3D 프린팅으로 부품을 설계하는 과정에서 적층 방식만을 생각하면 충분하지 않을 수 있다. 특히 재료가 금속인 경우 변형과 지지대 그리고 홀 가공 등 여러 가지를 고려해야 한다. 이들이 부품의 외관을 바꿀 수 있기 때문이다.

시모네 캐퍼(Simone Käfer)

핵심 내용

• SLM 방식은 최대 6mm 직경의 구멍이 문제가 되지 않지만 구조적, 기계적 보조 수단이 필요하다.
• WAAM 방식은 스트럿을 약간 수정하여 지지 구조물을 피할 수 있다.
• 바인더 제팅 방식은 원래 지지 구조물이 필요하지 않다. 하지만 조형물이 수축되기 때문에 형상 유지를 위해 서포트를 사용하는 것이 좋다.

모든 제조 방법과 마찬가지로 적층 제조도 제조 과정의 어려움이 있다. 적층 제조도 설계 옵션을 성능 요건과 결합하는 것이 중요하다. 이는 금속 적층 제조가 여러 가지 공정으로 인해 설계 자유도가 제한되기 때문이다. 결과적으로 동일한 기능을 가진 부품도 다른 적층 방식으로 제조하면 다른 결과물이 나올 수 있다. 이는 설계 시뮬레이션 단계에서 확인할 수 있으며, 공정별 차이점이 분명히 나타난다. Altair의 마케팅 전략 이사인 미르코 브롬베르거가 3가지 적층 방식에 대한 디자인 팁을 요약하였다.

SLM을 위한 설계 방법

선택적 레이저 용융(SLM, LPBF, Laser Powder Bed Fusion)은 가장 잘 알려진 금속 3D 프린팅 방식이다. 이는 금속 분말을 조형 플랫폼에 닥터 블레이드로 층별로 고르게 도포하여 레이저 빔이 지정된 지점에서 녹이는 방식이다. 이 방식에는 열 변형과 돌출이라는 두 가지 문제점이 발생한다. 고르지 않은 열 입력은 변형으로 이어진다. “조형물을 어떻게 설계하는지, 그에 따라 온도 분포가 달라집니다.”(미르코 브롬베르거) 물질이 녹는 곳은 매우 뜨거운 열이 발생하고 형상이 변형된다. 하지만 이러한 열 변형도 설계나 공정을 통해 예방할 수 있다.

조형물이 조형 공간에서 조형 방향의 일정한 각도를 초과하면, 지지대나 서포트를 받쳐야 한다. 이는 부품 개별 구조와 홈에도 적용된다. 영국 엔지니어링 회사 Crucible에 따르면 스테인리스 스틸, 티타늄, 코발트-크롬과 같은 금속은 최대 30°까지는 비중에 따라 지지대가 필요하지 않고, 인코넬과 알루미늄은 최대 45°까지 버틸 수 있다고 한다. 특정 오버행 각도의 지지대는 열을 배출하는 데에도 필요하다. 용융물이 조형물에 결합될 수 없는 상태에서 레이저가 조형 층의 분말 베드에 부딪히면, 금속 방울이 형성된다. 이로 인해 표면 품질을 저하되고, 전체 프로세스가 위험해질 수 있다. 이는 재활용할 수 있는 분말이 손실될 뿐만 아니라 돌출된 부분의 표면이 거칠어지고 이후 후처리 작업을 병행해야 한다. 이러한 열 변형으로 인해 지지대를 사용해야 하는 이유가 있다. 조형물이 가공 중에 휘거나 비뚤어지지 않고, 조형 작업을 중단하지 않도록 지지대가 필요하다. “물론 설계 지침이 생산 과정에서 항상 이상적으로 구현될 수는 없습니다.”*(미르코 브롬베르거).

SLM에서 구멍 내기

이어지는 다음 과제는 구멍 가공이다. 미르코 브롬베르거에 의하면, 구멍이 실제로 둥글지 않다고 한다. 적어도 조형 방향인 수직으로는 둥글지 않다. 따라서 구멍은 물방울 모양의 홈으로 디자인해야 하고, 적절한 오버사이즈와 기계 후가공을 통해 물방울 모양이 올바른 공차를 가진 구멍이 되는 것이다. Crucible은 설계 가이드에서 최대 6mm 직경의 구멍은 문제가 없다고 명시되어 있다. 직경이 더욱 크면 형상이 붕괴되지 않도록 구멍 중앙에 지지대가 필요하다.

좁은 막대 모양의 버팀목과 같은 두 개의 기하학적 요소가 만나면 두 가지를 연결하는 방법이 있다. 이 요소들이 한 지점에서 만나는 경우 서로를 지지하기 때문에 서포트가 필요하지 않다. 하지만 이 두 요소가 만나는 지점이 곡선 형태인 경우(예를 들어 적용 사례에서 응력 노치를 방지하기 위해)에는 서포트가 필요하다. 지지대의 개수를 최소한으로 줄이는 것이 조형물의 경제성에 크게 기여할 수 있다.

WAAM을 위한 설계 방법

그에 비해 와이어를 사용한 WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing, 빌드업 용접)의 경우 지지 구조 없이 설계할 수 있다. WAAM 공정에는 용접 와이어가 용융된 후 설계 데이터에 따라 로봇 팔에 의해 조형판에 조형물이 결합된다. 지지 구조물을 포함한 모든 구조물은 공정상 WAAM에서 매우 거대하며 집약적인 기계 가공을 필요로 한다. 또한 서포트에는 프린팅 시간뿐만 아니라 후처리까지 필요하다. 지지 구조를 피하기 위해 두 가지 방법이 있다. 먼저 구성 방향에 주의를 기울이고 자체적으로 지지되도록 형상을 조정한다. 임계점에서 용접 전류 강도 또는 빌드업 속도를 조정하는 방식으로 또는 지오메트리를 조정하는 방식으로 대응한다. 때로는 구조물 스스로 지지되도록 스트럿을 바깥쪽이나 안쪽으로 몇 도만 돌리면 충분하다. 조형 플랫폼에도 핸들링이 있고 중력을 무시할 수 있는 WAAM 시스템을 사용하면 서포트 없이 작업해야 하는 과제를 설계 측면에서 해결할 수 있다. 하지만 조형 작업 프로그램 단계가 매우 복잡해진다.

WAAM에서 구멍 내기

이 방식에서 구멍 내기는 기계적 후처리 작업이다. Altair는 MX3D와 협력하여 ABB의 산업용 로봇 회전 암을 추가 설계하여 WAAM 프로세스를 사용하여 적층하고, 샤프트 및 베어링용 플랜지가 삽입되는 모든 구멍은 흔적 없이 완전하게 가공한다. “공차가 µm 범위이고 용접 와이어 굵기가 수 밀리미터인 경우, 처음부터 기계적 처리를 계획해야 합니다.”(미르코 브롬베르거) 즉 해당 부분을 재료로 채우고 나중에 이를 제거한다는 의미이다. 이는 주조 제품 제조 방법과 유사하다. 하지만 조형 시간이 오래 걸리지 않는다. WAAM의 장점은 형태가 최종 윤곽에 가깝고 높은 조형 속도이다. 설계자는 조형물이 조형판에 연결되는 위치를 작게 설계하여 재료를 절약할 수 있다.

바인더 제팅을 위한 설계 방법

바인더 제팅 방식에서는 변형이 문제가 되지 않는다. 형상이 낱알의 분말에 의해 유지되기 때문에 프린팅 공정에 지지대가 필요하지 않다. 바인더 제팅에서는 금속 분말을 결합제로 접착하여 3차원 구성 요소를 만들고, 이 결합제는 성형체에서 다시 제거한다. 결합제를 제거한 후 구멍이 난 성형체에 다른 재료를 채워 넣거나 소결 중에 결합제가 채우면서 조형물은 응고하는 방법이다. 이때 모든 소결 공정과 마찬가지로 성형체가 수축한다. 이 과정에서 조형물이 얼마나 작아지는지는 조형물을 어떻게 설계하였는지, 어느 지점에 얼마나 많은 재료가 적용되었는지에 달려 있다. 많은 재료는 결국 더 많은 수축을 의미하며 여기에서 뒤틀림이 발생한다.

성형체를 불량품으로 만드는 것은 불균일한 수축 때문만은 아니다. 소결 중에 재료가 부드러워지고, 조형물의 무게로 인해 구조가 무너지거나 붕괴될 수 있다. “이는 제조 공정에서 세라믹 지지대로 해결할 수 있습니다. 이런 지지 구조는 나중에 두드리거나 샌드 블라스팅으로 제거하기 때문에 설계할 때 지지 구조가 필요하다는 점을 염두에 두어야 합니다.” (미르코 브롬베르거)