품질 가속화: 최상급 CAD/CAM 솔루션으로 우수한 부품 제작하기

CAD/CAM 소프트웨어를 활용한 제조에서 영원한 화두는 빌더들이 어떻게 하면 부품을 더 빠르고, 저렴하게, 더 좋게 만들 수 있을까 하는 것입니다. 최신 CAD/CAM 소프트웨어 릴리스에서 개발자들은 생성 설계 기능, 자주 사용하는 공장 프로세스의 자동화 강화, 적층 제조라는 새로운 영역을 위한 도구 확대 등 새로운 기능들을 지속적으로 추가하고 있습니다.

또한 시뮬레이션이 훨씬 더 중요해졌습니다. 고도로 복잡한 다축 기계가 가공 과정에서 치명적인 충돌을 피하기 위해 공작 기계 요소의 정밀한 계산을 요구함에 따라, CAD/CAM에 내장된 시각화 기능이 매우 바람직해졌습니다.

이러한 최신 트렌드 중에서 생성 설계와 적층 제조가 빠르게 전면에 부상하고 있습니다. 지멘스 디지털 인더스트리 소프트웨어(Siemens Digital Industries Software)의 NX 제품 엔지니어링 수석 마케팅 디렉터인 폴 브라운(Paul Brown)은 "적층 제조의 적용 사례가 계속 늘고 있고, 신소재 처리 능력과 기계 용량 및 성능이 향상되고 있습니다. 이는 엔지니어들이 새로운 설계를 탐구하고 새로운 제조 방식이 제공하는 힘과 유연성을 수용할 수 있도록 CAD 기술에 대한 요구를 증가시킵니다."라고 언급했습니다.

기업들은 여전히 설계부터 제조까지의 사이클을 간소화하려 합니다. 설계한 것을 만들고 구축할 수 있는 능력에 대한 신뢰를 높여주는 제조 가능 설계(DFM) 검사 등에 대한 지속적인 관심이 있다고 브라운은 덧붙였습니다.

생성적 접근법의 채택

생성 설계는 제조업체가 설계 프로세스를 가속화하고 정교화하는 데 도움을 주었습니다. 이는 부품을 더 효율적으로 설계하고, 더 쉽게 제조할 수 있는 부품을 개발하는 것을 의미합니다.

오토데스크(Autodesk Inc.)의 퓨전 360(Fusion 360) 시장 진입 전략 비즈니스 전략 매니저인 산제이 타코레(Sanjay Thakore)는 "제조업체들이 그 어느 때보다 더 나은 제품을 더 빠르고 저렴하게 제공해야 하는 압박을 받는 상황에서, 설계와 제조 프로세스를 연결하고 자동화하여 반복, 오류, 납기를 줄이는 것이 필수적이 되고 있습니다."라고 지적했습니다.

타코레는 <매뉴팩처링 엔지니어링(Manufacturing Engineering)> 9월호 인터뷰에서 "산업 간 융합과 새로운 제조 기술의 조합이 새로운 자동화 기회를 창출하고 있습니다. 오토데스크 퓨전 360에 탑재된 생성 설계 기술로 복잡한 설계 및 엔지니어링 과제를 기존 설계 프로세스 비용의 일부만으로 해결할 수 있습니다."라고 말했습니다.

생성 설계는 실제 제조 제약 조건, 제품 성능 요구사항, 비용 요건을 바탕으로 여러 CAD 준비 솔루션을 동시에 생성하는 탐색 도구입니다. "엔지니어는 다양한 소재와 제조 방식을 고려해 설계 공간을 탐색하고, 성능과 비용 요건의 균형을 가장 잘 맞추는 옵션을 선택할 수 있습니다."라고 그는 설명했습니다.

지멘스의 브라운에 따르면 일부 기업들이 설계 문제 해결에 생성적 접근을 시작하고 있습니다. "이를 통해 대체 형상과 소재를 탐구해 문제를 해결할 더 많은 기회를 얻습니다." 과제는 이를 기존 프로세스에 어떻게 통합하느냐입니다. "컨버전트 모델링(Convergent Modeling) 기술을 통해 시뮬레이션과 최적화의 결과인 생성 설계를 핵심 모델링 지오메트리로 사용할 수 있습니다. 이를 전통적인 모델링 및 제조 기술과 결합하는 것입니다."라고 브라운은 말했습니다.

이는 기존 제조 기술로는 만들 수 없는 격자 구조 등 형상과 접근 방식을 허용하는 적층 제조의 활용으로 더욱 가속화됩니다. 이들은 부품 무게를 크게 줄이면서 강성 등 기계적 특성을 유지합니다.

브라운은 "통합된 CNC 프로그래밍 기능은 완성 부품 생산에 필수적이며, 이는 적층 제조의 산업화를 가능하게 합니다. 이러한 통합 기술의 활용이 초기 프로토타입에서 양산으로 점차 확대되고 있습니다. 이것이 지멘스가 집중하는 부분입니다."라고 말했습니다. 그는 1개부터 1,000개까지의 작업 규모에서 산업적 규모의 AM을 어떻게 구현할 수 있을지 검토하고 있다고 덧붙였습니다.

오픈 마인드 테크놀로지스 USA(Open Mind Technologies USA Inc.)의 매니징 디렉터인 앨런 레빈(Alan Levine)은 생성 설계 기법이 매우 유기적인 형상을 생성한다고 언급했습니다. "이러한 형상은 전통적인 밀링 기법이나 적층 기법으로 제조할 수 있습니다. 적층 기법 사용 시, 원하는 표면 조도 품질을 얻기 위해 밀링을 2차 공정으로 흔히 사용합니다."

가공 부품의 우수한 표면 조도를 위해서는 CAM 시스템의 정밀한 설정, 고품질 툴홀더, 정확한 공작기계가 필요하다고 레빈은 말했습니다. "대부분의 CAM 시스템은 모델 표면 토폴로지 위에 근사 메시를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 방법의 장점은 CAD 시스템이나 CAD 변환기가 표면 엔티티를 어떻게 정의하든 균일한 계산 프로세스를 가질 수 있다는 점입니다." 오픈 마인드는 최근 부품 표면에 직접 가공하는 고정밀 모델을 추가해 표면 품질을 개선했습니다.

급성장하는 적층 제조

적층 애플리케이션 작업을 위한 새로운 기법이 빠르게 성장하고 있으며, 특히 지향성 에너지(분말 또는 와이어) 증착을 위한 CAM 시스템 내 기법이 그렇습니다. 레빈은 "일부 CAM 벤더들이 새로운 적층 전략이나 분말 베드 시스템에 적용되던 기법을 변형해 이 시장 잠재력을 공략하고 있습니다. 후자의 경우 툴패스 전략이 어떤 식으로든 제한됩니다. 오픈 마인드는 거의 모든 밀링 툴패스를 적층용으로 적용할 수 있고, 이 시장에 필요한 추가 기술을 포함한 적층 프로그래밍 프로세스를 개발했습니다. 이는 사용자에게 2D 및 3D 툴패스 전략은 물론 필요 시 5축 제어를 포함한 프로그래밍 프로세스 생성의 자유를 줍니다."라고 덧붙였습니다.

적층 제조와 하이브리드 제조(동일 기계에서 적층과 절삭)는 인기를 얻고 있습니다. 이유요? 금속 적층 공정 대부분이 적절한 표면 조도를 남기지 않기 때문입니다. 하이브리드 솔루션은 적층 부분을 생산한 동일한 기계와 셋업에서 밀링 마감을 가능하게 합니다.

레빈은 "이 기계들은 최종 사용자에게 흥미롭습니다. 오픈 마인드는 지향성 에너지 증착 개발을 기반으로 적층 제조 공정에 적극 참여하고 있습니다."라고 말했습니다. 사용 사례로는 기계 파트너와의 데모, 대학 및 연구 활동, 그리고 금속 적층 및 하이브리드 가공을 수행하는 일부 얼리 어답터 산업 최종 사용자가 있다고 덧붙였습니다.

DP 테크놀로지(DP Technology Corp.)의 수석 부사장 척 매튜스(Chuck Mathews)는 "적층 제조 트렌드가 우리를 하이브리드 CAM 시스템으로 이끌고 있습니다. 예를 들어, ESPRIT 적층(ESPRIT Additive for Direct Energy Deposition)은 풀 스펙트럼 ESPRIT CAM 시스템 내에서 제공되며, 적층 및 절삭 공정을 하나의 통합 솔루션에서 프로그래밍, 최적화, 시뮬레이션할 수 있습니다."라고 말했습니다.

매튜스는 ESPRIT의 적층 앱이 멀티태스킹, 멀티펑션, 멀티채널, 밀턴, 적층 및 절삭 공작기계에 대한 프로그래밍을 제공한다고 설명했습니다. 적층과 절삭 공정이 단일 인터페이스 내에서 함께 프로그래밍, 최적화, 시뮬레이션됩니다.

적층 기법은 거의 모든 CAD/CAM 제품에 스며들고 있습니다. 적층 제조는 전통적인 절삭 방식에서는 찾을 수 없는 설계 자유도를 제공하기 때문입니다.

CNC 소프트웨어(CNC Software Inc.)의 선임 시장 분석가 벤 문드(Ben Mund)는 "이 새로운 기법들은 과거에는 불가능했던 방식으로 부품을 만드는 혁신적인 길을 열었습니다. 절삭 제조로 얻는 고정밀 표면과 적층 기법을 공정 중에 결합함으로써 두 공정의 장점을 모두 취할 수 있습니다."라고 말했습니다.

CAD/CAM 소프트웨어는 엔지니어가 적층 공정을 절삭 공정만큼이나 세밀하게 제어할 수 있게 해야 하며, 유사한 도구를 제공해야 합니다. 문드는 서포트 소재, 그레이디드 소재 정의, 3D 네스팅 및 최적화된 부품 방향 같은 기법 등 소프트웨어 사용자가 제조 공정의 모든 측면을 제어할 수 있는 기능을 찾아야 한다고 조언했습니다.

3D 시스템즈(3D Systems Inc.)의 깁스캠(GibbsCAM) 제품 매니저 대니얼 레메낙(Daniel Remenak)은 "적층 제조는 3D 시스템즈의 유산이자, 우리는 업계에서 나란히 또는 통합된 적층 및 절삭 제조가 늘어나는 것을 보고 있습니다. 이러한 워크플로우가 일반화됨에 따라 프로그래밍 소프트웨어에 대한 고객 기대에도 영향을 미치고 있습니다. 프로그래머가 이 기술들을 효율적으로 연결할 수 있도록 도와야 합니다. 우리의 3DXpert 제품은 주로 적층 워크플로우에 전념하며, 전사적 CAD 경험을 활용해 서포트와 격자 생성을 지원하고, 절삭 가공 전문성을 활용해 고급 슬라이싱 엔진과 후처리 가공을 제공합니다."라고 언급했습니다.

레메낙은 깁스캠 팀이 지난 몇 년간 CNC 기계 벤더 및 연구자들과 협력해 하이브리드 절삭 및 증착 적층 기계를 프로그래밍하기 위한 전용 기법 개발에 힘써왔다고 밝혔습니다.

빠른 생산을 위한 전략

가공의 '기본기'는 현장 사용자가 고품질로, 종종 대량으로, 제때 부품을 만들기 위해 빠르고 정확한 결과를 필요로 하는 자주 사용되는 기능을 자동화하는 데 있습니다. 그 목표의 열쇠는 인캐드(In-CAD) 시뮬레이션으로, 부품 프로그램이 제대로 실행되도록 하고 값비싼 충돌을 제로로 만들며, 소위 'CAM을 위한 CAD(CAD for CAM)'라 불리는 다소 평범한 영역의 CAD 도구들이 사용자에게 부품을 빠르게 만드는 데 필요한 필수 옵션을 제공합니다.

CNC 소프트웨어의 문드는 "우리의 모든 CAD 기능과 개선의 주된 초점은 'CAM을 위한 CAD'라는 개념, 즉 부품을 제조 준비 상태로 만드는 데 있습니다. 이것이 우리의 최우선 목표입니다. 사용자가 마스터캠 내부에서 복잡한 부품을 처음부터 만들든, 다른 CAD 시스템에서 생성된 부품의 문제 영역을 분석하고 수리하든, 우리의 와이어프레임, 서페이싱, 솔리드 도구 모음은 지체 없이 모든 것을 기계 가공 준비 상태로 만듭니다."라고 말했습니다.

문드는 여러 요인이 CAD/CAM 설계에 영향을 미치지만, 대부분 혁신, 비용 절감, 시장 출시 단축, 효율성 향상과 관련되어 있다고 말했습니다. "우리는 고객들이 작업 중인 부품과 겪고 있는 문제에 대한 니즈를 끊임없이 경청하며, 마스터캠 CAD 도구 모음 안에서 더 많은 것을 가능하게 하는 새로운 도구를 개발합니다. 사용자가 새 부품을 만들거나 제조 공정을 지원하기 위해 수입된 부품을 수정하는 속도가 빠를수록, 더 빨리 프로그래밍되어 기계에서 절삭을 시작할 수 있습니다."

시장 출시 단축이 핵심이라고 그는 덧붙였습니다. "마스터캠의 CAD 도구 안에서 많은 조정이 가능해, 원래 CAD 시스템으로 되돌려 보내는 시간과 비용을 아낍니다. 이 경우 우리는 CAM 프로그래머가 가공 공정을 지원하는 변경 사항을 만들 수 있게 합니다. 지그 설계, 임시 공정 내 지오메트리 구축, 원래 CAD 파일의 문제 수리 등입니다."

"효율성은 우리의 모든 도구를 부품을 기계에 준비시키는 하나의 목표를 향해 사용하는 것을 의미합니다. 와이어프레임, 서페이스, 솔리드가 그 목적을 위해 함께 작동합니다."라고 문드는 계속했습니다. 마지막으로 연결성이 중요합니다. "CAD 세계에서 이는 IGES, STEP 같은 산업 표준 포맷과 SAT, DXF, DWG, X_T 등 일반적인 독점 포맷을 지원하는 모든 CAD 모델러의 부품을 읽어 들이는 것을 의미할 수 있습니다."

그는 또한 마스터캠 파트 파일의 CAD 모델이 CAM 정보와 연관되어 있어, 모델을 변경하면 툴패스가 이를 인지하고 처음부터 다시 시작하지 않고도 쉽게 업데이트될 수 있어야 한다고 믿습니다.

다른 벤더들도 전통적인 CAM 사용자를 위한 CAD에 유사한 접근을 취합니다. 레빈은 "오픈 마인드는 하이퍼밀(hyperMILL) 내의 하이퍼캐드-에스(hyperCAD-S) 기반을 CAM 사용자를 위한 CAD-for-CAM 모듈로 설계했습니다. 대중적인 CAD 시스템이 항상 CAM 사용자에게 최고의 사용자 경험을 제공하는 것은 아닙니다. 하이퍼캐드-에스의 초점은 CAM 시스템을 구동하는 데 필요한 기능을 단순화하는 것입니다. 예를 들어 경계 선택, 면 확장, 공면 및 공축 같은 필터 선택, 필요시 표면 치유 및 재피팅 기능 등입니다."라고 말했습니다.

오픈 마인드는 CAM 사용자를 위한 CAD 유틸리티의 사전 정의된 시퀀스와 CAM 전략 내에서의 선택 없이도 사용할 수 있는 기능을 추가로 제공한다고 그는 덧붙였습니다.

"예를 들어 금형 산업에서 날카로운 모서리는 코어와 캐비티 지오메트리의 결합 시 플래시 발생을 방지하는 데 중요합니다. 깨끗한 모서리를 얻고 커터가 모서리를 넘어 굴러가는 것을 방지하려면, 이 표면들을 연장하고 커터가 부품 위아래로 제대로 안내되도록 하는 것이 유리합니다."라고 레빈은 설명했습니다.

하이퍼밀 Z-레벨 형상 마무리 모듈은 자동 탄젠트 확장을 포함해 이 프로세스를 사용자에게 간소화합니다. 결과는 CAM 프로그래밍 과정에서 번거로운 선택과 추가 단계 없이 가공된 표면과 모서리를 얻는 것입니다.

복잡한 다축 가공에서는 시뮬레이션이 필수이며, 인캐드 시뮬레이션이 시장의 일부 고가 서드파티 시뮬레이션보다 인기를 얻고 있습니다. 깁스캠의 레메낙은 "복잡한 멀티태스킹 기계로의 강한 추세와 머신 시뮬레이션에 대한 의존도 증가를 계속 보고 있습니다. 공작기계장은 최고의 프로그래밍 효율성, 최고 온머신 생산성, 검증된 신뢰할 수 있는 포스트프로세서를 갖춘 가장 강력한 검증 도구를 제공하는 소프트웨어 획득에 집중하고 있습니다."라고 말했습니다.

포스트프로세싱이 우회로를 없앤다

좋은 포스트프로세싱이나 다른 제조 소프트웨어 솔루션과 연동되는 완전한 CAD/CAM이 없으면 사용자는 예상치 못한 우회로에 직면할 수 있습니다. DP 테크놀로지의 매튜스는 "우리가 생각하는 '좋은' CAM 시스템의 기준은 포스트프로세서의 품질과 벤더의 기술 지원입니다. 프로그래밍 질문에 빠르고 정확하게 답하고, 시스템이 좋은 코드를 생성하면 프로그래밍이 단순해지고 기계 가동률은 올라가며, 셋업 시간과 사이클 타임은 모두 줄어듭니다."라고 말했습니다.

DP 테크놀로지는 최고의 포스트프로세싱과 기술 지원을 제공하기 위해 노력한다고 그는 주장하며, "ESPRIT 전략은 공작기계 제조사와 긴밀히 협력해 각 CNC의 디지털 트윈을 구축하는 것입니다. 여기에는 공장에서 개발한 포스트프로세서가 포함되어 가공 최적화된, 수정 불필요한 G-코드를 출력합니다."라고 말했습니다. DP 테크놀로지는 전담 ESPRIT 애플리케이션 엔지니어 팀을 통해 북미 고객에게 공장 직접 교육과 기술 지원을 제공하며 ESPRIT을 뒷받침합니다.

원스톱 쇼핑

완전한 패키지는 CAD/CAM을 검사 및 계측과 결합하거나, PLM, ERP, MES 솔루션과 결합한 원스톱 쇼핑을 원하는 사용자를 끌어들일 수 있습니다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스(Hexagon Manufacturing Intelligence)의 아메리카 지역 프로덕션 소프트웨어 디렉터 닉 스퍼렛(Nick Spurrett)은 "고객과 신규 잠재 고객으로부터 듣는 최신 트렌드 중 하나는 우리가 단순한 CAD/CAM 소프트웨어가 아닌 완전한 제조 솔루션을 제공해달라는 것입니다. 이들의 요청은 MES 솔루션부터 풀 머신 툴 검증까지 모든 것을 아우릅니다. NCSIMUL과 WORKPLAN의 추가로 헥사곤 프로덕션 소프트웨어는 이러한 최신 트렌드에 대응하기 위해 비즈니스를 정렬하고 있습니다."라고 말했습니다.

헥사곤 매뉴팩처링 인텔리전스는 최근 프로덕션 소프트웨어 포트폴리오를 구성하는 디지털 생산 솔루션 데모를 선보였습니다. 이 포트폴리오는 몇 년 전 헥사곤이 인수한 베로 소프트웨어(Vero Software)의 여러 CAD/CAM 타이틀, 고급 시뮬레이션 및 검증 패키지인 NCSIMUL, 그리고 헥사곤의 전통적인 검사 솔루션으로 구성됩니다.

스퍼렛은 "우리는 더 빠른 툴패스 생성과 제품군 전반에 걸친 웨이브폼(Waveform) 전략 제공을 포함해 모든 제조 제품을 지속적으로 개발하고 있습니다. 또한 5축 가공을 위한 어드밴스드 툴폼(Advanced Toolform) 기술을 도입했습니다."라고 새로 통합된 라인업에 대해 말했습니다. 그는 이를 통해 배럴, 타원, 포물선 또는 주어진 모든 형태의 5축 툴 형상이 네거티브 오프셋(허용값)을 포함해 부품 표면상에서 계산될 수 있다고 언급했습니다.

"제조용 설계(Design for Manufacturing)는 지난 12개월간 우리가 출시한 핵심 솔루션 중 하나입니다."라고 스퍼렛은 덧붙였습니다. "우리는 기계 장치나 CNC 프로그래머가 활용할 수 있는 CAD 환경, 즉 제조에 특화된 기능성을 제공하는 'CAM을 위한 CAD' 또는 '기계 장치를 위한 CAD' 솔루션을 제공합니다. 다이렉트 모델링을 사용하면 사용자가 적절하다고 판단하는 대로 모델의 조각을 밀거나 당겨 직접 지오메트리를 수정할 수 있습니다."