디지털 트윈을 이용한 3D 프린팅

Beam이 디지털 트윈으로 최적의 제조 전략을 세우고, 공구 역학을 계산하여 자사 3D 프린터에 실현하였다. 이 기계는 Sinumerik One을 통해 제어되는 최초의 3D 프린터이다.

하인츠 잉고 슈나이더(Heinz-Ingo Schneider): Siemens 적층 제조 기술 전문가

핵심 내용

  • Sinumerik One은 CAx 소프트웨어 NX를 통해 디지털 트윈을 생성된다.
  • 이 디지털 트윈으로 Modulo 250의 이동 경로와 조형물 구조를 생성할 수 있다.
  • 이를 통해 충돌을 회피하고 제조 전략을 최적화하였다.

기계 내에서 정확한 공구 경로와 공구 움직임의 역학을 아는 것은 제조 프로세스에서 충돌을 회피하는 데 도움이 된다. 바로 Beam의 Modulo 250와 같이 복잡한 기계의 경우, 사전에 최적의 제조 전략을 산출하는 것이 중요하다. Siemens의 Sinumerik One를 이용하면 이 작업이 훨씬 쉬워질 수 있다. Siemens의 이 최신 컨트롤 시스템은 디지털 트윈을 이용하기 때문이다. 디지털 트윈은 CAx 소프트웨어 NX로 생성되며, 레이저 노즐의 이동 경로를 자동으로 산출한다. 복잡한 부품인 경우, 기계로 작업을 시작하기 전에 재료 구성과 충돌을 점검할 수 있다.

Modulo 250은 Beam의 최신 3D 프린터이다. 이 기계는 DED(Direct Energy Depositon) 프로세스로 작업을 진행한다. DED 방식은 금속 분말이 도포 노즐을 통해 공급되고, 레이저 빔에 의해 용융한 후 기판에서 층별로 프린트된다. 이 5축 동시 CNC 기계는 금속 부품을 적층할 뿐만 아니라 보완 또는 수리할 수 있다. 또한 재료 믹스나 텅스텐 카바이드 마모 방지 합금을 처리하는 여러 재료의 점층적 구조도 가능하다. 이 기계의 조형 공간은 400mm × 250mm × 300mm이다.

Beam Machine의 Modulo 250은 Siemens의 최신 컨트롤 시스템 Sinumerik One으로 작동하는 첫 번째 적층 제조 기계이다.

최적의 제조 전략을 위해 Siemens의 NX CAD로 적층 시퀀스를 생성하고 시뮬레이션 테스트한다. 이때 실제 기계의 작동은 방해를 받지 않는다. 먼저 부품 형상을 프로세스에 맞게 조정하기 때문이다. 절삭 가공과 달리 DED 프로세스에서는 가볍고 부피가 작은 구조를 만드는 것이 중요하다. 예를 들어, 동시 모델링 기능으로 기존의 부품 형상과 다른 CAD 시스템에서 들여온 부피체를 간단하고 효율적으로 변경할 수 있다. 설계 단계에서 CAM 영역의 가공 전략을 파악하고 조형물 구조를 다음 CAM 프로세스에 맞게 조정할 수 있다. 가공 디지털 트윈(NX 가상 기계)에서는 NX CAD/CAM으로 DED 작동을 적용하여 조형물 구조를 생성한다. 이때 조형에 필요한 공구 경로를 설정하고 적층 가공에 대한 모든 프로세스 매개변수를 설정한다. 이때 모든 기계 동작을 실제에 가깝게 시뮬레이션 하는 것이 중요하고, 충돌 경로를 배제해야 한다. 특히 레이저 헤드는 조형 재료나 장치 부품 그리고 기계 부품과 접촉할 경우 막대한 손상을 입을 수 있다. 이는 장시간 고장 상태를 유지하고 수리에 많은 비용이 들어가기 때문이다.

가공 여유를 작게 하여 윤곽에 가깝게

Modulo 250은 Near-Net-Shape 전략을 이용한 조형이 가능하다. 이 기능은 최대한 가공 여유를 적게 하면서 최상의 품질로 윤곽에 가깝게 용접하여 이어지는 후속 공정의 노력을 최소화하는 것이 목적이다. 이로 인해 시간과 비용이 절감할 수 있다. DED 프로세스에서는 후속 가공이 필요한 번거로운 지지대가 필요 없다.

외르크 오스터(왼쪽)과 하인츠 잉고 슈나이더가 Sinumerik One이 지원되는 Modulo 250으로 생산한 항공우주 분야 노즐을 들고 있다.

한 눈에 보는 자재 필요량

지난 EMO 하노버에서 Beam과 Siemens는 디지털 트윈 NX 가상 기계가 Sinumerik One과 결합하여 Modulo 250 상에서 어떻게 기능하는지를 시연하였다. 디지털 트윈은 충돌 방지 외에 실제 제조 시간과 재료 필요량에 대한 정보를 제공한다. 이 값을 이용하여 기계 가동과 재료 그리고 보조재 구매를 계획할 수 있으며, CAM 작동 최적화와 변형 최소화도 가상으로 실행할 수 있다.

Sinumerik One에 통합된 Simatic S7-1500F PLC를 통해 프로세스 다운타임을 최소화하고 OPC UA를 통해 통신도 간단하고 빨라지고, 무단 액세스로부터 보안 조치도 통합되었다. Sinumerik이 디지털 트윈을 통해 제공하는 장점은 기계가 데이터를 제공하는 경우에만 기능한다.