첨단 적층 제조 소프트웨어로 생산 극대화

새로운 CAD/CAM 프로그래밍 및 시뮬레이션 소프트웨어가 적층 제조 공정 해결에 어떻게 도움이 되는가

제조 영역에서 적층 제조(AM) 공정은 여전히 새로운 아이입니다. 적층이 수십 년 전부터 존재했지만, 비교적 최근까지 주로 프로토타이핑 애플리케이션과 단기 생산 용도로 제한되었습니다. 그러나 최신 금속 적층 공정으로 AM의 잠재력이 극적으로 확장되었습니다. 단순한 흥미로운 기술에서 GE와 록히드 같은 주요 제조업체가 항공기 엔진용 금속 AM 부품과 기타 미션 크리티컬 구성요소와 어셈블리를 제작하는 데 사용하는 더 현실적인 생산 공정으로 확장되었습니다. AM 공정이 대중화됨에 따라 새로운 CAD/CAM 프로그래밍 소프트웨어와 관련 시뮬레이션 패키지가 적층의 레이어별 공정 문제를 해결하고, 생성 설계와 훨씬 더 광범위한 3D 시각화 및 위상 최적화 기술로 적층 워크플로 도구를 추가하며 제조업체를 지원합니다. 이러한 새로운 소프트웨어 패키지 다수는 새로운 하이브리드 적층/절삭 공작기계 클래스 지원도 목표로 합니다.

불가능을 가능하게

새로운 적층 솔루션의 핵심 목표 중 하나는 훨씬 개선된 설계를 생성하는 것입니다. 적층에서의 CAD/CAM 프로그래밍은 제품 개발 엔지니어가 이전에 제조 불가능하다고 여겨진 부품을 설계하는 것을 더 쉽게 만듭니다. "오토데스크는 설계 최적화부터 빌드 준비, 시뮬레이션, 후처리까지 적층 제조를 위한 완전한 엔드투엔드 워크플로를 구축해 설계자와 엔지니어가 프로토타이핑에서 양산으로 이동하도록 돕습니다."라고 오토데스크 적층 제조 및 복합재 비즈니스 개발 및 전략 두안 스콧은 말했습니다. "이제 생성 설계를 추가해 설계자가 이전에는 불가능했던 방식으로 AM의 잠재력을 완전히 탐구하고 실현할 수 있게 합니다."

AM의 양산 능력은 핵심 발전이라고 스콧은 언급했습니다. "산업이 새로운 소재와 공정으로 진화함에 따라 용례도 소형, 복잡 및/또는 맞춤형 부품에서 저가 기계와 소재가 시장에 진입함에 따라 대형 부품으로 확대될 것입니다."라고 그는 덧붙였습니다. "하드웨어 비용이 주요 특허 만료로 극적으로 하락하는 것을 보았습니다. 먼저 FDM(융착 적층 모델링) 기계가 4만 달러에서 400달러로, SLA(광조형) 기계가 비슷한 가격에서 3,000달러로, 이제는 SLS(선택적 레이저 소결) 기계가 15만 달러에서 1만 달러로 하락했습니다. 이제 금속 적층 공정의 새로운 물결을 보고 있습니다. 이전에는 단일 기계 설정에 100만 달러가 들었지만, 새 기계는 이제 약 10만 달러에 구매할 수 있습니다. 부품 생산에 필요한 투자의 이러한 대규모 감소는 현재 비교적 작은 시장을 극적으로 확대할 것입니다."

AM 공정 소프트웨어에 생성 설계 역량을 추가하면 설계자에게 상당한 이점을 줄 것이라고 스콧은 주장했습니다. "생성 설계는 기존 CAD 소프트웨어로는 개념화하거나 실행할 수 없는 설계 제약과 제조 공정을 기반으로 솔루션을 탐구하게 합니다."라고 그는 말했습니다. "단순히 기존 지오메트리를 가져와 FEA(유한 요소 분석) 솔버로 질량을 단일 최적화 설계로 줄이는 위상 최적화 이상으로, 생성 설계는 여러 목적과 여러 제조 공정을 기반으로 기하학적 솔루션을 생성해 여러 솔루션을 제공합니다. 이 솔루션들은 지오메트리를 더욱 정제하기 위해 반복될 수 있으며, 그대로 제조되거나 제공된 솔루션을 기반으로 설계자의 설계 접근법을 안내하는 가이드로 사용될 수 있습니다."

내년 초, 오토데스크는 현재 베타 테스트 중인 네트팹 2018 적층/3D 프린팅 소프트웨어의 차기 버전을 출시할 예정이며, 여기에는 생성 설계 기능을 포함한 새로운 기능이 추가될 것입니다. "전통적 절삭 공정과 적층 제조의 연결고리는 둘 다 설계 엔지니어의 요구사항을 충족하는 최적의 기계 제어를 만들기 위해 특정 기계와 소재 조합에 대한 깊은 이해가 필요하다는 점입니다."라고 스콧은 말했습니다. "대부분의 금속 AM 부품이 프린팅 후 절삭 가공되어 조립에서 다른 부품과 인터페이스하는 부분의 표면 품질과 공차를 보장하는 것도 중요합니다." 오토데스크는 적층과 필수적인 절삭 후공정 모두에 동일한 CAD 파일을 사용할 수 있는 완전한 워크플로를 제공한다고 그는 덧붙였습니다.

"적층과 절삭 같은 별도 공정을 제조 워크플로에 결합하는 것은 일반적으로 여러 단계, 종종 다른 기계에서 이루어집니다. 이는 정확하고 자동화되어야 합니다. 설계와 엔지니어링 의도에서 시작해 각 단계에서 일어날 일을 시뮬레이션하는 디지털 프로세스 스레드가 있습니다. 원본 데이터를 기반으로 구축해야 합니다."라고 스콧은 말했습니다. "실제 세계에서 진행 상황을 모니터링하고, 검사와 적응형 또는 피드백 루프를 사용해 변동을 감지하고 보상해야 합니다. 이러한 공정들도 연결되어야 합니다."

작년 가을, 지멘스 PLM 소프트웨어(텍사스주 플라노)가 'NX를 활용한 적층 제조' 솔루션을 발표했고, 올해 초 지멘스 부품 제조 플랫폼을 추가했습니다. 이는 적층 부품 구매자와 판매자를 매칭하는 온라인 협업 서비스입니다. 4월에는 지멘스 AG(뮌헨) 소유의 소프트웨어 개발사가 오랜 적층/3D 프린팅 소프트웨어 제공업체 머티리얼라이즈 NV(벨기에 루벤)와 광범위한 기술 파트너십을 발표했습니다. 머티리얼라이즈 매직스 3D 프린트 스위트 AM 소프트웨어가 지멘스 NX 소프트웨어와 완전히 통합됩니다. 이 결합은 지멘스 PLM의 NX 핵심 CAD/CAM/CAE 강점(시뮬레이션 기반 최적화 도구를 포함한 광범위한 설계 역량)과 머티리얼라이즈의 전문성을 결합한다고 지멘스 PLM 제조 엔지니어링 소프트웨어 마케팅 선임 디렉터 아론 프랭클은 말했습니다.

지멘스의 적층 전략은 NX를 활용한 적층 제조로 시작하는 세 기둥을 특징으로 합니다. 여기에는 회사의 NX와 팀센터 PLM 제품이 포함된다고 지멘스 PLM 제조 엔지니어링 그룹 부사장 안드레아스 사르는 말했습니다. "이것이 우리가 디지털 체인이라고 부르는 것이며 미래로 나아가는 핵심입니다."라고 사르는 말했습니다. 지멘스는 3-6개월 주기로 소프트웨어 업데이트를 릴리스하며, EOS, 스트라타시스, DMG 모리, HP 등 많은 적층 기업과 협력하는 새로운 프린터 인터페이스를 제공할 것이라고 그는 말했습니다.

"우리의 의도는 적층을 산업 단계로 앞당기는 것입니다."라고 사르는 말했습니다. 머티리얼라이즈를 지멘스의 대규모 NX 산업 설치 기반에 통합합니다. 예로는 GE가 항공기 엔진용 대형 노즐 생산에 적층을 사용하는 것입니다. "설계자와 시뮬레이션 엔지니어 사이 20-30명 소규모 그룹이 이를 해냈고, 아마 4000명 설계 엔지니어가 있을 것입니다. 우리의 목표는 그것을 크게 확대하는 것입니다. GM에 1만 개 설계 시트가 있습니다. 이 사람들이 적층 제조를 다시 생각해야 합니다."

"시장에서 중견 및 대기업이 적층 제조 워크그룹을 만들어 기술을 이해하는 것을 봅니다."라고 프랭클은 말했습니다. "큰 학습 곡선이 있습니다. 기업들은 다양한 분산 기술을 도입해 무엇이 작동할지 보지만, 그런 애드혹 환경은 확장되지 않습니다. 기업들은 엔드투엔드 솔루션이 필요하며, 단일 솔루션으로 그 데이터와 프로세스를 관리할 수 있어야 합니다."

하이브리드 적층 가공의 부상

많은 새로운 적층용 CAD/CAM 솔루션은 DMG 모리와 마작의 제품을 포함한 최신 하이브리드 적층/절삭 공작기계의 프로그래밍이나 시뮬레이션에 초점을 맞춥니다. AM 구성요소는 근사 형상이 아니며 중간에서 광범위한 마무리가 필요하므로 하이브리드는 많은 공작기계 사용자에게 실용적 접근입니다. 하이브리드 기계는 비싸지만 최근 더 저렴해졌습니다.

지멘스의 전략은 특히 DMG 모리와 마작 같은 회사의 파트너 하이브리드 장치를 포함해 모든 AM 기계를 지원하는 것을 목표로 합니다. "직접 에너지 증착, 레이저 빔 용접, 분말 베드 퓨전 같은 기존 솔루션을 지원합니다."라고 지멘스 PLM의 프랭클은 말했습니다. 이 기술들 중 사르는 가장 일반적인 것이 분말 베드 퓨전이며, 지멘스는 HP의 새로운 멀티젯 퓨전(2D 프린터에 노즐 사용)을 지원한다고 말했습니다. 이 기계는 단일 색상으로 프린트하지만 다중 색상 프린트가 가능해질 3D 복셀 기술이 있습니다. "미래는 매우 확장 가능합니다."라고 사르는 말했습니다.

하이브리드 기계는 많은 CAD/CAM 개발자에게 매력적이며, 베로 소프트웨어(영국 레딩)는 내년 4월쯤 자사 엣지캠과 기타 CAM 소프트웨어용 하이브리드 적층 가공 모듈을 릴리스할 계획이라고 전략 제품 디렉터 라파엘 로바토는 말했습니다. 직접 에너지 증착, 수리, 피처 성장, 클래딩이 이 유형 소프트웨어의 초점 영역이라고 그는 언급했습니다. "적층을 최대한 활용하려면 적층만으로는 살 수 없습니다. '추가' 영역은 때때로 절삭으로 준비되어야 하고 마지막으로 재료 추가 후 보통 절삭으로 마무리해야 합니다."라고 로바토는 말했습니다.

많은 적층 공정 개선을 위해 더 많은 연구가 필요하다고 그는 언급했습니다. "실제로 그들은 아직 재료를 효과적으로 추가하는 방법을 모릅니다."라고 로바토는 직접 에너지 증착을 설명하며 말했습니다. "부품에 재료를 추가하면 완벽하게 나오지 않습니다." 증착된 재료는 근사 형상에 가깝지 않아 부품을 완성하기 위해 절삭 마무리 가공 공정이 필요합니다. "좋은 소식은 테스트에서 이 공정으로 증착된 적층 재료가 기본 소재보다 더 단단하다는 것입니다. 일부 경우 100%에 가까운 밀도 금속이 이러한 클래딩 작업에서 금속 구성요소에 추가됩니다."라고 로바토는 말했습니다.

한 예로 항공기 터빈 블레이드 수리는 블레이드 균열에 금속만 추가하는 대신 부품에서 V자형 재료 조각을 절삭해내는 것이 필요했습니다. "다시 절삭 작업이 필요함을 볼 수 있습니다."라고 로바토는 말했습니다. 때때로 절삭과 적층 공정 둘 다 작업 완료에 필요하다는 데 동의했습니다. "그게 우리의 믿음입니다. 또한 재료 추가는 엄청나게 오래 걸립니다."

기술 개선(소프트웨어와 하드웨어), 속도, 유연성, 물론 비용이 적층 성장에 필수적이라고 로바토는 말했습니다. "우리는 크라켄 프로젝트(https://krakenproject.eu/)에 참여 중입니다. 이는 기존보다 높은 정확도 솔루션으로 로봇에 의한 대형 부품 적층 제조에 관한 것입니다."

또 다른 새로운 진입자는 DP 테크놀로지(캘리포니아주 카마릴로)로, 8월 금속 적층 제조를 위한 에스프릿 적층 소프트웨어 스위트를 발표했습니다. 이 소프트웨어는 시간 소모적인 적층 프로그래밍 과정을 단 몇 단계로 단순화한다고 합니다.

"오늘날 CAD/CAM 소프트웨어는 멀티태스킹, 다기능, 다채널, 밀-턴, 적층 및 절삭 공작기계에 대한 강력한 프로그래밍을 제공해야 하며, 적층과 절삭 공정이 단일 사용자 친화적 인터페이스에서 함께 프로그래밍, 최적화, 시뮬레이션되어야 합니다."라고 DP 테크놀로지 수석 부사장 척 매튜스는 말했습니다. 새로운 에스프릿 적층 모듈은 2018년 중반 출시 예정입니다. DP 테크놀로지는 DMG 모리와 마작과 강력한 파트너십을 맺고 있으며, 해당 기업 하이브리드 기계 사용자를 위한 적층 프로그래밍을 제공할 것입니다.

크레오 4.0에서 PTC(매사추세츠주 니덤)는 경량 구조 설계와 최적화를 위한 기능, 프린트될 부품, 위치, 소재, 색상 등을 저장할 수 있는 새로운 어셈블리 하위 유형 정의 등을 포함하는 적층 제조 플랫폼을 출시했다고 크레오 제조 및 시뮬레이션 애플리케이션 제품 매니저 호세 코로나도는 말했습니다. 적층 솔루션에는 3D 프린터 역량에 대한 설계자에게 직접 피드백을 제공하는 연결 기능도 포함되어 설계 단계에서 고려됩니다.

"크레오 사용자의 높은 비율이 현재 적층 제조 파일럿 프로젝트를 구현 중이거나 구현 고려 중이라고 말했습니다."라고 코로나도는 말했습니다. "또한 고객 구내에 이미 있는 많은 플라스틱 프린터가 프로토타입 작업에서 툴링과 고정구 제작으로, 또는 직접 최종 부품 생산으로 전환되고 있습니다. 이 전환의 활성화 요인 중 하나는 크레오의 새로운 기능으로 엔지니어가 최적화된 격자를 설계하고 스트라타시스와 3D 시스템즈 플라스틱 프린터에 직접 연결할 수 있게 된 것입니다.

"PTC의 크레오 로드맵에는 더 많은 격자 유형, B-Rep(경계 표현) 모델에 통합된 위상 최적화, 금속 프린팅 공정 지원 등이 포함되며, 크레오를 떠나지 않고 모든 것이 가능합니다."라고 그는 계속했습니다. "하지만 사용자들은 기다릴 필요 없습니다. PTC의 현재 적층과 절삭 기능은 CAD 모델과 원활하게 통합되어 공존합니다. 동일한 3D 모델로 트레이 어셈블리를 준비해 하나 또는 여러 부품을 프린트할 수 있습니다. 그런 다음 드릴링, 페이스 밀링, 디버링 같은 후처리가 필요하면 동일한 3D 모델로 해당 NC 툴패스를 생성합니다."

적층 초기 개척자인 3D 시스템즈(사우스캐롤라이나주 록 힐)도 작년 출시된 3DXpert 금속 적층 제조 소프트웨어와 함께 적층 및 절삭 제조 전문성을 제공한다고 깁스캠 3D 시스템즈 제품 매니저 대니얼 레메낙은 말했습니다. "3DXpert는 프린트 준비, 서포트와 구조 최적화, 슬라이싱, 후프린팅 작업까지 금속 적층 제조를 위한 올인원 소프트웨어 솔루션입니다."

마스터캠 개발사 CNC 소프트웨어는 적층 전용 모듈을 출시하지 않았지만, "기술이 계속 확장됨에 따라 현재와 미래에 고객에게 가장 유용한 적층 소프트웨어 접근이 무엇인지 평가 중"이라고 CNC 소프트웨어(코네티컷주 톨랜드) 선임 시장 분석가 벤 문드는 말했습니다.

"표면 마감 초기 문제는 극적으로 개선되었고, 이용 가능한 소재도 고온 및 구조 소재, 유연 소재, 복합재에 더 많은 개발이 진행되며 개선되었습니다. 이러한 문제들이 개선됨에 따라 공정은 더 많은 곳에서 사용될 것입니다."라고 문드는 말했습니다. "더 저렴한 금속 프린팅도 산업을 앞당길 것입니다. 이제 새로운 유형의 더 저렴한 기판 주입 금속으로 그것이 일어나고 있는 것을 봅니다.

"적층과 절삭이 함께 사용될 곳도 많습니다."라고 그는 말했습니다. "이는 절삭 가공용 적층 고정구 제작부터 마무리 가공이 필요한 적층 부품 제작까지 범위가 다양합니다. 물론 절삭으로는 불가능한 부품도 항상 있을 것이며, 그곳에서 적층이 유일한 선택입니다."

오픈 마인드 테크놀로지스 USA(매사추세츠주 니덤)의 하이퍼밀 CAD/CAM 소프트웨어 개발사에서, 회사는 하이퍼밀 내 옵션인 적층 전용 모듈을 사용해 AM 공정을 지원할 역량이 있다고 매니징 디렉터 알란 레바인은 말했습니다. 오픈 마인드는 적층 가공에 거의 10년간 관여해왔다고 레바인은 덧붙였습니다. "우리의 초점은 레이저 기반 금속 증착 공정 프로그래밍 지원입니다. 이 노력은 우리의 첨단 5축 초점과 일치하며 고객 기반 피드백을 포함합니다. 오늘 우리는 기계 파트너와 주요 최종 사용자와 프로젝트에서 협력하고 신기술 구현과 확인을 위해 작업합니다. 우리의 공정은 절삭 가공용 패키지인 하이퍼밀의 지속적 개발과 정렬되어 이 작업이 현재 접근법 내에서 간소화되고 우아하게 수행될 수 있습니다."

적층 분말 베드 기계가 오늘날 더 큰 시장 세그먼드를 구성할 수 있지만, 오픈 마인드의 초점은 새로운 부품 제작(종종 5축 기계로)과 금형·다이, 에너지 분야 유지보수 및 수리에 적용되는 레이저 증착입니다. "레이저 증착 공정은 나중에 제거해야 하는 오버행을 지지하기 위한 공정 내 구조를 일반적으로 요구하지 않습니다."라고 레바인은 말했습니다. "또한 레이저 증착은 하이브리드 가공에 적합합니다."

약 1년 전, 오픈 마인드는 파트너이자 구성요소 모듈 개발사 머신웍스(영국 셰필드)로부터 적층을 위한 새로운 시뮬레이션 지원을 추가했습니다. "우리의 적층 공정 소프트웨어 개발은 핵심 사용자 및 기계 파트너와의 경험과 협력에 기반합니다. 오늘날 만들어지는 다양한 부품이 소프트웨어와 공정 워크플로의 개선으로 이어집니다. 적층 처리의 기본 요구사항(채우기 및 바운딩 경로, 시작점 제어, 레이저 트리거 관련)은 이미 소프트웨어에 구현되었습니다."라고 레바인은 말했습니다. "공작물 모델이 끊임없이 성장하고 증착 헤드가 적절한 분말 증착을 위해 특정 초점 거리를 요구하므로 충돌 검사 절차도 세심한 주의가 필요합니다."

NC 및 적층 공정 시뮬레이션

모든 제조 공정에서와 마찬가지로 금속 절삭과 성형 동작을 정확하게 시뮬레이션하는 것은 제조 품질과 툴링, 고정구, 공작기계 안전을 보장하는 데 필수적입니다. 최근까지 AM 공정을 적절히 시각화하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어 솔루션은 부족했습니다.

피츠버그 래피드/TCT 쇼에서 최신 베리컷 버전 8.1 NC 시뮬레이션, 검증, 최적화 소프트웨어가 적층 및 하이브리드 제조 작업 시뮬레이션과 연삭 시 연속 드레싱을 위한 새로운 역량을 도입했다고 CGTech(캘리포니아주 어바인) 베리컷 제품 매니저 진 그라나타는 말했습니다. "이 새로운 방법은 어떤 순서로든, 밀링, 선삭, 5축 가공 같은 전통적 절삭 방법과 함께, 사실상 모든 브랜드 CNC 기계에서 사용될 수 있습니다. 새 소프트웨어는 공작물 단면, X-캘리퍼 측정 도구, 포스 툴패스 최적화, 제조 공정 자동 문서화를 위한 리포트 설정 향상도 포함합니다."

"적층 제조의 매력은 설계자와 NC 프로그래머에게 많은 독특한 도전을 가져옵니다."라고 그는 계속했습니다. "사람들은 더 우수한 제품을 가능한 한 효율적으로 만들기 위해 다르게 생각하고, 설계하고, 프로그래밍하도록 스스로를 재교육하고 있습니다. 베리컷 같은 시뮬레이션 소프트웨어는 NC 프로그래머가 각 공정을 사용 순서대로 시각화하고 검증하고, 제조 전략을 비교하고, 기계, 툴링, 제작 중인 부품에 대한 비용이 많이 드는 충돌이나 손상을 방지하는 데 매우 귀중한 도구입니다." 하이브리드 기계는 일반적으로 비싸고 주어진 회사에서 공급이 제한적이라고 그는 덧붙였습니다. 레이저 및 기타 적층 장비의 수리 부품이나 기술자도 구하기 어려울 수 있습니다. "시뮬레이션 소프트웨어는 발생하기 전에 잠재적 문제를 완화하는 비용 효율적인 안전장치를 제공합니다."

적층 공정으로 생산된 부품을 프로그래밍하는 새로운 방법을 찾는 것은 NC 프로그래머에게 새로운 도전입니다. "적층, 절삭, 하이브리드 방법을 고용할 옵션이 프로그래머를 이전 '안전지대' 너머로 밀어내 이전에 가능하다고 생각하지 못한 일을 하게 합니다."라고 그라나타는 언급했습니다. "새로운 적층 제조 설계(DFAM)와 적층 NC 프로그래밍 역량이 각 새로운 CAD/CAM 릴리스에 도착하는 듯합니다. 이러한 향상은 적층 NC 프로그래머에게 더 많은 옵션을 제공하려는 의도지만, 학습 곡선도 증가시킵니다. 재료가 증착된 곳과 아닌 곳을 정신적으로 추적하는 것은 어렵습니다."

적층을 어떤 생산 공정에 통합하든 여러 문제가 생깁니다. "NC 작업 계획과 시퀀싱 실수가 기계 구성요소, 적층 장비, 부품을 손상시킬 수 있습니다."라고 그라나타는 말했습니다. "시뮬레이션은 추측을 제거하고 위험을 최소화하며 부품이 어떻게 만들어질지, 공정 전반에 걸친 부품의 정확한 표현을 보여줍니다." 베리컷 적층 모듈은 하이브리드 기계에서 어떤 순서로든 사용되는 적층과 전통적 가공 역량을 모두 시뮬레이션합니다. "모든 작업을 시뮬레이션하면 적층 방법 통합 시 발생할 수 있는 잠재적 문제를 식별할 수 있습니다. 사용자는 베리컷의 사실적인 드롭렛 기술에 저장된 상세 '히스토리'에 접근해 부품 특징이 언제 가공되었는지, 대부분의 경우 단일 마우스 클릭으로 오류 소스를 식별함으로써 프로그래머 시간을 절약할 수 있습니다."

이 적층 역량은 정확한 레이저 클래딩과 재료 증착을 검사하고, 기계와 적층 부품 간 충돌을 감지하고, 오류, 공극, 잘못 배치된 재료를 찾습니다. "최고 정확도를 위해 베리컷은 CNC 기계를 구동할 동일한 후처리된 NC 코드를 시뮬레이션하며 AM 기능과 레이저 파라미터의 적절한 사용을 보장합니다. 사용자는 적층과 금속 제거 공정을 어떤 순서로든 가상으로 실험해 최적의 안전한 하이브리드 제조 방법을 결정할 수 있습니다."