3D시스템즈, 금속 3D 프린팅용 3DXpert 소프트웨어의 주요 기능과 맞춤 솔루션 선보여

[산업일보]
최근 금속 3D 프린팅 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) 발생돼 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 돼 2차 변형이 올 수 있다. ( 외력 = ∑서포트 전체 요소 )

또한 빌드 시 적용된 프린터 레이저의 스캔 패스 타입이나 방향과 사용된 프린팅 재료 성분에 따른 복합적인 요인으로 인해 Work Hardening 및 Fatigue에 의한 3차 변형이 발생되기도 하는데, 이를 해결하기 위해 파트에 열처리 기술을 적용해 인성을 부여하거나 열풀림 처리를 하는 등 여러 가지 솔루션이 시도되고 있다.



하지만 Accuracy가 높은 출력을 위해서는 앞의 문제들을 사전에 예측하거나 극복하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 원래 제품의 목적과는 상이한 결과를 얻을 수밖에 없어 이에 대한 대비책을 미리 고안해야 한다.

3DSystems 사에서 공급하는 3DXpert 는 출력 이후 출력물의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한 디자인 보정 작업과 검증된 여러 가지 가공 옵션을 제공하고 디지털 스캐닝 결과 대조 기능을 통해 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 반영해 결과를 예측해 볼 수 있다.

3DXpert의 프로세스 과정을 보면 사전 준비에서 프린팅, 후처리 과정에 이르기까지 각각의 단계를 통합해 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 통해 열 집중 구간이나, 프린팅 작업 시 표면에 발생될 수 있는 조도가 떨어지는 구간, 그리고 서포트 형상을 부착해야 될 최적화 구간 등을 예측 할 수 있다.



시뮬레이션과 같이 형상의 Boundary 구간과 과도한 열이 모이는 구간 등을 미리 확인해 제품의 3차원 적인 배치나 서포트 영역을 예측하고 최적화해 볼 수 있다.

우선 CAE를 통해 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 대입해 분석을 해야 하는 상황이 발생한다.

이러한 부분을 대비해 3DXpert에서는 자체적인 FEM 해석을 보유하고 있으며 외부 옵션으로는 ABAQUS나 ANSYS 등과 연계할 수 있는 방안도 마련이 돼있다. 그렇기 때문에 내, 외부 다양한 래티스(Lattice) 기능으로 경량화를 시도하거나 FEM 해석을 통해 사전 분석이 가능하다.

또한, CAE로 제품에 외력을 가한 경우 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.