인스텍의 DMT (직접 금속 성형)적층 가공

CAM 소프트웨어 DMT 적층 가공으로 공구와 터빈 블레이드를 수리할 수 있다. 인스텍의 5축 AM 장비는 최적의 공구 경로를 계산하는 자체 5축 CAM 소프트웨어를 사용하여 복잡한 형상을 가공할 수 있다.

서석현: ㈜인스텍 연구소 연구원

Lothar Glasmacher: Head of Additive and Process Technology bei der ModuleWorks GmbH

핵심 내용

  • 소프트웨어 제조사 Moduleworks는 인스텍의 5축 기계에 적합한 AM 계산 코어를 개발하였다.
  • 가이드 블레이드 링이 보여주듯이, 이 적층 가공법으로 부품 수리 외에 구성품 전체를 제작할 수 있다.
  • 예시를 이용하여 3D 모델링 분석에서 재가공까지 적층 가공 프로세스 체인을 설명한다.

금속 기반 적층 가공 시스템 제조사인 한국의 인스텍(InssTek)이 AM (Additive Manufacturing, 적층 가공)을 위한 ‘동시 5축 CAM’을 개발하여, 금속 성형을 위한 5축 장비를 한국과 독일 그리고 러시아 시장에 성공적으로 출시하였다. 이 CAM 솔루션은 공구 경로를 위해 독일 아헨의 Moduleworks GmbH의 계산 코어를 이용하여 CAM 소프트웨어를 개발하였으며, 인스텍 장비의 다축 이동 옵션을 사용한다.

             CAD/CAM 영역 소프트웨어 제조사인 Moduleworks GmbH는 2006년부터 레이저 기반 적층 가공을 위한 소프트웨어 모듈을 개발하고 있다. 인스텍은 독자적인 DMT 기술을 활용하여 항공 분야 부품 제작 및 수리와 다양한 엔지니어링 분야에 적층 기술을 적용하고 있다. 이 글은 가스 터빈의 가이드 블레이드 링 제조를 예로 들어 설명한다.

AM-CAM 프로세스 체인 내에서 다음 작업 단계가 이루어진다.

1 단계: 3D 형상 모델 분석

그림 2에 보이는 가스 터빈의 가이드 블레이드 링(직경 400mm, 높이 160mm, 재료 TiAl6V4)은 다양한 형상 요소로 구성된다. 이런 형상 요소들은 높은 압력에 노출된다. 가이드 블레이드 링의 횡단면 분석하여 다수의 오버행 영역을 확인할 수 있다. 첫 번째 구성 단계에서는 그림 2의 빨간색 부분(내부 링과 외부 링)을 설정된 층 두께로 제작한다. 이 단계에서 내부 링과 외부 링 사이에서 가이드 블레이드가 형성된다. 마지막으로 바깥쪽 오버행 영역(파란색 부분)이 만들어지며, 이렇게 가공 단계를 나누어 전체 구조의 품질을 개선할 수 있다. 이는 외부 링이 링 형태의 오버행 구조(파란색 부분)를 위한 기초를 형성하기 때문이다.

그림 2: 오버행 부분을 묘사하기 위한 가이드 블레이드 링 단면도

이 가이드 블레이드 링의 적층 가공은 기존의 제조법에 비해 다음과 같은 장점을 제공한다.

• 내부 블레이드의 두께가 약 3mm이다. 이 구조는 주조나 CNC 밀링과 같은 전통적인 방법으로는 제작하기가 어려우며, CNC 밀링은 재료에 많은 추가 비용이 들어간다.

• DMT의 경우 전체 가이드 블레이드 링을 단 한 번의 제조 단계로 제작할 수 있다. 그렇지 않으면 별도로 제작된 개별 부품(링, 블레이드)을 용접 프로세스로 접합하여 가이드 블레이드 링을 제작해야 하며, 이러한 경우 추가 비용이 많이 들어간다.

2 단계: 공구 경로 생성

형상 분석을 위해 3D CAD 소프트웨어 Rhino를 사용한다(그림 3). 인스텍의 동시 5축 AM-CAM 소프트웨어가 Rhino의 애드온 기능으로 제공되고, 그림 3(좌측)의 오퍼레이션 매니저 형태로 확인할 수 있다. 3D 모델 파일을 Rhino에 임포트하고 오퍼레이션 매니저를 통해 부품에 대한 가공 단계를 정할 수 있다.

그림3: McNeel-Rhinoceros-6-Plug-in의 인스텍-CAM

CAD 또는 메쉬 데이터 모델을 사용할 수 있는 Moduleworks의 계산 코어는 가공 공정의 기초 툴패스를 형성한다. 3D 슬라이싱을 통해 자유롭게 형성되는 기본 가공면을 기반으로 적층 가공할 부품을 원하는 층 두께로 분할할 수 있으며, 층 내부에서 자유롭게 정의할 수 있는 경로 패턴으로 공구 경로를 생성한다. 공구 경로는 준선(directrix)과 가이드 면 교선을 통해 자동 계산되는 중앙 축을 통해 만들어진다. 이후 인스텍의 CAM 프로그램에서 다양한 정렬 매개변수를 통해 용접 풀 두께를 통제된 방식으로 확장할 수 있다. 용접 경로 내에서 추가의 변수를 통해 경로 정확성과 용접점 분포와 용접 헤드의 방향 안내를 최적화할 수 있다. 각 용접 경로와 레이어의 연결은 충돌 없이 자동으로 이루어진다.  

3 단계: AM 시뮬레이션

프린팅 공정 가운데 충돌이나 다른 오류가 발생하면 기계 모듈의 재설정 등 가공 프로세스를 조정해야 한다. 이때 통합 기계 시뮬레이션을 가공 프로세스 전에 사용하면 예상치 못한 문제를 예방하여, 장비와 프린팅 헤드 사이의 충돌이나 프린팅 오류를 미리 확인하고 막을 수 있다. 또한 이 시뮬레이션은 부품 가공 중에 클램핑 수단과 기계 구성 요소의 충돌을 테스트할 수 있다.

그림 4: 인스텍 AM-CAM에 Moduleworks의 기계 시뮬레이션 및 적층 가공 시뮬레이션 통합하였다.

4 단계: NC 코드 생성

인스텍 CAM 시스템에 통합된 Moduleworks의 PPF(포스트 프로세서 프레임워크)를 이용하여 전환 명령과 레이저 명령을 개별적으로 기계에 맞추어 전송할 수 있다. 이때 PPF 논리는 공구 경로 정보를 이용하는데, 이는 레이저 스위치 온/오프 시점과 관련이 있다. 개별 용접 윤곽과 층 그리고 이들의 특성에도 직접 접근할 수 있다. 시스템의 빠른 가공 속도 덕분에 긴 공구 경로를 초당 50,000개 경로 포인트 이상의 속도로 가공할 수 있고, 컨트롤 시스템으로 스트리밍할 수 있다.

5 단계: 포스트 프로세스

NC 코드가 생성되면 인스텍 장비에서 실질적인 제조 프로세스가 시작된다. 이 프로세스가 성공적으로 완료되면, 완성된 부품이 금속 기판에서 분리된 후 후처리 프로세스를 통과한다. 이때 부품 내부 응력을 줄이기 위해 열처리 프로세스가 필요하다. 이런 유형의 응용 사례에 주요 방해 요소 가운데 하나인 티타늄 합금의 잔여 응력은 공구 경로 패턴을 개선함으로써 줄일 수 있다.

그림 5: 인스텍의 터닝-스위블링 테이블에서 가공 중인 가이드 블레이드 링

가이드 블레이드 링을 예로 들어 5축 DMT 가공법과 인스텍-AM-CAM 시스템의 응용을 설명한다. 이 기술은 Moduleworks 계산 기술을 통합하여 발전시킬 수 있다. CAM 프로그래밍을 통한 5축 적측 가공 방법에 속하는 응용 사례는 전 세계적으로 거의 알려져 있지 않았다. 하지만 DMT 기술의 계속적인 발전을 통해 새로운 응용 사례를 기대할 수 있게 되었다. 이는 잠재적인 성장을 가능케 하고, 이는 기술 발전을 주도하는 선도적인 AM 산업에 달려 있다.

금속 AM의 응용 스펙트럼은 넓다. 프린팅 부품 크기와 다중 재료 조성이 DMT의 장점이다. 적층 가공에 5축 CAM을 사용함으로써 분말 베드 기반 AM 기술이 해결하기 어려운 새로운 업계의 수요를 이끌어낼 수 있다. 현재 DMT는 다른 AM 가공이 처리하지 못하는 틈을 채울 수 있다. DMT는 비용을 낮추고 생산성을 향상할 뿐만 아니라 새로운 응용 사례를 확장시켰다.

DMT 적층 가공이란?

인스텍이 개발한 이 기술은 3D 프린팅 기술인 DED (Direct Energy Deposition, 직접 용착 방식)에 속한다. 노즐을 통해 분말로 공급되는 금속은 레이저에 의해 용융되어 적층되고 이때 실시간 센싱을 통해 용융풀의 높이를 제어하는 인스텍의 고유 기술이다. 이 방법은 부품 수리 또는 부품 전체 제작에 적합하다.