알테어 전문가 Ravi Kunju가 3D 프린팅을 위한 고급 시뮬레이션 소프트웨어에 대해 논의합니다.

더 간단하고 빠른 디자인 준비 워크플로우를 달성하는 것은 3D 프린팅 업계에서 지속적인 탐구였습니다. 적층 제조를 위한 설계는 고유한 과제와 기회가 있는 복잡한 프로세스입니다.

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‍ 따라서 엔지니어가 AM의 설계 유연성을 최대한 활용할 수 있도록 관련 도구가 필요합니다. 알테어는 이러한 솔루션을 개발하는 회사 중 하나입니다. 알테어는 제품 개발, 고성능 컴퓨팅, 데이터 분석 분야에서 소프트웨어와 클라우드 솔루션을 제공하는 글로벌 기술 회사입니다.

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이번 주 전문가 인터뷰에서는 알테어의 시뮬레이션 기반 설계 부문 비즈니스 개발 및 전략 수석 부사장인 Ravi Kunju와 이야기를 나눕니다. Ravi를 통해 우리는 최근 출시된 Altair Inspire Print3D 소프트웨어 도구, 3D 프린팅용 시뮬레이션 소프트웨어의 현재 상태에 대해 자세히 알아보고 알테어 솔루션이 지원하는 흥미로운 AM 애플리케이션을 살펴봅니다.

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알테어와 귀하가 해결하고 있는 과제에 대해 조금 말씀해 주시겠습니까?

우리는 제품 디자인, 제품 개발, 고성능 컴퓨팅 및 데이터 분석 분야에서 소프트웨어와 클라우드 솔루션을 제공하는 글로벌 기술 회사입니다.

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우리의 비전과 우리가 사업을 시작한 30년 이상 동안해온 일은 시뮬레이션 기술, 데이터 분석 솔루션, 업계 최고의 설계 최적화 솔루션을 통해 제품 및 비즈니스 의사 결정을 변화시키는 것입니다.

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저는 알테어의 시뮬레이션 기반 설계 제품을 담당하고 있습니다.

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최근 Altair Inspire Print3D 소프트웨어를 출시하셨습니다. 귀하가 제공하는 다양한 소프트웨어 솔루션에 대해 설명해 주시겠습니까?

Altair Inspire Print3D는 우리가 제공하는 많은 솔루션 중 하나일 뿐입니다. 알테어는 수년 동안 최적화 분야의 선두주자였습니다. 판금 성형, 주조, 압출, 사출 성형 등 모든 종류의 제조 방법에 대한 설계를 생성하기 위해 당사의 최적화 기술을 사용하는 고객이 있습니다. 또한 그들은 우리의 기술을 사용하여 성능 요구 사항을 더 잘 이해하고 특히 제조 프로세스를 위한 생성적 설계를 만듭니다. 그러한 맥락에서 스펙트럼의 두 끝을 이해하는 것이 중요합니다. 하나는 디자인을 주도하는 것이고, 다른 하나는 제조하려는 디자인이 있을 때 발생하는 것입니다. 이러한 요소는 우리 플랫폼에 함께 제공됩니다. 우리가 Inspire 플랫폼을 통해 수행한 작업 중 하나는 시뮬레이션 기반 설계 프로세스를 전면에 도입하여 설계자가 제조 프로세스를 완전히 인식하면서 설계를 매우 쉽게 이해하고 추진할 수 있도록 하는 것입니다. 제조 프로세스와 디자인 요구 사항을 분리하는 것은 신중하지 못하기 때문에 플랫폼을 통해 모든 프로세스를 하나의 단일 환경에 배치했습니다.

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그래서 Inspire Print3D는 두 가지에 중점을 두고 있습니다. 하나는 Inspire 플랫폼을 통해 사용자가 모든 AM 프로세스에 맞게 특별히 디자인을 생성할 수 있다는 것입니다. 제조 프로세스를 충족하도록 설계를 유도하는 특정 제조 규칙(제약 조건)을 사용합니다. 두 번째는 모든 성능 요구 사항을 취합하고 이를 결합한 다음 고급 수치 방법을 사용하여 선택적 레이저 용융(SLM), 융합 증착(FDM), 바인더 제팅(MJF) 또는 와이어 아크 적층 가공(WAAM)을 위한 설계를 자동으로 생성하는 것입니다.

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따라서 Print 3D 모듈을 사용하면 디자인을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 새로 만든 디자인의 성능을 가상으로 검증하는 데도 도움이 됩니다.

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Altair Inspire Print3D 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션 [이미지 출처:Altair]

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Print3D의 첫 번째 릴리스를 통해 사용자는 선택적 레이저 용융 공정을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 환경에는 고급 열-기계 시뮬레이션이 내장되어 있어 왜곡, 높은 응력 및 이와 관련된 파열과 같이 3D 프린팅 중에 발생할 수 있는 제조 문제를 평가합니다. 디자이너는 디자인을 생성하고 지지 구조를 추가하며 인쇄하기 전에 단일 환경 내에서 모든 문제를 해결할 수 있습니다. 우리가 보는 가장 큰 이점은 오늘날 고객이 AM에서 무엇을 하고 있는지 살펴보면 일반적으로 최적의 설계를 생성하기 위한 차선책 접근 방식을 가지고 있다는 것입니다. 또한 설계가 완료되면 부품을 프린트할 수 있도록 지지 구조를 설치한 다음 나중에 문제가 있음을 발견합니다. 이 모든 단계에는 별도의 소프트웨어 솔루션이 있습니다.

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알테어는 사용자가 단일 환경 내에서 부품을 설계하고 평가할 수 있도록 하여 이러한 모든 것을 제거합니다. 오늘날 금속 AM과 관련된 비용의 약 45%가 지지대 제거에 기인한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 우리의 설계 규칙(제약 조건)을 효과적으로 사용하면 최종 사용자가 지원이 최소화되거나 전혀 없는 설계를 만들 수 있습니다. 또한 사용자는 지지 구조를 만들고 열역학적 시뮬레이션을 통해 그 효과를 이해할 수 있습니다. 여기서 우리는 빌드, 냉각, 지지대 제거를 시뮬레이션하고 후속 스프링백 및 관련 왜곡을 예측하고 다운스트림 오류를 방지할 수 있습니다. 이것이 바로 Inspire Print3D가 하는 일입니다. 이를 통해 최종 사용자는 단일 환경에서 디자인을 아이디어, 평가 및 검증할 수 있습니다. 따라서 Altair Inspire는 최종 사용자가 가볍고 고성능 디자인을 만드는 동시에 생산성을 향상할 수 있도록 도와줍니다.

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AM용 설계, 시뮬레이션 및 토폴로지 최적화 소프트웨어의 현재 상태를 어떻게 설명하시겠습니까?

알테어는 적층뿐 아니라 모든 제조 공정에서 수년 동안 토폴로지 최적화 및 생성 설계 분야의 선두주자였습니다. 우리는 최적의 디자인을 만들기 위해 매일 우리 제품을 사용하는 5,000명 이상의 고객을 보유하고 있습니다. 그러나 모든 생성적 디자인 도구가 동일한 것은 아닙니다. 우리는 주요 문제를 해결하기 위한 최고의 수치적 방법을 보유하고 있으며, 다양한 성능 기준을 취하고 사례를 함께 로드하며 이를 제조 제약 조건과 결합하여 해당 설계 프로세스에 매우 특정한 설계를 만드는 유일한 회사입니다. 설계를 추진하고 생성하려면 성능 요구 사항과 제조 프로세스라는 두 가지 사항을 잘 이해해야 합니다. 예를 들어, 금속 주조를 하고 있고 희생적이고 비용이 많이 드는 코어를 갖고 싶지 않거나 다이 캐비티에서 패턴을 효율적으로 제거하기 위해 언더컷이 없는 모양을 만들고 싶은 경우 경량 설계를 생성하려면 올바른 제조 제약 조건을 고성능 제조와 결합해야 합니다. 유기적인 디자인을 생성할 수 있는 도구가 많이 있으며 사람들은 이것이 필요한 전부라고 생각하는 경향이 있습니다. 그러나 사실 이것은 시작에 불과합니다. 왜냐하면 제조 프로세스와 특정 프로세스에 대한 최적의 설계가 무엇인지 확실히 이해하고 싶기 때문입니다. 제조 요구 사항을 이해하지 못하면 최적의 형상을 생성하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 생성 설계 공간에는 사용할 수 있는 수치적 접근 방식이 많이 있습니다. 예를 들어, 일부 설계 변수를 교란하고 수천 개의 설계를 생성한 다음 '이러한 다양한 모양과 크기를 모두 다양하게 만들어 수천 개의 설계를 제공하고 각각을 평가한 다음 가장 좋은 것을 식별할 것입니다.'라고 말할 수 있습니다. 특정 구성요소 수준 최적화의 경우 이는 차선책이고 시간 소모적이며 비용이 많이 들 수 있습니다. 좋은 해결책을 얻지 못할 수도 있습니다. 오늘날 시뮬레이션 측면에서 AM은 주로 프로토타입 제작에만 국한되어 왔습니다. 그러나 알테어는 고객이 일회성 부품 이상을 만드는 프로세스를 혁신할 수 있도록 돕기 위해 노력해 왔습니다. 바인더 젯팅과 같은 다른 방법론을 살펴볼 수 있나요? 샌드 프린팅을 한 다음 주물을 모래 주형에 붓는 하이브리드 주조를 살펴볼 수 있나요? 귀하의 역량을 역량으로 전환하기 위해 이러한 옵션 중 일부를 살펴볼 수 있습니까?

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이것이 바로 고유한 제조 요구 사항을 깊이 이해하려는 우리의 노력이었습니다. 오늘날 우리는 최신 설계 제조 방법을 사용하여 고성능 경량 부품은 물론 툴링 및 조립 분야의 선두주자입니다.

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부분적으로는 귀하의 디자인 소프트웨어 덕분에 달성한 몇 가지 적용 사례에 대해 말씀해 주실 수 있습니까?

가장 먼저 채택한 기업은 위성 및 항공우주 회사였습니다. 왜냐하면 물량이 많지는 않았지만 고도로 최적화되고 가벼운 설계가 필요했기 때문입니다. 우리는 복잡한 하중이 작용하는 EADS용 망원경 브래킷 및 기타 브래킷을 EOS로 설계했습니다.

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우리는 또한 프로토타입 제작을 위한 실행 가능한 옵션으로 적층 제조를 모색하고 있는 BMW, Ford, GM 등 전 세계의 수많은 기업을 포함한 자동차 기업과 협력하고 있습니다. 이를 세분화하면 직접 3D 프린팅뿐만 아니라 전통적인 제조와 적층 제조가 결합된 풍부한 하이브리드 제조도 볼 수 있습니다. 예를 들어, 주조용 코어와 주형을 샌드 3D 프린팅한다는 의미입니다.

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두 번째 영역은 플라스틱 사출 성형용 금형입니다. 제거해야 하는 플래시를 유발하는 가압 사이클 중에 캐비티를 형성하는 금형 어셈블리가 분리되지 않는 것이 중요합니다. 전체 금형은 생성 설계를 사용하여 구조적으로 최적화되어 하중 하에서 무결성을 유지할 수 있습니다. 구조적 최적화 외에도 급속 냉각이 필요한 영역을 감싸는 형상적 냉각 라인을 통해 열 추출을 최적화할 수도 있습니다. 이러한 유기 구조는 3D 프린팅에 이상적입니다. 우리는 이러한 예에서 PROTIQ과 협력하여 사이클 시간을 거의 9초에서 3초로 단축할 수 있습니다. 따라서 하루에 백만 개의 부품을 만든다면 하루에 300만 개의 부품을 만들 수 있습니다. 이는 사출 성형 공정에 맞게 금형을 최적화하여 생산성을 3배 높일 수 있다는 의미입니다.

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우리는 또한 로봇 팔 끝 그리퍼에 설계 최적화 및 3D 프린팅이 사용되는 수많은 응용 분야가 있는 로봇 산업과 협력하고 있습니다. 그리퍼는 매우 빠르게 마모되는 경향이 있으므로 조립 라인 중단을 방지하려면 즉시 교체해야 합니다. 매우 큰 구조물의 경우  최근 3D 프린팅 로봇 팔에 대해 MX3D와 협력했습니다. MX3D는 독점적인 와이어 아크 기반 기술을 사용하여 대형 금속 구조물을 제작하는 3D 프린팅 회사입니다.

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Altair 소프트웨어의 도움으로 최적화된 MX3D의 RobotArm [이미지 출처:Altair]

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당사의 소프트웨어 지원 MX3D는 인쇄 제약 조건을 고려하면서 로봇 팔 설계를 최적화하여 원래 무게의 절반 이상을 줄였습니다. 이 프로젝트에서 우리 엔지니어들은 생성적 설계 사용자 정의를 사용하여 3D 프린팅된 로봇 팔의 가장 효율적인 형태를 찾아냈습니다. 또한 3D 프린팅의 이점을 누릴 수 있는 국방 애플리케이션도 많이 있습니다. 예를 들어, 전투 차량의 일부가 파손된 경우 교체 부품이 도착할 때까지 기다리지 않고 이 부품을 로컬에서 즉시 인쇄할 수 있기를 원합니다. 이는 특히 도면이 없는 기존 부품의 경우에 해당됩니다. 우리의 솔루션은 의료용 3D 프린팅 분야에서도 사용됩니다. 예를 들어 교정기 회사인 Andiamo는 3D 프린팅을 사용하여 더 잘 맞는 교정 장치를 만들고 있습니다. 보조기를 만드는 전통적인 방법은 몸통의 사지를 석고로 감싼 다음 잘라내어 수작업으로 제작하는 것입니다. Andiamo의 프로세스에서는 석고 모형이 필요하지 않으며 대신 신체의 디지털 3D 스캔으로 시작하여 설계를 시작할 수 있는 매우 정확한 모델을 만듭니다. 이 과정에는 어린이에게 완벽한 핏을 보장하기 위해 수많은 시뮬레이션도 포함됩니다. 또한 바인더 젯팅과 같은 3D 프린팅 프로세스에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 우리는 Desktop Metal 및 ExOne과 같은 이 분야의 일부 파트너와 협력하고 있습니다. 우리는 Formnext에서 바인더 젯팅 애플리케이션을 선보였는데, 여기서 FDM, SLM, 하이브리드 캐스팅 및 바인더 젯팅 공정을 통해 자전거 브래킷을 만드는 전체 과정을 살펴보았습니다.

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업계를 보다 일반적으로 살펴보면 2020년 주요 발전 사항은 무엇이라고 보시나요?

업계는 매우 빠르게 움직이고 있습니다. AM 행사에 갈 때마다 프린터 제조업체와 재료 공급업체의 수가 매년 거의 두 배로 늘어나고 있는 것이 분명합니다. 경쟁이 치열해짐에 따라 비용이 절감될 것이라는 점은 매우 긍정적입니다. 이는 현재 적층 제조 측면에서 큰 방해 요소입니다. 점점 더 많은 플레이어 수가 최종 소비자에게 도움이 될 것입니다.

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예를 들어 치과 산업을 살펴보자. 이는 가장 성숙한 방법 중 하나입니다. 소비자가 새 크라운을 고정하기를 원할 경우 치과 의사가 간단히 치아를 스캔한 후 2~3일 안에 스캔을 인쇄하도록 보내기 때문입니다. 이러한 사이클은 다른 산업에서도 달성되어야 합니다. 그리고 이것이 바로 모두가 2020년에도 계속해서 노력할 것입니다.

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3D 프린팅 채택을 더욱 가속화하기 위해 여전히 극복해야 할 과제가 있다고 생각하시나요?

서로 얽혀 있는 여러 가지 과제가 있습니다. 첫 번째는 비용입니다. 비용은 어떤 유형의 제조 방법을 사용해야 하는지 결정하는 부품 크기 및 생산량과 분명히 관련되어 있습니다. 예를 들어 첨가제 내에서도 선택적 레이저 용융이나 금속 바인더 제팅을 사용할 수 있습니다. 두 번째 측면은 인증입니다. 부품이 하중을 견디는 부품인지 안전에 중요한 부품인지에 따라 부품을 어떻게 인증할 수 있습니까? 그리고 반복성 수준은 무엇입니까? 오늘날의 과제는 비용을 통제할 수 없고 반복성이 낮다는 것입니다. 부품이 특정 프린터에서 인쇄되는 경우 해당 부품이 다른 프린터와 다른 위치에서 인쇄되면 동일한 사양을 얻을 수 있습니까? 부품이 정확히 동일하게 작동할 확률은 얼마나 됩니까? 이로 인해 미시적 수준에서 진행되는 물리학을 정확하게 모델링할 수 있는 과제가 발생합니다. 이는 사용자가 최종 부품이 다양한 플랫폼과 위치에서 일관되게 인쇄될 수 있다고 확신할 수 있는지에 대한 의문을 제기합니다. 업계 전반의 표준과 재료 품질 인증 측면에서 수행해야 할 작업이 너무 많습니다. 재료 공급업체, 프린터 제조업체, 소프트웨어 제공업체 등 모두가 함께 모여 경부하 또는 중하중 안전 필수 부품에 허용되는 공차에 관한 특정 표준을 수립해야 합니다. 내부 다공성 및/또는 외부 표면 품질을 충족하는 측면에서. 주조, 단조, 판금 등의 역사를 살펴보면 수년에 걸쳐 미국 주조 협회(American Foundry Society)와 같은 협회가 모두 관련되어 있었습니다. 모든 사람을 하나로 모아 표준을 만드는 데 전념하는 조직이 많이 있습니다. 오늘날 AM 시장은 모든 분야에서 폭발적으로 성장하고 있지만 결국에는 모든 것이 함께 모여 표준을 만들고 모든 업계 참여자가 동일한 입장에 있도록 해야 합니다.

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마지막으로 알테어의 내년은 어떻게 될까요?

우리는 사용자를 위한 더 많은 시뮬레이션 솔루션을 계속 개발할 것입니다. 적층 제조 공정의 경우, 우리는 기술 사용자가 공정을 검증하고 그에 따른 불확실성을 이해하는 데 도움이 되는 솔루션을 계속 개발할 것입니다. 궁극적으로 우리는 성능을 이해하고 두 가지를 결합하여 디자인을 만드는 세 가지 주요 요소에 중점을 둡니다. 성능 및 제조 공정 자체. 이 모든 과정은 서로 밀접하게 이루어져야 하며, 우리는 고객이 성능과 제조 프로세스를 최대한 정확하게 검증하여 설계를 추진할 수 있도록 돕는 임무를 계속 수행할 것입니다. 우리는 계속해서 물리학과 고성능 컴퓨팅 및 데이터를 결합할 것입니다. 물리학을 이해함으로써 해결할 수 있는 문제도 있고 기계 학습을 통해 해결해야 하는 문제도 있기 때문에 이 모든 문제를 하나로 묶어야 합니다. 우리는 우리가 개발 중인 모든 기술을 결합하여 고객이 더 나은 결정을 내리고 더 나은 제품 성능을 발휘할 수 있도록 지원한다는 최종 목표를 바탕으로 고객을 위해 더욱 효율적이고 수익성 있는 업무를 제공하기 위해 노력할 것입니다.