3D 프린팅 격자 구조로 부품 성능 극대화하기

3D 프린팅 격자 구조는 적층 제조의 가장 큰 강점 중 하나입니다. 3D 프린팅의 독창적인 공정으로 쉽게 제작할 수 있으며, 실용적인 이점이 매우 많습니다.

격자 구조는 본질적으로 인필 패턴, 즉 3D 프린팅 부품의 내부 기하학을 구조화하는 방식입니다. 플라스틱이나 금속의 단단한 블록을 출력하는 대신, 엔지니어는 부분적으로 중공인 겹치고 맞물리는 패턴을 사용할 수 있습니다. 이러한 격자가 제대로 설계되면 부품의 기계적 특성을 크게 향상시켜 더 가볍고 더 강하게 만들 수 있습니다.

중요한 점은 격자 구조를 모든 전문가급 3D 프린터에서 제작할 수 있다는 것입니다. 더 중요한 것은 이러한 구조를 다른 제조 기술로는 제대로 생산할 수 없다는 것입니다. 절삭 기술은 외부를 깎아내지 않고는 내부를 깎을 수 없으며, 금형은 단순히 액체 소재로 "채워지기"만 할 뿐, 3D 프린터처럼 액체 소재가 어떻게 자리 잡을지 선택할 수 없습니다.

이 글에서는 3D 프린팅 격자 구조가 어떻게 만들어지는지, 그리고 왜 항공우주 산업 같은 곳에서 그토록 유용해지고 있는지 살펴봅니다.

3D 프린팅 격자는 어떻게 만드나요?

격자 구조는 다리나 목조 주택 등에서 흔히 볼 수 있습니다. 에펠탑은 겹치는 보가 안정적이면서도 대부분 중공인 구조를 형성하는, 세계에서 가장 유명한 격자 또는 트러스 구조의 예시일 것입니다.

이러한 구조를 3D 프린팅 부품으로 재현하는 것은 가능합니다. 그리고 일반적으로 격자 프레임워크를 수동으로 설계할 필요는 없습니다: 사용자가 선택한 파라미터를 기반으로 격자 패턴을 자동 생성하는 여러 격자 생성 도구가 존재합니다. 상용 도구로는 nTopology(구 Topology), 오토데스크 위딘(Autodesk Within), 메시파이(Meshify) 등이 있습니다.

하지만 모든 격자가 동일한 것은 아닙니다. 사실 격자 구조는 여러 면에서 다양하며, 주요 변형 요소는 아래와 같습니다.

셀 구조 (Cell structure)

셀은 격자 구조를 구성하는 개별 단위입니다. 보통 입방체, 별, 육각형, 팔각형 등 기하학적 형상으로 인식되지만, 특정 기계적 용도를 위해 여러 형상을 결합하기도 합니다. 때로는 셀이 완전히 불규칙해 식별 가능한 패턴이 없는 경우도 있습니다.

결국 셀 구조(형상과 크기 모두)는 부품의 강도, 무게, 탄성 등 거동에 영향을 미칩니다.

셀 방향 (Cell orientation)

셀의 구조와 크기를 정하는 것은 절반에 불과합니다. 격자 내의 형상들은 다양한 방향으로 배향될 수 있으며, 이 또한 부품의 최종 성능에 영향을 줍니다. 방향성은 출력 제약 조건에 의해서도 결정되어야 합니다: 특정 방향은 더 많은 서포트 구조를 필요로 할 수 있습니다.

격자 소재 (Lattice material)

모든 소재가 모든 격자 구조를 출력할 수 있는 것은 아닙니다. 부드럽고 탄성 있는 소재는 일반적으로 큰 셀 구조로 출력해서는 안 되는데, 큰 다공성 섹션이 부품의 처짐을 유발할 수 있기 때문입니다. 대부분의 경우 격자 소재는 쉘(외부) 소재와 동일하지만, 멀티 익스트루더 프린터는 이 점에서 어느 정도 유연성을 제공합니다.

3D 프린팅 격자의 이점은 무엇인가요?

3D 프린팅 부품에 격자 구조를 적용하면 엔지니어는 경량화, 부품 강도 향상, 충격 흡수 등의 이점을 얻을 수 있습니다.

경량화는 그중에서도 가장 중요한 이점이자, 엔지니어들이 패턴화된 내부 기하학으로 출력 구조를 최적화하려는 주된 이유입니다. 격자 구조의 핵심 특징은 부분적인 중공성입니다: 셀에 빈 공간이 있으므로, 내부 격자 패턴이 있는 부품은 솔리드 인필을 가진 동등한 부품보다 전체 소재 사용량이 적습니다.

전체 소재가 적다는 것은 질량이 적다는 뜻으로, 자동차와 항공우주 같은 산업에서 AM 사용자에게 엄청난 이점입니다. 단 몇 그램만 줄여도 부품 성능에 큰 차이를 만들 수 있기 때문입니다. 사실 가장 흥미로운 격자 연구 중 일부는 항공우주 분야에서 진행 중인데, 보잉 같은 기업들이 초경량 첨단 격자 소재를 개발했습니다.

소재가 적다는 것은 비용 절감도 의미합니다. 격자 구조로 부품을 만들면 열등한 부품보다 비용이 적게 들면서 더 우수한 부품을 만들 수 있습니다.

하지만 격자 구조의 핵심은 부품의 무결성을 해치지 않으면서 질량을 줄이는 것입니다. 단순히 부품에 임의의 구멍을 뚫으면 더 부서지기 쉽고 파손되기 쉬워지지만, 3D 프린팅 격자 구조는 소재를 구조적으로 가장 효과적인 방식으로 사용하도록 설계되어, 중공 섹션이 취약점이 아닌 강점 자체가 되게 합니다.

격자 구조를 가진 부분적 중공 부품은 단단한 부품보다 실제로 더 강할 수 있습니다. 격자의 빈 공간이 충격 흡수를 개선하고 충격 응력을 줄여주기 때문입니다. 큰 셀 격자 구조를 가진 부품은 높은 유연성과 탄성을 지녀 취성과 파손 가능성을 줄여줍니다.

덜 중요하지만 여전히 주목할 만한 것은 격자의 심미성입니다. 이 복잡한 패턴들은 엔지니어가 3D 프린터로 만들 수 있는 가장 인상적인 형태 중 일부이므로, 프린팅된 격자를 가진 부품은 실용적이면서도 시각적으로도 눈길을 끕니다.

3D 프린팅 격자의 이점 요약:

• 경량화
• 소재 사용량 감소
• 고강도
• 충격 흡수
• 심미성

CNC 장비로 격자 구조를 만들 수 있나요?

간단히 말해, 불가능합니다. CNC 장비와 다른 절삭 제조 기술은 고체 블록에서 절삭 공구로 소재를 제거하기 때문에 3D 격자 구조를 만들 수 없습니다. CNC 장비는 격자 셀의 첫 번째 열의 중공 섹션을 깎아낼 수 있지만, 절삭 공구는 거기서 막다른 골목에 부딪힙니다. 고체 섹션이 가로막고 있어 다음 열의 중공 섹션을 깎을 수 없기 때문입니다.

3D 프린터는 부품을 단면 또는 슬라이스 단위로, 무에서 유를 쌓아 올리는 방식으로 제작하므로 이 문제를 겪지 않습니다. 따라서 적층 제조는 격자 구조를 만들기에 단연코 최고의 제조 기술입니다.

단, CNC 장비는 그릴(grille) 같은 2D 격자 구조를 효과적으로 만들 수는 있으며, 이러한 특정 CNC 가공 격자는 3D 프린팅 격자보다 더 강할 수도 있습니다.

3D 프린팅 격자의 실용적 응용 분야

3D 프린팅 격자 구조는 이미 많은 산업에서 응용되고 있습니다. 엔지니어와 제품 디자이너가 상업 전반에 걸쳐 부품을 경량화하고 강화하는 방법을 끊임없이 모색하기 때문입니다.

무게 감소는 특히 항공우주 및 자동차 산업에서 중요합니다. 무거운 부품은 일반적으로 차량 속도를 떨어뜨리고 연료 소비를 늘리기 때문입니다. 따라서 경량 부품이 훨씬 더 바람직합니다.

트러스 구조가 수백 년간 건축에 존재해 왔으니, 격자의 소형 버전이 오늘날 건축 현장에서도 인기를 얻고 있는 것은 당연합니다. 또한 격자 구조를 정밀하게 설계할 수 있기 때문에, 연구자들은 소음을 줄이는 3D 패턴을 만드는 방법을 찾아내 건물용 단열 소재를 개선할 잠재력을 보여주기도 했습니다.

3D 프린팅 격자는 의류와 신발에서도 찾아볼 수 있습니다. 아디다스 같은 기업은 3D 프린팅 엘라스토머 격자를 스니커즈 미드솔에 사용합니다. 이 격자는 엄청난 반발력을 가진 경량 쿠션을 제공해, 1990년대의 흔한 '에어 버블'보다 훨씬 뛰어나고 과학적으로 검증된 대안이 됩니다.

3ERP와 함께하는 3D 프린팅 격자

3ERP는 3D 프린팅 부품 및 시제품 제작 경험이 풍부한 제공업체로, 다양한 응용 분야에 고품질 격자 부품을 생산할 수 있습니다.

당사의 적층 제조 서비스에는 FDM, SLA, SLS, SLM이 포함되며, 모두 복잡한 내부 기하학을 만드는 데 활용할 수 있습니다.

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