3D Laserdruck, 적층 가공 시뮬레이션 소프트웨어

적층 가공 프로세스는 결과를 결정짓는 수많은 요소에 노출된다. 유연한 프린팅 작업을 위해서는 우수한 시뮬레이션 소프트웨어가 무엇보다 중요하다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

  • 시뮬레이션 툴을 통해 프린팅 오류를 미리 식별하고 예방 차원에서 처리할 수 있다.
  • 아무리 노련하게 작업을 준비하더라도 모든 문제를 사전에 알 수는 없다.
  • 3D Laserdruck이 구리 합금에 대한 매개변수 개발을 완료하였다.

3D Laserdruck 제조 공장에는 SLM Solutions의 SLM 280 세 대가 배치되어 있다. 3D Laserdruck은 SLM(선택적 레이저 용용)에 특화된 신생 기업으로, 넓은 스펙트럼의 금속을 가공한다. 가공 가능한 금속에는 두 가지 알루미늄 합금, 다양한 스테인리스 스틸, 인코넬 및 티타늄이 있으며, 최근에 구리 합금이 추가되었다. 3D Laserdruck은 적층 가공법을 사용하는 수많은 사용자들과 마찬가지로 이 새로운 기술의 특성과 도전에 직면해야 했다.

시뮬레이션 소프트웨어는 프린팅 과정 중에 약점을 인식하거나 이후에 있을 수 있는 문제를 미리 예방할 수 있다.

니콜라스 하이트는 일 년 전부터 3D Laserdruck에서 근무하면서, 시뮬레이션 도구인 Ansys 구현 작업에 참여하였다. 3D Laserdruck은 SLM Solutions의 스타트업 오퍼링 때문에 Ansys를 선택하였다. 이 스타트업 프로그램에는 잘 알려진 Ansys 도구가 있지만 3D Laserdruck은 Additive Print만을 사용한다. 이 시뮬레이션 도구는 부품을 설계할 때에 각 층에 대한 응력과 변형을 미리 계산하여 최적화하고 최적의 지지 구조물을 설정한다. CAD 데이터를 STL 파일로 전환할 때에 왜곡을 방지하고 potential blade crash(잠재적 블레이드 충돌)을 예상하여, 블레이드가 잠재적으로 충돌할 위험이 있는 경우, 프린팅 과정 중에 부품이 상승하고 코터가 열린다.

”우리는 주로 Ansys를 통해 프로세스 품질을 높이고 준비 단계에서 있을 수 있는 프린팅 오류를 감지하여 이를 예방적으로 취급하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 적층 가공은 조형 작업을 마치고 부품이 기계 밖으로 나온 이후에 형상이 제대로 완성되었는지 확인할 수 있습니다.”(니콜라스 하이트) 이는 대부분의 작업자들이 자기 방식대로 처리하고, 시행착오를 거친 이후에 깨닫게 되기 때문이다. 이에 대해 니콜라스 하이트가 한 가지 예시를 들었다.

오류를 제때 감지하는 도구

적층 가공에서 프로세스에 대한 지식을 구축할 수 있다.

니콜라스 하이트는 얼마 전 SLM 방법으로 어떤 패턴을 프린팅할 수 있는지 고객에게 보여주기 위해 정육면체 구조물을 설계하였다. 8개의 구조물을 구상하였지만 구조물 정렬을 잘못 선택하였고, 정육면체의 가장자리가 위로 부풀면서 프린팅 작업이 중단되었다. “구조적으로 레이어의 가장자리에 연결되는 부위가 별로 없는 외부 면에 패턴을 두는 오류를 범했습니다. 개별 패턴들 사이에 커버 층을 프린팅하는데, 이 커버 층으로 많은 열이 유입됩니다. 첫 번째 시도에서 커버 층의 연결 부분이 너무 적어 가장자리가 위로 부풀었습니다.”(니콜라스 하이트) 니콜라스 하이트는 두 번째 시도에서 구조 요소들이 가장자리까지 이르는 각 구조를 여러 면에 배치하였다. Ansys 소프트웨어가 이러한 오류를 알려 준다. “potential blade crash” 파일은 조형 작업이 중단될 만큼 변형이 커질 영역에 컬러로 표시한다. “이 시뮬레이션을 이용하면 프린팅 오류를 줄일 수 있습니다. 따라서 정육면체를 제대로 설계할 수 있습니다.”(니콜라스 하이트)

적층 가공 프로세스는 최종 결과를 결정짓는 수많은 요소들에 노출된다. 기계 매개변수와 소재 특성은 명백한 요소 가운데 하나일 뿐이다. “가공되는 부품들은 모두 다르고, 뒤틀림 현상이나 변형에 대한 영향도 제각각입니다.” 그럴수록 제대로 된 시뮬레이션 도구가 중요하다. “우리는 시뮬레이션을 위해 Ansys를 사용하고 있으며, 전체 프로세스는 Materialise Magics에서 준비합니다.”(니콜라스 하이트) SLM Solutions은 앞으로 시뮬레이션이 생성할 Magics의 짝인 Additive Desinger를 제공한다. “하지만 아직 충분히 성숙하지 않았습니다.”(토비아스 벤츠, 3D Laserdruck 이사) “Ansys Additive Print는 Ansys 표준으로 FEM 시뮬레이션이 가능한 FEM 시뮬레이션 도구를 제공하지만 아직 완전하게 최적화되지 않았습니다.” Additive Print는 이제 걸음마 수준이다. Additive Print 릴리즈는 2018년에 완성되었고, 최근에 업데이트를 거듭하면서 유용한 기능들이 추가되었다. 사용자들로부터 시뮬레이션 기능에 대한 문의가 많아졌습니다.“(니콜라스 하이트)

3D Laserdruck 토비아스 벤츠 이사(왼쪽)와 기계 엔지니어 니콜라스 하이트(오른쪽)

3D Laserdruck의 구리 합금

3D Laserdruck은 최근 구리 합금을 위한 매개변수를 개발하고 있다. 99.7%의 밀도와 소형 부품의 경우 ± 0.1mm의 치수 안정성, 대형 부품의 경우 ± 0.2mm의 치수 안정성을 지닌 부품을 구리 합금으로 프린팅하는 것이 목적이다. 부품은 우수한 기계적 특성을 지녀야 하고, 표면 특성은 레이어 두께가 30μm일 때 20 ~ 30μm 범위에 있어야 한다. 3D Laserdruck 이사인 토비아스 벤츠에 의하면 중요한 단계는 이미 완료되었지만, 완전한 개발은 2020년 중반까지 계속될 것이라 한다.