Fusion 360 Manufacturing Extension 심층 분석: Steep & Shallow의 위력

Manufacturing Extension이란?

Steep and Shallow가 단순한 원사이즈-핏츠-올 툴패스가 아니라 게으른 머시니스트를 위한 것이 아님을 자세히 다루기 전에, Fusion 360 Manufacturing Extension이 무엇인지 간단히 짚고 넘어가겠습니다. Manufacturing Extension은 우리에게 더 깊은 기능이 필요한 이들에게 추가 기능을 제공합니다. 현재 적층 제조, 홀 인식, 표면 검사 및 지오메트리 프로빙, Steep and Shallow가 포함됩니다. 즉, 드릴링 자동화, 공정 중 검사, 강력한 마감 전략입니다. Fusion 360 내에서 직접 Manufacturing Extension을 활성화(구독)할 수 있습니다. Manufacturing Extension에 대해 더 읽어보세요.

Manufacturing Extension을 구독해 해당 전략으로 여러 오퍼레이션을 만들고, 나중에 재구독하지 않기로 해도, 만든 오퍼레이션을 보고 포스트할 수는 있습니다. 단지 편집만 못할 뿐입니다. Manufacturing Extension의 목표는 필요한 기능에만, 필요할 때만 접근할 수 있는 유연성을 주는 것입니다. 높은 초기 비용도, 다운로드도, 추가 시리얼 넘버나 동글도 없습니다. 이렇게 하면 항상 이 깊고 복잡한 기능이 필요하지 않은 이들에게 Fusion 360 기본 가격을 낮게 유지하면서도, 우리를 유지하고 레거시 프로그램을 포스트할 옵션을 드릴 수 있습니다.

좋아요. Steep and Shallow란?

Steep and Shallow는 Manufacturing Extension에 포함된 3D 마감 툴패스입니다. 높은 수준에서 보면, 복잡한 서피스 지오메트리를 가진 전체 부품을 단일 툴패스로 가공할 수 있습니다. 부품의 가파른(steep) 영역과 얕은(shallow) 영역 각각에 전용 파라미터를 단일 오퍼레이션에 담았습니다. 이름이 어떻게 지어졌는지 분명하죠!

이 높은 수준만 보면 Manufacturing Extension에 Steep and Shallow를 포함한 게 말이 안 되는 듯합니다. 스칼롭(Scallop)과 컨투어(Contour) 전략을 조합해도 같은 결과가 나오지 않을까요? 저도 처음엔 그렇게 생각했습니다. 하지만 팀 폴(Tim Paul)이 말하듯, 디테일에 악마가 숨어 있습니다. 그리고 Steep and Shallow에는 디테일이 정말 많습니다!

더 자세히 보기 위해, 샌프란시스코 기술 센터 Pier 9에 있는 Haas VF2SS로 동일한 부품 4개를 가공했습니다. 몇 가지 디테일을 비교해 Steep and Shallow가 정말 쓸만한지 확인해 보겠습니다.

임계각(Threshold Angle) & 오버랩 거리(Overlap Distance)

Steep and Shallow 패스 탭 상단부터 시작하겠습니다. 임계각 파라미터는 가파른 전략과 얕은 전략이 부품의 적절한 영역을 커버하도록 쉽게 보장합니다. 이는 전략이 얕은 것에서 가파른 것으로 전환되는 '차단 각도(cutoff angle)'입니다. 예를 들어 30도를 입력하면, 30도보다 얕은 영역에는 얕은 패스 전략이, 더 가파른 영역에는 가파른 패스 전략이 적용됩니다. 오버랩 거리 파라미터는 최종 제품에서 이음새가 보이지 않게 전략을 블렌딩할 거리를 지정합니다.

스칼롭이나 패럴렐(Parallel)과 컨투어를 조합해 쓰더라도, 대부분의 3D 마감 전략에 있는 경사 제한(Slope containment)을 사용해 툴패스가 부품 대부분을 커버하게 할 수 있습니다. 0도는 평평, 90도는 수직(Z축 기준)입니다. 따라서 45도 임계각과 같은 결과를 얻으려면, 스칼롭이나 패럴렐에는 0도~45도 경사 제한을, 컨투어에는 45도~90도 제한을 쓰면 됩니다. 하지만 이건 오버랩을 고려하지 않습니다.

오버랩 거리가 정말 중요할까?

누구에게 묻느냐, 어떤 부품을 만드느냐에 따라 오버랩의 중요성은 달라집니다. 어떤 이는 필요 없고 사이클 타임만 낭비한다고 하고, 어떤 이는 전이 표면을 블렌딩해 균일한 표면 조도를 위해 필수라고 합니다. 중요한 건 Steep and Shallow에는 오버랩 거리를 정확히 제어하는 실제 파라미터가 있다는 점입니다. 오버랩이 필요하다면, 스텝오버의 2배로 오버랩 거리를 설정하고 거기서 조정하는 게 좋은 시작점입니다.

별도 전략으로 오버랩을 구현하려면 경사 제한도 오버랩되게 해야 합니다. 이 경우 스칼롭 최대 각도를 45.5도, 컨투어 최소 각도를 44.5도로 설정했습니다. 그러면 툴패스가 약 1도 정도 오버랩됩니다. 하지만 이게 선형 거리로 얼마인지 알 수 없습니다. Steep and Shallow의 장점은 정확히 얼마나 오버랩되는지 알 수 있다는 점이고, 별도 전략으로는 추측과 확인을 반복해야 합니다.

Steep and Shallow 하이재킹하기

Steep and Shallow의 임계각이 허용하는 중요한 점이 있습니다. 임계각을 0.1도나 89.9도로 설정해 부품 전체를 가파른 패스나 얕은 패스 중 하나로 강제 커버할 수 있습니다. 여기에 경사 제한(Slope limits)을 결합하면, Steep and Shallow로 최적화된 스칼롭, 패럴렐, 컨투어, 램프(Ramp) 툴패스를 만들 수 있습니다. 이는 5축 머신 사용자에게 특히 유용할 수 있는데, 툴 오리엔테이션(Tool Orientation)으로 공구를 기울여 팁으로 절삭하면서 같은 절삭 동작을 유지할 수 있기 때문입니다. 또는 곧 다룰 이점들 덕분에 Steep and Shallow를 더 나은 버전의 스칼롭이나 패럴렐로 바꿔 쓸 수도 있습니다.

스칼롭을 위한 연속 패스(Continuous Passes)

대화상자 아래로 내려가면, 스칼롭에 특화된 얕은 패스 섹션의 여러 옵션이 있습니다. 이 부품 형상에서는 패럴렐보다 스칼롭이 더 적합해 스칼롭에 집중하겠습니다. '연속(Continuous)' 체크박스는 스칼롭을 개별 오프셋 패스(전환 이동 필요)가 아닌 연속 나선형으로 만듭니다. 이는 공구가 소재에 지속적으로 물려 있어 부품에 자국이 생기는 걸 줄여줍니다. 지속적인 물림은 공구가 물기 시작할 때 처지거나 빠질 때 펴지면서 생기는 자국을 줄여줍니다.

연속 패스는 기계가 더 부드럽게 움직이게도 돕습니다. 보통 공구에 리드인/아웃 이동과 절삭 이동의 다른 피드레이트가 정의돼 있고, 오퍼레이션이 이를 상속합니다. 최적의 기계 모션을 만드는 요소는 이 블로그 범위를 벗어나지만, 일정한 피드레이트 유지가 확실히 도움이 됩니다. 기계가 가감속을 덜 하게 되어 공구 처짐 문제를 악화시키지 않습니다.

연속 패스 생성은 현재 Fusion 360의 스칼롭 툴패스에서 사용할 수 없습니다. 따라서 Steep and Shallow로 개선된 스칼롭을 만들 수는 있지만, 기본 스칼롭으로는 이걸 재현할 수 없습니다.

스칼롭을 위한 부드러운 오프셋(Smooth Offsets)

다음은 기계 모션을 부드럽게 하고 표면 조도 편차를 줄이는 두 옵션입니다.

스칼롭 툴패스는 패스가 부품 중심으로 오프셋되며 계속될 때 '붕괴(collapse)'하는 경향이 있습니다. 이는 툴패스에 날카로운 코너를 만듭니다. 이 날카로운 코너는 공구와 기계가 급격히 방향을 틀게 만들어 적어도 한 이동 축에서 높은 가감속을 유발합니다. 앞서 말했듯 이는 공구 처짐 문제를 일으켜 부품에 자국을 남길 수 있습니다. 이를 해결하려고 Steep and Shallow에는 날카로운 코너를 둥글게 해 기계 모션을 부드럽게 하는 '부드러운 오프셋(Smooth Offsets)' 옵션이 있습니다.

불행히 부드러운 오프셋도 만능은 아닙니다. 내부 코너엔 여전히 문제가 있습니다. 각 내부 코너 간 거리가 프로그래밍된 스텝오버보다 큽니다. 이는 내부 코너를 따라 더 높은 커스프를 유발할 수 있습니다. 다행히 Steep and Shallow에는 이 문제를 정확히 해결하는 또 다른 옵션이 있습니다! '정션에서 커스프 제거(Remove Cusps at Junctions)'는 스텝오버보다 거리가 큰 내부 코너를 따라 패스를 추가해 높은 커스프를 완화하고 더 균일한 표면 조도를 만듭니다.

이 옵션들도 오직 Steep and Shallow에만 있으므로, Steep and Shallow로 이런 옵션을 가진 스칼롭을 만들 수는 있지만, 표준 스칼롭 툴패스로는 재현할 수 없습니다.

균일 간격 스무딩(Evenly Spaced Smoothing)

최고를 마지막에 남겨뒀습니다. Steep and Shallow에 새로 생긴 스무딩 옵션입니다. '선과 아크 피팅(Fit Lines and Arcs)'은 기본적으로 Fusion 360 나머지 부분의 스무딩 옵션과 같은 역할을 합니다. 툴패스의 전체 포인트 수를 줄여 선과 아크로 근사화합니다. 팀이 더 자세히 설명해줍니다. 이 옵션은 포인트가 너무 많아 데이터 스타빙(data starving)이 발생하는 구형 머신에 좋습니다. 데이터 스타빙은 머신 툴이 다음 코드 줄을 처리하려고 멈추고 기다리는 현상으로, 저크(jerky)하고 문제가 있는 기계 모션을 유발합니다. 크고 복잡한 툴패스는 처리 파워가 적은 구형 컨트롤러에서 문제를 일으킬 수 있지만, 최신 프로세서를 가진 최신 컨트롤러에서는 이 이슈가 덜합니다.

최신 머신에선 데이터 처리가 더 이상 이슈가 아닙니다. 이제는 포인트 간 거리를 최대한 균일하게 유지하기 위해 포인트를 추가하는 게 더 이롭습니다. 이는 툴패스 포인트를 원래 서피스에 더 가깝게 유지해 전체 공차를 더 타이트하게 지키고, 포인트 간 기계 모션도 부드럽게 합니다. 세 가지 스무딩 옵션을 모두 테스트했고, 부품 결과는 아래와 같습니다. 아쉽게도 사진으론 직접 볼 때만큼 잘 안 보이지만, 표면 품질에 분명한 향상이 있습니다. 툴패스의 불규칙한 포인트 분포가 완성 부품의 페이싱(faceting)이나 불일치로 직결됨을 볼 수 있습니다.

이 모든 게 의미하는 바는?

그럼 Steep and Shallow를 써야 할까요? 결론은 늘 그렇듯 완벽한 정답은 없다는 것입니다. 기술적 관점에서, 다른 툴패스 조합으로는 구현할 수 없는 기능을 제공합니다. 연속 패스, 부드러운 오프셋, 균일 간격 포인트는 기계 움직임과 결과 표면 조도를 고려할 때 명확한 이점을 줍니다. 타이트한 표면 공차가 필요하고 비트리비얼한 양의 핸드 피니싱이 필요한 부품을 가공한다면, 이 개선 사항들을 탐구할 가치가 충분합니다. 비드 블라스팅을 후공정으로 한다면, 스칼롭과 컨투어를 쓰는 툴패스 템플릿으로도 충분할 수 있습니다.

비즈니스 관점에서, Steep and Shallow는 추가 비용이 듭니다. 다운스트림 피니싱 작업을 줄이는 것만으로도 구독 비용을 상쇄할 수 있습니다. 게다가 Manufacturing Extension에는 다른 기능도 포함되어 있습니다. 공정 중 검사 기능이 어떻게 공정 신뢰성을 크게 높일 수 있는지 비슷한 분석을 기대해 주세요.

개인적으로 Manufacturing Extension의 최고 장점은 예전처럼 어떤 모듈을 살지, 어떤 티어의 소프트를 살지 '선택'할 필요가 없다는 점입니다. 써보고 본인 공정에 안 맞으면 그냥 갱신 안 하면 됩니다! 게다가 만든 툴패스는 계속 접근할 수 있습니다.

Manufacturing Extension을 써보기로 결정하셨다면, 어떻게 됐는지 알려주세요! 소셜(@adskFusion360)로 태그하거나, 여기 댓글 달거나, 더 좋게는 Fusion 360 제조 포럼에 포스트를 올려주세요.