 묶었다. „디자이너들은 이 프로그램으로 적층가공 프로세스의 범위에서 모델 최적화와 검증 그리고 제작에 필요한 모든 도구를 이용할 수 있습니다.“(카알 오스티, Autodesk 제작 산업 매니저)
Materialise사도 여기서 빠질 수 없다. 포함된 기술보다 자체적인 기술을 더욱 중요시 하는 사람은 Print-Studio로 자신의 3D 모델을 프린팅할 수 있는데, 프린팅 시뮬레이션은 고유한 지식에 아직 맡겨져 있기 때문이다. Materialise의 Magics 3D Print Suite도 모든 사례에 알맞게 모든 툴을 갖추고 있다. 이 소프트웨어 플랫폼의 특별한 점은 Build Processor이다. 이 프로세서는 소프트웨어와 프린터를 정확하게 호환하고 있다. 이를 위해 Build Processor는 HP와 협력하여 정기적으로 조정작업을 진행하고 있다. Materialise사가 자신들의 프로그램이 모든 프린터, 모든 재료, 모든 방법에 사용할 수 있도록 호환하고 있지만, 사용자들은 각기 다른 방법과 재료들은 다르게 취급해야 한다는 점을 간과해서는 안 된다. 이를 위해 VDI는 각각의 방법에 맞는 고유한 설계지침을 작성하여 길잡이를 제공하고 있다.
이미 다양한 소프트웨어 툴을 갖추고 있거나, 적층가공에 어느 정도 기술적 발전을 이루었거나, 소프트웨어 하우스들의 올인원 시스템을 신뢰하지 않는 업체는 또 다른 프린터 제조사들을 눈 여겨 보아야 한다. Voxeljet도 Uni Passau와 함께 자체적인 소프트웨어를 개발하였다. 이 소프트웨어를 통해 프린터를 구성할 수 있다. „우리는 프린팅할 면을 층 별로 접근하거나 이동 동작을 조정합니다. 본질적으로 박스 기반 시스템의 워크플로우도 조사해야 합니다. 우리는 더 이상 설치 박스를 기반으로 하지 않고, 조립 라인에서 부품을 생산하여 다운타임을 훨씬 줄였습니다.“ (토비아스 킹, Voxeljet 마케팅 & 어플리케이션 디렉터)

개별 작업을 위한 특수 툴
토비아스 킹에 따르면, 포스트 프로세스, 즉 포장 제거와 부품 피니싱에서 자동화 정도를 더욱 높이기 위한 방법과 부하, 장착공간 지정, 압력상태를 분석하는 툴을 연구하고 있다. 그렇다면 디자이너들은 어떤 데이터를 제공해야 하는가? „우리는 원칙적으로 부피에 기반한 CAD 데이터가 필요합니다. 이때 포맷이 매우 중요합니다. 가장 일반적인 포맷이 STL, Step & lges이지만 모든 포맷으로 호환이 가능합니다.“ 프로세스 체인의 데이터 연속성은 매우 중요한 요소이다. 많은 프로그램들은 대부분 각각 다른 데이터 포맷을 생성한다. „지금까지 프로그램 인터페이스에서 데이터를 익스포트하거나 임포트하고, STL 포맷으로 변환하는 것, 데이터 크기가 크다는 점 때문에 데이터 취급이 비효율적이었습니다.“(줄리안 그루버, Trumpf 적층가공 제품 매니저)
Trumpf는 Siemens와 협력하였다. „Siemens NX는 Convergent Modeling으로 전체 프로세스 체인, 즉 혼합된 모델을 기반으로 연속적으로 CAD 형상과 삼각 면분할 형상으로부터 프로세스 체인을 형성하는 방법을 제공합니다.“(줄리안 그루버) 그러나 디자인과 관련하여 기술적 문제는 두 번째 단계에 이르러 부각된다. 문제는 디자이너들에게 요건을 제시하는 사람에게서 시작된다. „우리는 지금까지 고객과 협력사들로부터 구성품을 새로 디자인하면서 긍정적인 경험을 하였습니다.“(줄리안 그루버) Trumpf는 Grindaix와 Bionic Production과 협력하여 개별화된 금속 가공유 노즐을 설계하여 프린팅하였다. 노즐은 기능에 충실하게 디자인되었다. 디자이너들은 적층가공 중 자유 형태 면에서 직선과 사각 구조가 필요하다는 생각을 버리는 것은 매우 어려웠다. 3D 프린팅 디자이너들은 필수적인 요소에서 시작한다. 이런 윤곽에는 반드시 필요한 만큼의 재료를 사용한다. 그램 단위로 따지는 항공우주 분야에서는 매우 중요한 요소이다. „부품들이 갈수록 복잡해지고 있습니다. 하지만 부품과 콤포넌트들을 조합할 수 있습니다.“(토비아스 킹)
토비아스 킹에 따르면 제조산업을 벗어나면 또 다른 문제가 발생한다. „건축가가 제공하는 것처럼 면 기반 CAD 데이터의 경우, 면들이 대부분 서로 연결되어 있지 않습니다. 프린팅한 부품은 포장을 제거하면 카드로 만든 집처럼 무너집니다.“ 또 다른 문제는 면 법선, 이중 면 또는 너무 얇은 벽 등이다. 이를 보완한 것인 Ruhrsource의 Cur3D이다. „이 소프트웨어는 이런 문제를 자동으로 보완합니다. 슬라이서가 모델을 판으로 분해한 후 프린터 경로를 계산합니다.“(외르크 호이슬러, 판매 매니저) 이 절차에 시간이 얼마나 걸리는지는 모델에 따라 다르며, 얼마나 많이 제거해야 하느냐에 따라 달라진다. 한 시간이 걸리 수도 있고 하루가 걸릴 수도 있다. 이 소프트웨어는 모든 CAD 시스템과 하드웨어에 호환된다. 이 분야의 사전 교육도 매우 중요하다. 프로세스 매개변수를 아는 것도 이에 속한다. 각각의 방법에 대한 프로세스 매개변수를 알아야 한다. „각가지 방법은 고유한 응용 분야, 특수성 그리고 설계 요구사항이 다르기 때문이다.“(Dassault Systèmes 미하엘 베르너)

디자이너가 알아야 할 사항

MTU에서 SLM(선택적 레이저 용융)으로 Pratt & Whitney의 A320nes 기어 팬 엔진 Pure- Power PW1100G-JM을 위한 Boroscope 아이를 만들고 있다.

재료에 대한 기본 지식도 중요하다. „재료 연구에서 얻는 수많은 새로운 지식과 도출되는 혁신 자료는 여전히 활용되지 못하고 있습니다. 일부의 새로운 자료도 전혀 알려지지도 않았습니다.“(카알 오스티) 그러나 매력적이고 기능적인 디자인을 위한 훌륭한 감각은 이전보다 더욱 중요하다. „초기 설계 단계부터 물리적 이해와 시뮬레이션 그리고 가상 테스트에 대한 요구가 증가하고 있습니다.“(Dassault Systèmes 미하엘 베르너) 이제 이러한 주제에 대해 어떤 자세를 취해야 하는가? 대부분의 적층 기술 제조사들이 교육을 제공하고 있으며, Fit. Ruhrsource와 같은 계약 제조업체들도 세미나를 통해 적층가공의 요건을 밝히고 있다. 하지만 교육 코스가 그렇게 많은 것은 아니다. 2017년 5월, 슈말칼덴 대학에서 이와 관련한 연구 „적층 가공/쾌속 기술을 위한 응용 기술자“가 시작되었다. 학생은 11명이었다. 독자적으로 설계를 시도하고자 하는 이들에게 위르겐 크라우스(MTU Aero Engines의 적층 가공 프로젝트 매니저이자 시니어 컨설턴트)는 다음과 같은 조언을 한다. „한 단계씩 천천히 시도하십시오.“
2013년에 MTU Aero Engines는 첫 번째 단계에서 시리즈 부품 적층가공을 시작하였다. 복잡한 부품이 아니라 분사노즐이나 연마휠과 같은 공구부터 시도하였고, 두 번째 단계에서는 MTU Aero Engines는 예비부품을 제작하였다. „세 번째 단계에 이르러서야 경량부품을 개발하고 제작할 수 있었습니다. 관건은 새로운 디자인, 새로운 구성품 그리고 새로운 재료입니다.“(MTU 위르겐 크라우스)
위르겐 크라우스에 따르면 이 방법이 이익이 된다고 한다. „작은 단계로 나누어 진행하는 방법이 옳다는 점이 입증되었습니다. 디자이너들은 간단한 부품대체에서 새로운 가능성과 한계를 배웠습니다. 제조 엔지니어들은 연속 제작에서 새로운 재료의 특징을 이해하고 복잡한 부품에 대비한 귀한 지침을 찾을 수 있었습니다. 처음부터 복잡한 부품을 시작하라고 하는 것은 무리한 요구입니다.“ A320neo 기어 팬 엔진에서는 적층가공이 어떻게 기능하는지를 확인하고 다른 부품과 엔진 타입을 제작할 수 있었다. 독일 철도도 비슷한 경험을 하였다. 2가지 구성요소를 조합하여 순정 부품을 1:1로 복사하고, 새로운 요소로 대체되는 예비부품을 프린팅할 수 있었다.
위르겐 크라우스는 이번 도전 과제에서 놀라운 측면을 발견하였다. „MTU는 적층가공 중에 가공재료의 제조사가 되었습니다.“ 디자이너들은 이전에는 미가공 재료를 구매하였지만 3D 프린팅을 통해 이를 직접 다루어야 했다. 또한 새로운 유형의 제조를 위해 새로운 시스템과 재료를 개발해야 했다. „MTU는 지난 수십 년 동안 생산했던 부품을 새로 계산해야 했습니다. 제작 중에 오차를 감지하였고, 종래의 시험 방법으로는 파악하지 못했던 오류의 원인도 찾았습니다.“ 위르겐 크라우스는 떠오르는 문제들을 열거하였고, 3D 프린팅 시스템 제조사 EOS의 협력을 받아 이를 해결할 수 있었다.

디자이너가 알고 싶어 하는 사항
제작에 적합한 설계 교육프로그램, 3D 프린팅의 가능성과 한계를 보여주는 세미나, 적층가공에 대한 CAD 교육 등이 디자이너들에게는 없다. 하지만 새롭게 생각하는 방법을 배우는 것이 매우 중요하다.
„디자이너들은 종래의 사고 방식과 한계를 머리 속에서 지워야 합니다. 우리는 부피가 큰 물체에 대한 이미지에서 벗어나야 합니다.“(엘리자베스 바우어) 프로세스를 완전히 반대로 전환하여야 한다. 기존 방식은 맨 처음에 재료가 있고 거기에서 잘라내는 방식이었다. 이제는 아무 것도 없는 곳에서 재료를 쌓아야 한다. 머리 속에서 180도 전환이 일어나야 한다. „필요한 기능을 창의적으로 생각하고, 더 이상 유효하지 않은 기존의 방식과 한계로부터 영향을 받지 않는 방법을“ 배우는 것이 중요하다.

 

MM 전격 인터뷰

“3D 프린팅에는 지금까지의 규칙이 모두 무의미합니다”

„디자이너는 두 가지를 정복해야 한다“ 공학박사 게르트 비트 교수는 뒤스부르크-에센 대학 공학부에서 제조기술 분야를 지도하고 있다. 게르트 비트 교수는 5년 전부터 적층가공에 대한 행사를 주관하고 있으며, VDI 같은 전문 위원회에도 참여하고 있다.

전통적으로 제작되는 제품과 적층가공되는 제품의 디자인 프로세스에는 어떤 차이가 있습니까?
전통적으로 제작되는 제품에는 부분적으로 특수한 디자인 규칙, 즉 주조에 적합한, 용접에 적합한, 조립에 적합한 디자인을 규정하는 규칙이 있습니다. 적층 디자인의 특징은 기존의 규칙이 전혀 존재하지 않습니다. 이런 이유로 VDI는 적층 설계에 대한 가이드 라인을 정했습니다. 예를 들어 경첩 요소를 구조적으로 설계하면 한 번의 공정으로 이를 제작할 수 있습니다. 또 다른 예시로 적층기술로 윤곽을 추적할 수 있는 부품에 채널 구조와 보어 홀을 만들 수 있습니다.

3D 프린팅은 어떤 면에서 장점이 있습니까?
윤곽에 맞는 냉각, 샌드위치 구조, 생물학적 구조 등 구성품의 기능과 향후 용도를 기준으로 디자인을 선택할 수 있습니다.

반면에 단점도 있을 것 같은데 무엇입니까?
아직까지는 적층가공의 구조 설계에 관한 지식이 널리 확산되지 않았습니다. 예를 들면 적층가공에서 지지 구조물을 함께 구성하였다가 제작 공정 후 이를 제거해야 합니다. 이런 이유로 설계에 대한 교육이 필수입니다.

적층 가공 디자이너를 위한 교육에 어떤 내용이 필수적이라고 생각하십니까?
제조 산업에서 사용하는 적층가공법이어야 하며, 한편으로는 설계를 위한 규칙이어야 합니다.

교수님은 뒤스부르크-에센 대학에서 이벤트를 제공합니다. 다른 방법이 더 있습니까?
최근에야 비로소 DVS(독일 용접 및 응용 방법 협회)가 이벤트를 제공할 수 있었습니다. 업무에 따른 교육으로 제공되는 다른 이벤트는 슈말칼덴 대학, 아헨 대학, 뒤스부르크-에센 대학과 협력하여 제공되며 매우 훌륭한 결과로 평가되었습니다.

종래의 설계 원리와 적층설계 원리를 모두 정복하는 것이 합리적이라고 생각하십니까?
디자이너들은 미래를 위해 지금까지의 설계 외에 적층설계 규칙을 마스터하는 것이 매우 중요합니다. Ernst & Young의 연구에 따르면 오늘날 독일기업의 37%가 이러한 기술을 이미 보유하고 있으며 12%는 앞으로 적층가공을 이용할 계획을 가지고 있습니다.