[첨단 헬로티]
이마다 토모히데(今田 智秀) ㈜데이터 디자인
1. 서론
2017년 11월, 프랑크프루트에서 개최된 세계 최대 3D 프린팅 쇼에서는 3D 적층 조형에 관한 신기술 및 신제품이 많이 발표됐다. 그 중에서도 강도, 인성, 내열성을 겸비한 폭넓은 재료에 대한 적응과 그들을 이용한 최종 부품의 조형을 테마로 한 출품이 눈에 띄었으며, 항공기나 의료 이외에서도 3D 적층 조형을 실제 생산 프로세스에 적용하는 사례가 증가하기 시작해왔다.
금속 조형에서는 2014년에 레이저 소결법/SLS의 특허가 만료되어 이후에는 세계 각국에서 파우더 베드 퓨전 방식(이하 PBF 방식)의 염가판 개발이 급속하게 진행되고, 2016년에는 GE가 Arcam사와 ConceptLaser사를 매수해 본격적인 최종 부품용 제조장치로서 금속 3D 프린터의 주목도가 높아지고 있다.
2. 금속 3D 프린터의 새로운 기술의 대두
금속 3D 프린터에 사용되고 있는 적층 조형 기술은 기존의 PBF 방식에 의한 레이저나 전자빔을 이용해 금속 분말을 소결, 또는 용융시키는 방법이 주류였는데, 대형 적층 조형용으로 조형 속도의 고속화나 절삭에 의한 2차 가공을 특징으로 한 다이렉트 에너지 디포지션 방식(이하 DED 방식)도 실용화가 추진되고 있다.
DED 방식은 레이저빔으로 조사하는 위치에 분말 재료를 내뿜어 패딩 용접하는 기술을 베이스로 하고 있으며, 여러 가지 재료를 혼재시켜 적층하는 것이 가능하다. 그 외에 나노 입자의 액체 금속을 내뿜어 300℃의 고온으로 가열하고 굳히는 기술을 이용해, 고속 조형과 매끄러운 표면을 실현하고 있는 이스라엘의 XJet사도 최근 주목을 받고 있다.
그리고 2017년은 새로운 금속 적층 조형법으로서 ADAM(Atomic Difusion Additive Manufacturing)이라는 콘셉트의 기술로 금속 분말을 담은 수지 필라멘트를 기존의 열용해 적층법(이하 FDM 방식)으로 쌓아올려 가는 방법이 미국의 Markforged사 등에서 공개됐다(그림 1).
이미 확립되어 있는 기술인 금속 분말 사출성형법(이하 MIM 기술)을 3D 적층과 융합시킴으로써 지금까지의 금속 3D 프린터에서 과제였던 적층 조형 시의 잔류응력과 서포트 제거 공수의 증대, 장치의 고코스트화 등을 대폭으로 해소할 수 있는 가능성이 나왔다.
조형 후의 바인더 소각 시에 발생하는 약 30%의 수축도 동봉한 소프트웨어 상에서 고정도로 관리돼 소결 후의 금속 파츠는 99.7%의 고밀도를 실현한다. 서포트재로 세라믹 서포트를 분쇄해 간편하게 취출하는 것이 가능하다. 지금까지의 금속 3D 프린터와는 전혀 다른 어프로치로, MIM 기술의 장점인 고정도․고밀도 부품의 적층 조형이 가능해진다.
3. 금속 3D 프린터를 최대 활용하기 위한 시뮬레이션 기술
금속 3D 프린터를 연구 개발이 아니라 실제 생산 라인에 적용해 가기 위해서는 사전의 해석․시뮬레이션이 절대적으로 필수의 프로세스가 된다. 시장의 급속한 성장으로 3D 금속 적층 조형의 시뮬레이션 기술도 매일 진화를 계속해 PBF 방식뿐만 아니라, DED 방식의 시뮬레이션에도 대응하는 소프트웨어가 제공되기 시작했다.
동사가 기술 서비스를 제공하고 있는 ‘AUTODESK NETFABB’도 그 하나이다(그림 2). PBF 방식의 시뮬레이션은 이미 해석이론이 확립되어 있기 때문에 열해석까지 포함한 시뮬레이션의 정도는 대폭으로 향상되어 왔는데, DED 방식의 시뮬레이션은 적층 조형 패스의 움직임에 따라 열의 영향을 받는 부위가 그 때마다 변화하기 때문에 적층 조형 패스의 움직임을 고려하는 것이 요구된다.
적층 조형 시뮬레이션을 제공하고 있는 소프트웨어 메이커와 공작기계 메이커의 공동 연구도 추진하고 있으며, 일본 공작기계 메이커에서도 이 시뮬레이션 기술의 채용/검증이 추진되어 갈 것으로 생각된다.
새로운 조형법인 ADAM에 대해서도 이론은 다르지만 소결 후의 시뮬레이션이 중요하고, 프린터 메이커도 여러 가지 해석․시뮬레이션 기술의 개발에 힘을 쏟고 있다. 소프트웨어의 제공 스타일은 클라우드 베이스․서브스크립션 베이스가 증가하고 있으며, 클라우드 환경을 이용해 각 조형장치에서 출력한 데이터를 리얼타임으로 받아들이고 보정을 해서 다시 조형 결과에 반영시킨다는 구조도 추진되고 있다.
그 외에도 래티스 구조화를 하는 소프트웨어도 각사가 릴리스하기 시작하고 있으며, NETFABB를 비롯해 일부 소프트웨어에서는 풍부한 실적을 가진 공업계용 해석 엔진(NASTRAN 등)을 탑재해 이론에 기초한 형상의 최적화를 하는 것도 가능해지고 있다(그림 3).
4. 금형 제작에 대한 3D 금속 적층 조형 파츠의 적용 가능성
구체적인 금형 제작에 대한 응용으로서 가장 주목받고 있는 것이 컨포멀 쿨링(금형의 3차원 냉각) 기술이다(그림 4). 이 기술에는 냉각관의 배치 설계와 절삭가공으로는 재현할 수 없는 부위의 적층 조형, 더구나 성형 상황을 예측하는 고정도의 시뮬레이션을 융합시켜야 한다. 아직 실제 운용의 사례는 적지만 확실하게 연구 개발이 추진되고 있는 기술이다.
그 외에는 금형의 인서트 부품 조형에 대한 응용이 주목받고 있다. 복수 공정을 필요로 하는 인서트 부품가공을 금속 프린터에 의한 3D 적층 조형으로 대체한다는 개념으로, 제작 프로세스의 심플화, 절삭가공기를 점유하지 않고 외부 세팅으로 온디맨드 조형이 가능해지는 점 등을 메리트로서 들 수 있다. 소로트의 간이형에 대한 적용도 이미 실용화가 시작되고 있으며, 래티스 구조를 도입함으로써 금형의 경량화와 전체의 냉각 효과 등도 기대되고 있다.
또한, 금형 그 자체에 응용하는 것만이 아니라, 금형의 제작 공정에서도 2차적인 도입 효과가 예상되고 있다. 금형의 제작에는 절삭가공→조립→검사의 공정이 반드시 존재하고 있으며, 그러한 공정에서는 여러 가지 지그가 필요해진다. 정도나 강도, 내열의 과제로부터 지금까지는 금속 재료를 절삭하는 경우가 많았지만, 카본화이버를 넣은 재료나 콤포짓 재료, 고밀도의 금속 적층 조형 부품 등을 이용함으로써 절삭가공의 대체가 충분히 가능해진다.
더구나 금형 메이커에서도 범용 로봇의 도입이 추진되고 있으며, 경량화가 필요한 로봇 핸드에 장착하는 지그 등에도 응용할 수 있다. 또한 도금처리 기술의 활용도 대응 테마로서 추진되고 있으며, 내열 도금처리가 실현되면 초소량 로트용 본격 금형에 대한 적용의 가능성도 충분히 생각할 수 있다.
5. 맺음말
금형 제작에서 3D 금속 적층 조형 기술의 가능성은 앞에서 서술한 적용 예 이외에도 앞으로 더 확산될 것으로 생각된다. 새로운 적층 방법, 새로운 재료가 나오게 됨에 따라 지금까지는 불가능하다고 생각했던 사상이 1개씩 확실하게 해결되고 있다. 도입․운용에 필요한 환경이나 코스트의 조건도 낮아지고 있으며, 이미 3D 금속 적층 조형은 실제 운용이 가능한 주변의 기술이 되고 있는 것은 아닐까.
동사에서는 3D 금속 적층 조형과 절삭가공의 하이브리드 운용을 실현하기 위한 기술 개발을 주체로 한 테크니컬센터를 설립했으며, 엔지니어링 서비스 뷰로로서의 활동도 하고 있다. 앞으로도 첨단 기술과 아이디어를 융합시켜 새로운 제조 프로세스 구축을 지원해 갈 것이다.
