3D시스템즈, 금속 3D프린팅용 소프트웨어 ‘3DXpert’로 제조혁신 지원
3D시스템즈, 금속 3D프린팅용 소프트웨어 ‘3DXpert’로 제조혁신 지원
  • 엄재성 기자
  • 승인 2020.11.26 08:44
  • 댓글 0
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출력물의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 디자인 보정 작업과 여러 가지 가공 옵션 제공

최근 금속 3D프린팅 기술과 사용 범위가 확대되면서 소프트웨어에도 다양한 기능이 추가된 제품들이 출시되고 있다. 특히 프린팅 파트의 형상 지오메트리(Geometry)에 따라 안전 분석을 하거나 금속 재료 자체의 탄성, 소성 구간 등에서 발생하는 변위들을 예측 하면서 열 변형에 관한 다양한 프로그램들이 추가 생성되기도 했다.

그럼에도 불구하고 CAE 예측만으로는 미세 손상이나 변형을 완벽히 차단하기는 쉽지 않다. 성형 중 항복(Rp)이 발생하기도 하고 탄성 영역(E) 을 벗어나 내구한도를 넘어가기도 하면서 영구적인 변형이(전단, 트윈 스팅, 디본 등) 발생되어 본래 활용하려고 했던 파트 본래 목적의 허용범위를 벗어나거나 내부적인 평형(F)을 유지하지 못하고 구성원자의 전위(Dislocation)나 손상(Crack)을 발생시키기도 한다.

​게다가 프린팅 작업 중 반복된 용융과 냉각 과정을 통해 누적된 변형과 증가된 응력 때문에 프린팅 이후 서포트를 제거하고 나면 파트를 지지하던 경계 조건과 구속이 없어지게 되어 2차 변형이 올 수 있다.

또한 빌드 시 적용된 프린터 레이저의 스캔 패스 타입이나 방향과 사용된 프린팅 재료 성분에 따른 복합적인 요인으로 인해 워크 하드닝(Work Hardening) 및 패티그(Fatigue)에 의한 3차 변형이 발생되기도 하는데, 이를 해결하기 위해 파트에 열처리 기술을 적용하여 인성을 부여하거나 열 풀림 처리를 하는 등 여러 가지 솔루션이 시도되고 있다.

하지만 어큐러시(Accuracy)가 높은 출력을 위해서는 앞의 문제들을 사전에 예측하거나 극복하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 원래 제품의 목적과는 상이한 결과를 얻을 수밖에 없어 이에 대한 대비책을 미리 고안하여야 한다.

​이러한 관점에서 보면 3D시스템즈에서 공급하는 ‘3DXpert’는 유일하게 출력 이후 출력물의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한 디자인 보정 작업과 검증된 여러 가지 가공 옵션을 제공하고 디지털 스캐닝 결과 대조 기능을 통하여 출력물의 허용 공차를 충족시킬 수 있는 솔루션 모듈을 내장하고 있다. 또한 서포트 제거 이후 특수 목적에 따라 열처리 조건(풀림, 불림) 이나 CAE 시뮬레이션 과정을 반영하여 결과를 예측해 볼 수 있다.

사전 준비에서 프린팅, 후처리 과정에 이르기까지 각각의 단계를 통합하여 작업 진행

3DXpert의 프로세스 과정을 보면 사전 준비에서 프린팅, 후처리 과정에 이르기까지 각각의 단계를 통합하여 작업이 진행되며, 특히 다른 제품과 비교해 측정과 가공을 접목해 볼 수 있다는 큰 장점이 있다.

지원 가능한 시뮬레이션 툴들을 순서대로 보면 첫째로 우선 준비 단계에서 초기 CAE를 통한 사전 예측을 통하여 열 집중 구간이나, 프린팅 작업 시 표면에 발생될 수 있는 조도가 떨어지는 구간, 그리고 서포트 형상을 부착해야 될 최적화 구간 등을 예측할 수 있다.

시뮬레이션처럼 형상의 바운더리(Boundary) 구간과 과도한 열이 모이는 구간 등을 미리 확인하여 제품의 3차원 적인 배치나 서포트 영역을 예측하고 최적화해 볼 수 있다.

첫 번째, CAE를 통하여 프린팅 배치나 서포트 경계조건 등 여러 가지 기본적인 필수 요소를 확인할 수 있다. 기계부품이 활용될 기계적인 목적에 부합하는지 체크가 필요한 경우, 유사한 외력 조건 등을 모델에 대입하여 분석을 해야 하는 상황이 발생한다. 이러한 부분을 대비하여 3DXpert에서는 자체적인 FEM 해석을 보유하고 있으며 외부 옵션으로는 ABAQUS나 ANSYS 등과 연계할 수 있는 방안도 마련이 되어있다. 그렇기 때문에 내, 외부 다양한 래티스(Lattice) 기능으로 경량화를 시도하거나 FEM 해석을 통하여 사전 분석이 가능하다.

두 번째, CAE로 제품에 외력을 가한 경우처럼 집중 하중을 받는 구간의 상태와 변형을 3DXpert에서 보여준다. 해당 결과를 토대로 래티스의 최적화 작업도 진행할 수 있다. 따라서 경계 조건을 대입 시키고 프린팅 소재를 선택한 다음 외력을 가하거나 진동을 발생시켜 내부적인 반응과 형상의 변화를 체크할 수 있고 나아가 형상 최적화를 통해 격자의 간격이나 두께를 자동 수정할 수도 있다.

앞에 두 과정을 실제 프린팅 출력한 분석 과정이라고 간주한다면, 프린팅 제작 도중이나 이후 과정에서 발생되는 서포트 제거 등에 관한 문제에 대해서도 분석이 필요하게 된다. 3Dxpert의 Build simulation이라는 내부 모듈을 통해 적층 과정 중 발생하거나 출력 과정이 끝난 이후 변화에 대해 CAE 예측을 통해 작업의 완성도를 판별해볼 수 있다.

빌드 시뮬레이션에서는 X, Y, Z 변형 량과 함께 프린팅 과정에 발생될 수 있는 에러(Error)들을 레이어 층마다 시뮬레이션 하고 이를 사용자에게 보여주기 때문에 시뮬레이션 과정에 발생된 스트레스(Stress)의 최소/최대 구간 및 응력 집중 구간들에서 오는 변형을 유추해볼 수 있다. 그리고 CAE 결과에 따른 제품 오리엔테이션을 변경해 가면서 최적의 프린팅 배치를 찾을 수도 있다.

한 제품에 단순히 오리엔테이션(Orientation)만 180도 다른 경우에도 그에 따른 서포트 구현 방식과 해석 결과는 완전히 달라진다.

빌드 시뮬레이션 [3-1]에서는 제품의 3차원 형상 부분이 상형 부분이 되고 그에 따른 나머지 구간들은 변형이 최소화되는 장점이 있으나 제품이 어셈블리 파트이기 때문에 하단부에 서포트가 배치되는 경우에는 후 처리를 한다고 해도 체결 부위에 정밀도가 그리 좋지 않을 것으로 예측이 된다.

하지만 [3-2]처럼 체결 부위가 상으로 향하고 서포트 영역이 3차원 구간이 되는 경우 출력 이후 4축이나 5축 NC로 3차원 형상 부위를 가공하고 홀 부위를 와이어 컷(Wire-Cut)을 적용하면 프린터 출력 이후 상당히 높은 수준의 정확도를 보장할 수가 있다.

변형 예측과 보정 작업 가능, 모델링 자동 변형으로 작업 시간 많이 소요되지 않아

여기에 더불어 3DXpert에서는 변형 예측과 보정 작업을 시도해 볼 수도 있는데, 측정이나 해석을 통하여 변형이 특별히 심하고 서포트 만으로 대응하기 힘든 경우 예측 데이터를 기준으로 형상 자체를 보정하여 수정을 할 수도 있다. 보정 작업을 시도할 경우에는 보정 양을 사용자가 재료에 따라 스케일을 조절할 수 있다. 설정된 스케일에 따라서 3DXpert는 모델링 자동 변형이 가능하기 때문에 작업 시간이 생각보다는 많이 소요되지 않는다.

변형 과정은 크게 두 가지로 나누어지며 원본과 해석 결과를 형상 비교하고 자동 보정을 수행할 수도 있으며 이 경우 두 형상 간의 차이를 Node Point로 만들고 사용자가 지정한 스케일 대로 반대 변형을 유도하여 작업한다. 사용자가 변형을 시도하는 경우나 사용자가 변형에 많은 데이터나 노하우를 가지고 있는 경우에는 변형 과정을 미세하게 조정할 수도 있다.

다른 방법은 스캔 장비를 활용하여 측정을 하고 메쉬나 포인트 클라우드 타입으로 3DXpert 내부로 불러온 다음 기존 형상과의 차이를 확인하고 확인된 결과를 가지고 자동 변형을 시도하는 것이다.

3Dxpert 내부는 메쉬와 CAD 데이터를 측정할 수 있도록 자동 배치하고 데이터 간 간격 체크를 통하여 평면 구간의 평행도 문제나 실린더 형상의 진원도 측정 등 정확도를 확인할 수 있다. 사용자가 문제가 되는 구간을 좀 더 구체적으로 확인하고 싶은 경우에는 마우스를 이동하면서 형상 간 단차를 다이얼로그 박스와 함께 실시간으로 체크할 수 있다. 그러나 만약 형상의 변형이 심하여 서포트를 보충하거나 디자인 변경으로도 대안이 될 수 없다면 다행히도 3DXpert에서는 프린터 출력 전 Mesh 형상을 사전에 Offset 적용하고 프린터 출력 시에 가공에서 제거할 여유 살을 덧대고 그 부분을 후처리 용도로 준비된 NC 모듈을 적용하여 변형 구간을 커닝용 공구로 제거할 수도 있다.

3차원 굴곡이 있는 면에 서포트를 부착했을 경우 5Axis 가공으로 수작업이 어려운 구간에 툴패스를 생성하고 공구를 5Axis 틸팅 제어하여 서포트와 거친 면을 정삭 가공할 수 있다.

그리고 가공 적용 방법 중 와이어(Wire) 장비도 활용할 수가 있는데, 아래 그림처럼 필요 없는 부위나 정밀도가 요구되는 구간은 0.2~0.3mm의 와이어 선으로 커팅 하거나 방전 작업으로 포켓팅을 적용할 수도 있다.

또한 툴(Tool) 세팅 시 적용한 열처리 적용 전, 후 조건과 변형 관계를 확인할 수 있다.

그 외에도 DMP Inspection 옵션이 지원되기 때문에 프린팅 과정 중 문제점을 모니터링하는 것이 가능하다. AM 작업 중 장비로 전송된 결과를 3DXpert로 불러와 원래 형상과 비교하여 Void 구간이나 거친 면 현상 부위를 디지털로 재현하여 고가의 CT 검사 대신 3DXpert의 옵션으로 사전에 확인 및 대응이 가능할 수도 있다. 이러한 기술은 프린터와 소프트웨어간의 데이터 호환성과 작업성을 고려하여 개발한 3D시스템즈만이 제공 가능한 옵션이다.

마지막으로 3DXpert의 도면화 작업이 있는데 작업 목적에 따라 어셈블리 작업을 시도하거나 형상 정밀도와 함께 일반화된 심볼들을 배치하고 치수를 대입한 다음 도면으로 출력을 할 수도 있기 때문에 3DXpert를 활용해 작업 공정도, BOM, Part list 등을 원하는 대로 제작해 볼 수도 있다.


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