다축 적층 제조를 위한 디지털 프로세스 체인

잉크젯 프린팅 프로세스에는 잉크젯 프린터에 맞는 최적의 공구 경로가 필요하다. 이때 프린터 헤드는 프린팅 절차 중에 조형 공간에서 100% 동기화해야 하며, 이를 위해 Moduleworks의 공구 경로와 시뮬레이션 구성이 필요하다.

로타르 글라스마허(Lothar Glasmacher): Moduleworks GmbH의 Additive and Process Technologies 헤드,

공학박사 팀 슈피어링(Tim Spiering): FPT Robotik GmbH & Co. KG 사업 개발 매니저

핵심 내용

  • 잉크젯 프린팅 프로세스로 울퉁불퉁하거나 주름진 표면을 코팅하고 마감할 수 있다.
  • Moduleworks는 작업 과정에서 프린팅 헤드가 충돌하지 않도록 시뮬레이션 툴을 개발하였다.
  • 프린팅할 면을 3D 레이어로 분할하고 공구와 공구 경로를 정의한다. 여기서 생성되는 NC 코드가 기계 컨트롤로 전송된다.

3D 표면에 단색이 아닌 복잡한 이미지를 구현하는 것은 대부분 전사 필름을 통해 작업한다. 신축성 필름에 디지털 방식(예, 잉크젯 프린팅)이나 아날로그 방식(예, 플렉소 인쇄)으로 복잡한 이미지를 인쇄하고, 이 필름을 대상 위에 ‘덧씌운다’. 이 작업은 보통 수동이나 반자동으로 이루어지며, 이를 IMD(In-Mould Decoration, 인몰드 데코레이션) 또는 물 전사 필름(Water Transfer Films)이라 한다. 이 과정에서 대상에 비접촉으로 인쇄하며, 이 잉크젯 인쇄 방식은 IMD 방식에 비해 효율적이고 소량 생산에 적합하다.

이 Free-Form Digital Printing(자유 형태 디지털 프린팅) 방식에는 필름이나 인쇄 몰드가 필요하지 않다. 이 인쇄 기술은 값비싼 재료와 공구도 필요하지 않고, 이를 디지털 반제품 웹과 디자인 샘플이 대체한다. 디지털 반제품에 대한 공구 경로가 계산되고, Moduleworks 오프라인 프로그래밍 환경에서 충돌을 점검하기 위해 기계 움직임이 시뮬레이션된다. 이를 통해 공구 경로를 위한 모듈과 기계 시뮬레이션 가상 환경을 통해 훨씬 빠르게 인쇄를 최적화하고 조정할 수 있다. 따라서 이 방식은 소량 시리즈 외에 500,000여 개의 대량 시리즈에도 적합한 가격으로 제조할 수 있고, 고객 주문에 따라 추가적인 셋업 비용이나 변경 비용, 공구 비용, 재료 비용 없이 개별 구성품의 디자인을 바꿀 수 있다. 요약하면, 자유 형태 디지털 프린팅 방식은 기존 프린팅 기법에 비해 비용 효율적이고 지속 가능성이 있다. 또한 맞춤형 제품을 비용 효율적으로 제조하여 새로운 시장과 이 방식으로 인해 와해적인 생산 프로세스가 될 수 있다.

그림 2: 열린 가장자리 정점(왼쪽)과 프론트-엔드 형상에 대한 표면 법선(오른쪽)

테스트 형상의 기하학적 모델 분석

그렇다면 이 프로세스는 어떻게 진행되는지 살펴보자! 먼저 CAD 데이터를 CAD 소프트웨어에 입력한다. 데이터를 임포트한 후 이 데이터에서 폐쇄된 형상이나 지오메트리의 통일된 방향 법선, 열린 가장자리 또는 지오메트리의 정점 등을 점검한다. 그림 2는 열린 가장자리, 정점 및 테스트 지오메트리에 대한 표면 법선을 보여준다. 이러한 열린 가장자리와 정점 및 표면 법선은 공구 경로 생성 프로세스 중에 상당한 영향을 미치기 때문에, 바람직한 지오메트리가 공구 경로를 생성하기 전에 분석한다.

CAD 데이터의 무결성을 점검하고, 사용자가 공구 경로 전략과 공구 경로 생성을 위한 프로세스 매개변수를 정의한다. 가공 공구 경로 작동은 CAD 또는 메쉬 데이터 모델을 사용하는 Moduleworks 코어를 기반으로 계산한다. 공구 경로를 생성하는 프로세스는 평면 표면에 국한되지 않고, 기본으로 자유 형태 가공 면도 고려한다.

평면이나 자유면에 대한 볼륨은 적층 생성되고, 원하는 레이어 두께에 따라 3D 레이어로 분할할 수 있다. 또한 레이어별 공구 경로 생성은 경로 곡선, 평면 가이드 표면의 교차 또는 자동 생성되는 중심 축에 의해 정의되는 공구 경로 패턴을 기반으로 한다. 공구 경로 확장은 다양한 정렬 매개변수를 사용하여 제어할 수 있다. 경로 정확도를 최적화하기 위해 추가의 매개변수를 사용하여 프린팅 헤드의 포인트 분포 및 방향 안내를 정의할 수 있다. 또한 개별적인 적층 공구 경로와 레이어의 조합은 충돌하지 않도록 자동으로 설계된다.

그림 3: 공구 경로 계산과 자동 충돌 방지를 위한 공구 설정 정의

올바른 공구 경로가 충돌을 막는다

잉크젯 인쇄 프로세스를 위해 TCP(Tool Center Point, 공구 중심점)을 중심으로 6축 회전하려면, 공구 타입을 정의해야 한다(그림 3). 잉크젯 인쇄 프로세스의 경로 계획을 위해 프린트 헤드는 메쉬 형상으로 입력해야 한다. 충돌 매개변수는 프린팅 헤드와 공작물 간에 있을 수 있는 충돌을 방지하기 위해 사용한다.

사용자는 공구 구성 후 공구 경로 패턴(가이드 곡선, 가이드 메쉬, 중앙 곡선)과 정렬 전략(한 방향, 지그재그, 나선형)을 정의하여 원하는 공구 경로를 생성할 수 있다. 이때 생성할 공구 경로에 대한 출력 포맷은 3축, 5축 또는 6축 중에서 선택할 수 있으며, 선택한 프린트 헤드와 축 출력 포맷 드리고 충돌 방지 전략도 고려해야 한다.

3축 출력 포맷과 초기 프린팅 헤드 장치 간격에서 충돌하지 않는 테스트 매개변수 특정 범위에 대해서는 공구 경로가 절단될 수 있다. 공구 경로가 형성되지 않는 영역은 프린팅 헤드와 공작물 사이의 충돌 영역을 나타낸다. 따라서 초기 공구 간격을 확장하면, 3축 출력 포맷으로 전체 지오메트리 상에서 충돌이 일어나지 않는 공구 경로가 형성된다. 5축 공구 경로는 테스트 지오메트리의 측면에 대해 형성되고, 다양한 충돌 검사 전략을 이용하여 충돌 여부를 자동으로 검사한다. 따라서 사용자는 공구 거리와 공구 경로 출력 포맷, 공구 경로 생성 그리고 있을 수 있는 충돌 자동 검사를 위한 충돌 검사 전략을 빠르게 적용할 수 있다.

기계 시뮬레이션으로 프린팅 오류를 방지한다

기계 시뮬레이션 모듈은 구성 요소와 프린팅 헤드 간 충돌과 같이 예상치 못한 상황을 방지하는 데에 도움이 되며, 실질적인 프린팅 프로세스 전에 프린팅 오류를 예상하고 방지할 수 있다. 3축 공구 경로의 생성된 출력 포맷은 초기 프린팅 헤드 설정으로 충돌 검사 모듈을 사용하지 않고 기계 시뮬레이션 환경에서 시뮬레이션되며, 예상할 수 있는 충돌은 빨간색으로 표시된다. 프린팅 헤드와 공작물 간 공구 거리는 프린팅 프로세스의 요건에 맞게 조정할 수 있으며, 기계 모델에서 다시 시뮬레이션할 수 있다.

프린팅 헤드 형상은 복잡한 비대칭 공구이기 때문에, 공구 경로 계산 시 이를 고려하여 키네마틱스와 충돌 방지 솔루션이 자동화된다. 하지만 조작자는 원하는 솔루션에 직접 개입할 수 있고, 시스템에 대한 최소한의 지식으로 프로세스를 최적화할 수 있다.

NC 코드 생성과 인쇄 프로세스 준비

이 운동학적 솔루션이 검증되면, NC 파일이 NC 코드 포스트 PPF(Post-Processing Framework)를 통해 생성된다. 이때 PPF 로직은 NC 파일 생성에 필요한 프린팅 프로세스 명령에 대해 추가의 정보를 출력하기 위해 동작 창과 공구 경로 표시 등 공구 경로의 정보를 사용한다.

긴 공구 경로도 시스템의 빠른 가공 속도로 인해 50,000개 이상의 트랙 포인트 속도로 가공 가능하고 컨트롤로 전송 가능하다. NC 코드를 직접 컨트롤할 수도 있다. NC 코드 후처리 서버는 CAD/CAM 워크스테이션과 상관없이 회사 네트워크나 클라우드 시스템으로 기능할 수 있다.

NC 코드로 생성된 파일은 마지막에 기계 컨트롤러 전송되어 실질적인 프린팅 프로세스가 시작되며, 경우에 따라 구성 요소를 후처리할 수 있다.

공장 자동화에 통합

Moduleworks의 계산과 시뮬레이션 코어를 사용한 5축 잉크젯 프린팅 프로세스 애플리케이션은 테스트 형상을 통해 묘사된다. 또한 이를 통해 공장 자동화를 위한 표준화된 디지털 잉크젯 프린팅 프로세스와 다양한 맞춤형 코팅 구성 요소의 통합이 가능하다. 동일한 계산 코어를 기반으로 하는 템플릿 기반 자동화 솔루션은 구성 요소에 대해서도 구현할 수 있다.

먼저 구성 요소의 템플릿 프로세스가 생성되고, 템플릿 선택이 포함된 작업 현장 기반 모드에서 기계 작업자는 현재 클램핑된 구성요소에 맞게 조정된 공구 경로 계산을 시작할 수 있다. 이에 따라 기계의 측정 데이터를 기반으로 한 조정도 가능하다. 따라서 코팅할 기본 구성요소의 변형 또는 부정확성을 가공 공정 중에 수정할 수 있다. 이 디지털 회로는 OPC UA 연결로 완성되고, 따라서 디지털 프로세스 체인을 완결한다.