3D 프린팅 소프트웨어:진정한 디지털 제작 실현

3D 프린팅 소프트웨어의 기능은 업계가 계속 성숙해감에 따라 성장하고 있습니다.

역사적으로 3D 프린팅 소프트웨어 부문은 하드웨어 및 재료 부문보다 뒤쳐지는 경향이 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안의 흥미로운 발전에 따르면 이 부문이 빠르게 따라잡고 있어 기업이 복잡한 디자인을 더 빠르게 만들고 인쇄 성공률을 높이며 부품 품질을 보장하고 워크플로를 보다 효율적으로 관리할 수 있습니다.

소프트웨어가 3D 프린팅으로 실행 가능한 생산의 핵심이기 때문에 이를 가능하게 하는 개발 사항을 살펴봅니다.

이 시리즈에서 다룬 다른 기사를 살펴보세요.

2021년 3D 프린팅 하드웨어 시장의 진화

3D 프린팅 재료 시장의 진화:앞으로의 동향과 기회

산업용 3D 프린팅을 위한 후처리:알아야 할 주요 동향

설계 및 CAD 소프트웨어:AM 전용 도구 만들기

최근까지 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어는 3D 프린팅의 설계 요구 사항에 맞게 최적화되지 않았습니다.

적층 제조(AM)는 설계가 더 복잡하다는 이점을 제공합니다. 그러나 이러한 이점에는 DfAM(Design for AM)이라고도 하는 다른 설계 접근 방식이 필요합니다.

AM을 위한 디자인은 전통적인 디자인 방법에서 찾을 수 없는 독특한 도전과 기회를 제공합니다. 여기에는 재료 감소 및 복잡한 설계 기능의 탐색을 목표로 하는 새로운 설계 관행의 생성이 수반됩니다.

따라서 엔지니어가 AM의 설계 유연성을 최대한 활용할 수 있도록 관련 도구가 필요합니다.

느리지만 확실하게 이러한 도구가 시장에 나타나기 시작했습니다. 가장 큰 추진력은 Autodesk, Altair, Dassault Systems 및 PTC와 같은 대규모 소프트웨어 회사에서 나왔습니다. 이 회사는 CAD 솔루션 범위 내에서 AM 설계 기능을 개발해 왔습니다.

예를 들어, Autodesk는 AM 기술에 대한 주요 투자의 일환으로 Netfabb 제품군을 통해 3D 인쇄를 위한 설계 준비를 지원하고 있습니다.

Netfabb를 통해 엔지니어는 다양한 CAD 형식에서 모델을 가져와서 분석 및 수리하고 지원이 필요한 영역을 식별할 수 있습니다. Netfabb를 사용하여 지원 구조를 반자동으로 생성하고 모델을 수정하여 프로덕션에 최적화할 수도 있습니다.

DfAM은 PTC Creo CAD 플랫폼의 차세대 개척자로도 인정받고 있습니다. 새 릴리스에서 Creo 6.0은 확률적 폼, 등각 격자, 공식 기반 격자 및 사용자 정의 격자를 비롯한 경량화 기능을 생성하는 데 필요한 특수 형상 모델링에 대한 내장 지원을 제공합니다.

또한 Creo 6.0에서 3D 프린팅 빌드 방향과 지지 구조를 분석하고 최적화할 수 있어 빌드 생산과 프린팅 후 처리 모두에서 시간이 절약됩니다.

고급 디자인 소프트웨어

소수의 회사에서도 고급 엔지니어링을 위한 CAD 솔루션을 개발하고 있습니다. 한 예로 최근 nTop Platform을 출시한 nTopology가 있습니다. nTopology는 기하학이 병목 현상이 되는 엔지니어링 문제를 해결하기 위해 개발되었습니다.

계산 기반 솔루션인 nTop은 CAD, 시뮬레이션 및 CAM(Computer-Aided Manufacturing) 기능을 통합하여 엔지니어링 팀이 복잡하고 최적화된 형상을 생성할 수 있도록 지원합니다.

예를 들어 엔지니어는 nTop을 사용하여 부품의 무게를 줄이고 성능을 극대화할 수 있습니다. 또한 여러 하중 조건을 적용하고 응력, 변위, 강성 및 무게를 포함한 다양한 성능 기준에 맞게 최적화할 수 있습니다(토폴로지 최적화로 알려진 프로세스).

또한 흥미로운 점은 소프트웨어가 부품을 슬라이싱할 수 있으므로 오류가 발생하기 쉬운 STL 파일을 피하고 제조 데이터를 기계로 직접 내보낼 수 있다는 것입니다.

3D 프린팅 디자인 소프트웨어의 한계를 뛰어 넘는 또 다른 회사는 Hexagon입니다. 올해 초 AM용 토폴로지 최적화 소프트웨어 공급업체인 독일의 AMendate를 인수했습니다. AMendate는 이제 Hexagon의 MSC 소프트웨어 부문에 추가되어 MSC Apex Generative Design 소프트웨어가 출시되었습니다.

새로운 설계 최적화 솔루션은 내장된 제조 지식과 결합된 설계 프로세스의 자동화를 통해 품질을 개선합니다.

이 소프트웨어는 일반적으로 필요한 시간의 극히 일부인 몇 시간 이내에 부품 설계를 생성하고 AM 준비가 완료된다고 합니다. 이를 통해 대체 토폴로지 최적화 솔루션에 비해 생산성이 최대 80% 향상됩니다.

'디자인 생성을 위한 많은 소프트웨어 솔루션이 존재하고 현재 시장에 나와 있지만 그 기능에는 한계가 있습니다. 예를 들어 사용하는 데 시간이 많이 걸립니다. AMendate의 공동 창립자이자 현재 MSC의 제너레이티브 디자인 이사인 Thomas Reiher는 완전한 자동화가 부족하고 생성할 수 있는 디자인이 실제 비즈니스 과제를 수행하기에 충분히 복잡하지 않다고 말했습니다.

AM 프로세스를 염두에 두고 개발된 고급 설계 도구는 이러한 문제를 극복하고 더 많은 수의 혁신적인 3D 프린팅 사용을 가능하게 하는 열쇠가 될 것입니다.

STL 대안 소개

설계된 모델을 3D 인쇄할 수 있으려면 엔지니어는 일반적으로 원본 CAD 파일을 STL로 변환해야 합니다.

STL은 현재 3D 인쇄에 가장 널리 사용되는 파일 형식으로, 3차원 개체를 일련의 연결된 삼각형(다각형)으로 설명합니다. 그 인기에도 불구하고 파일 형식에는 많은 제한이 있으며, 이는 3D 프린팅을 사용하여 복잡한 생산 부품을 설계할 때 더욱 분명해집니다.

예를 들어 STL은 원래 디자인의 색상, 질감 및 기타 디자인 정보를 읽지 않습니다.

또한 STL 파일에 대한 변경 사항은 CAD의 원본 설계 파일에 자동으로 반영되지 않아 설계 프로세스에 비효율적인 레이어가 추가됩니다.

마지막으로, 복잡한 지오메트리를 모델링하거나 삼각형의 수를 늘려 해상도를 개선할 때 STL 파일의 크기가 너무 커서 3D 프린터가 읽을 수 없을 정도로 커질 위험이 있습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 업계에서는 대체 파일 형식을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 현재까지 가장 유망한 것은 3MF 컨소시엄에서 개발한 3MF입니다.

3MF를 사용하면 3D 프린터가 원본 디자이너가 의도한 색상, 질감 및 기타 디자인 데이터를 사용하여 CAD 디자인 파일을 완전히 읽을 수 있습니다. 또한 새로운 3D 인쇄 기술에 맞게 확장 및 적용할 수 있습니다.

시뮬레이션 소프트웨어:반복성을 개선하기 위한 오류 예측

시뮬레이션 소프트웨어는 여전히 3D 프린팅 소프트웨어 개발의 큰 초점입니다. 이에 대한 주요 이유는 현재 반복 가능한 3D 프린팅 결과를 얻기 위해 사용되는 시행착오 방식을 줄이거나 없앨 수 있기 때문입니다.

시뮬레이션은 일반적으로 인쇄 과정에서 재료가 어떻게 작동하는지를 디지털 방식으로 재현하기 위해 설계 단계에서 사용됩니다. 이는 시뮬레이션 결과가 빌드 실패를 방지하기 위해 설계를 최적화할 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있음을 의미합니다.

오늘날 대부분의 시뮬레이션 솔루션은 금속 3D 프린팅에 맞춰져 있습니다. 이는 기술이 여러 복잡한 기술적 문제를 수반한다는 사실 때문입니다. 예를 들어 레이저의 경로와 강도, 지지 구조의 설계와 같이 인쇄 과정에서 빌드에 영향을 줄 수 있는 많은 변수가 있습니다.

시뮬레이션은 금속 3D 프린팅 프로세스 중에 발생하는 복잡한 현상을 분석하는 데 도움이 되며 시뮬레이션 데이터를 사용하여 빌드를 계획하고 가장 성공적인 부품 방향 및 지원 전략을 선택합니다.

2019년에는 ANSYS 및 Siemens와 같은 대기업에서 Additive Works와 같이 AM 전용 솔루션을 제공하는 소규모 소프트웨어 회사에 이르기까지 많은 AM 시뮬레이션 솔루션이 있습니다.

엔지니어링 소프트웨어 회사인 ANSYS가 그 한 예입니다. 2019년 초부터 이 회사는 많은 새로운 기능을 특징으로 하는 세 가지 주요 업데이트를 출시했습니다.

눈에 띄는 업데이트 중 하나는 ANSYS Additive Prep입니다. 이 도구는 ANSYS Additive Suite 및 ANSYS Additive Print 소프트웨어 패키지의 일부입니다.

그 기능 중에는 엔지니어가 AM 빌드 방향이 지지 구조, 빌드 시간, 왜곡 및 전체 인쇄 성능에 미치는 영향을 예측하는 데 도움이 되는 히트 맵을 생성하는 기능이 있습니다.

최신 R3 릴리스에서 ANSYS Additive Prep은 새로운 빌드 프로세서로 향상되어 사용자가 빌드 파일을 AM 머신으로 직접 내보낼 수 있으므로 STL 파일을 사용할 필요가 없습니다. 2020년에 열 처리의 효과를 예측하는 도구도 있습니다.

보다 최근에 Altair는 Inspire Print3D라는 AM을 위한 새로운 제조 시뮬레이션 솔루션을 출시했습니다.

SLM(Selective Laser Melting)을 특별히 겨냥한 이 소프트웨어는 제조 공정을 설계하고 시뮬레이션하기 위한 빠르고 정확한 도구 세트를 제공한다고 합니다.

주요 소프트웨어 기능에는 설계된 부품과 동일한 환경 내에서 지원 구조 생성, 사후 처리를 줄이고 값비싼 오류를 방지하기 위한 고급 열-기계 시뮬레이션, 큰 변형 식별, 과도한 가열 및 박리, 검증 및 준비된 파일 생성 기능이 포함됩니다. 3D 프린팅용.

폴리머 3D 프린팅 분야에서 2013년 MSC Software Corporation에 인수된 e-Xstream은 폴리머 및 복합 AM 기술에 중점을 둔 몇 안 되는 회사 중 하나입니다.

이 회사는 FDM 및 SLS 프로세스 시뮬레이션을 위한 Digimat-AM 소프트웨어 솔루션을 개발했습니다. 이 프로그램은 뒤틀림과 같은 인쇄 문제를 예측하고 왜곡을 보정하는 데 도움이 됩니다. 또한 최신 버전의 Digimat 2019.0은 DSM, Solvay Specialty Polymers 및 Stratasys Inc.의 재료 시스템에 대한 섬유 강화 재료 모델의 시뮬레이션도 제공합니다.

장기적인 목표로 e-Xstream은 재료 모델링에 대한 전문성에 의존하여 다중 재료 인쇄를 처리할 것입니다.

부품을 처음에 올바르게 3D 프린팅할 수 있다는 것은 기술의 더 큰 채택에 영향을 미칠 핵심 요소 중 하나입니다. 미래에는 시뮬레이션 소프트웨어가 새로운 공정 모니터링 기능과 결합되는 것을 보게 될 것입니다. 이를 통해 엔지니어는 실시간 빌드 데이터로 예상되는 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있어 궁극적으로 더 높은 인쇄 성공률을 달성할 수 있습니다.

적층 제조 실행 시스템:워크플로 관리 및 추적 가능

지난 몇 년 동안 3D 프린팅은 프로토타이핑 및 소규모 배치 제조에 사용되는 프로세스에서 대규모 배치 생산으로 이동하기 시작했습니다. 이러한 변화는 기업이 증가하는 생산량을 관리하고 AM 운영을 보다 효율적으로 확장하는 데 도움이 될 수 있는 소프트웨어의 필요성을 보여주었습니다.

이는 AM 산업의 요구를 위해 특별히 개발된 MES(Manufacturing Execution System) 소프트웨어의 부상으로 이어졌습니다.

MES 소프트웨어는 요청 관리, 생산 일정 또는 후처리 계획과 같은 AM 워크플로의 점을 연결하는 데 도움이 됩니다. MES의 가장 중요한 목표는 성공적인 AM 생산에 필요한 제어를 제공하고, 기계 활용률을 최대화하고, 자동화를 도입하고, 추적성을 높이는 것입니다.

MES 소프트웨어 부문의 성장을 주도하는 주요 추세는 AM 부서의 개별 요구 사항에 맞춤화할 수 있을 만큼 충분히 유연하고 종단 간 플랫폼이 필요하다는 것입니다. 현재 이러한 솔루션을 제공하는 회사는 극소수에 불과합니다.

기기 연결성 소개

기업이 점점 더 업무를 디지털화함에 따라 기계와 기계 데이터의 네트워킹도 주요 요구 사항이 되고 있습니다. MES 소프트웨어는 이를 가능하게 하는 데 더 큰 역할을 할 것입니다. 다른 3D 프린터를 하나의 플랫폼에 연결할 수 있기 때문입니다.

예를 들어 AMFG는 EOS 및 HP와 같은 다양한 AM 시스템과의 기계 연결을 제공합니다. 이는 AM 시스템 사용자가 AMFG의 MES로 전체 AM 작업을 관리하는 동시에 소프트웨어 플랫폼을 통해 기계와 직접 연결할 수 있음을 의미합니다.

단일 플랫폼 내에서 기계를 연결하면 원활한 데이터 흐름이 가능해지며 AM을 산업화하는 데 필요한 추적성과 확장성을 제공할 수 있습니다.

MES 소프트웨어도 점차 다른 소프트웨어의 기능을 통합하고 있습니다. 예를 들어, 일부 솔루션은 STL 파일을 복구하고 인쇄용 모델을 준비하는 기능을 제공합니다.

또 다른 예는 품질 보증(QA) 관리 기능의 통합입니다. 예를 들어 AMFG의 MES 플랫폼을 사용하면 보고서, 데이터시트 또는 3D 이미지와 같은 문서를 가져와서 실제 3D 인쇄 부품과 비교할 수 있으므로 QA 요구 사항이 충족되는지 확인할 수 있습니다.

설계 소프트웨어와 마찬가지로 MES 플랫폼은 인공 지능(AI) 솔루션과 함께 사용할 수 있습니다.

3D 프린팅 워크플로는 데이터가 매우 많습니다. 즉, 주문 상태, 기계 및 재료 데이터에 대한 많은 정보가 있으며 모니터링하고 수집할 수 있을 뿐만 아니라 분석하고 조치를 취해야 합니다.

AI 알고리즘을 통합하면 소프트웨어에서 수집된 데이터를 분석하고 생산 운영을 개선할 수 있는 부분을 제안할 수 있습니다. 궁극적으로 주요 병목 현상이 있는 위치와 프로세스를 최적화하여 생산성을 높이는 방법에 대한 가시성을 높일 수 있습니다.

품질 보증 소프트웨어

많은 회사들이 3D 인쇄 부품을 생산에 사용할 수 있도록 검증하기 위해 노력하고 있습니다. 현재 QA 요구 사항을 충족하는 부품을 인증하는 가장 일반적인 두 가지 방법인 파괴 테스트와 CT 스캔은 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리고 낭비가 많으며 항상 정확한 결과를 제공하지는 않습니다.

QA 프로세스를 지원하는 보다 효율적인 방법은 프로세스 내 모니터링을 사용하는 것입니다. 일반적으로 공정 중 모니터링에는 3D 프린터 내부에 설치된 센서와 카메라와 센서에서 수집한 데이터를 분석하고 의미 있는 방식으로 전달할 수 있는 소프트웨어가 포함됩니다.

이러한 조합을 제공하는 회사는 Sigma Labs입니다. PrintRite3D®라고 하는 소프트웨어 패키지에는 INSPECT, CONTOUR 및 ANALYTICS 모듈이 있습니다. 예를 들어 INSPECT 모듈은 용융 풀(레이저가 분말을 가열하는 동안 생성된 용융 금속 액체 풀)을 측정하여 이상을 감지하고 예측할 수 있습니다.

Sigma Lab의 PrintRite3D 소프트웨어는 몇 안 되는 타사 솔루션 중 하나입니다. 대부분의 경우 금속 3D 프린터 제조업체는 자체적으로 QA 소프트웨어를 개발합니다. 그러나 QA 소프트웨어와 통합된 기계의 수는 여전히 실망스러울 정도로 적습니다.

예를 들어 EOSTATE MeltPool 도구와 VELO3D의 Sapphire 3D 프린터를 특징으로 하는 EOS 3D 프린터가 있으며 최근에 새로운 Assure 소프트웨어와 통합되었습니다.

기업이 부품 검증을 가속화하고 궁극적으로 인쇄 프로세스의 변동을 줄이기를 원함에 따라 품질 보증은 AM 세계의 새로운 표어가 되었습니다. 즉, 더 많은 QA 소프트웨어 솔루션이 등장해야 하며 이러한 추세는 이미 서서히 구체화되기 시작했습니다.

스포트라이트를 받는 AM 소프트웨어:빠르게 성장하는 부문

하드웨어에 비해 AM용 소프트웨어 개발은 ​​역사적으로 더뎠습니다. 또한 AM 소프트웨어 회사의 수가 훨씬 적어 이 부문에서 볼 수 있는 혁신 수준에 영향을 미쳤습니다.

그러나 업계가 계속 성숙해지고 시장에 더 고급 솔루션이 등장함에 따라 지난 몇 년 동안 이는 극적으로 바뀌었습니다. CAD에서 시뮬레이션, 워크플로우 솔루션에 이르기까지 소프트웨어는 AM을 생산에 더 빠르고 쉽게 가져갈 수 있도록 개발되고 있습니다.

앞으로 이러한 진행 속도는 가속화되어 AM이 진정한 디지털 제조 솔루션이 되는 데 도움이 될 것입니다.