Fusion 360 신규 생성 설계 기능으로 적층 제조 결과물 품질 극대화하기

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2020년 12월 Fusion 360 업데이트의 일환으로, 연말연시 딱 맞춰 숨겨진 선물을 전달했습니다: 적층 제조 결과물을 생성하는 새로운 방법입니다. 내부적으로 이 프로젝트를 Additive 2.0이라 부르며, 실험적 생성 솔버 및 기능 프리뷰(Experimental Generative Solvers and Features preview)의 일부입니다. 이 새로운 방법은 형상 품질(shape quality)과 출력 가능성(printability)을 이전 생성 설계 결과물 대비 크게 개선할 것입니다. 많은 분들이 기다려온 선물이었고, 제 팀과 제가 받은 모든 것을 '개봉'해 보여드리고 싶습니다.

새로운 Additive 2.0 알고리즘 사용법

먼저, 사용자 환경설정에서 실험적 생성 솔버 및 기능 프리뷰를 켜야 합니다.

프리뷰를 켜면, 스터디 설정(Study Settings)에서 대체 결과물(Alternative Outcomes)을 켜야 합니다. 거기서 평소처럼 스터디를 설정하세요. 제조 제약 조건 대화상자에서 적층 제조 제약 조건을 활성화하고, 원하는 출력 방향을 선택한 뒤, 우리 솔버가 나머지를 처리하게 두세요.

탐색(Explore) 단계에서, 각 적층 결과물 세트(한 세트 = 주어진 소재와 방향)에 대해 Additive 2.0이 각 세트의 두 번째 결과물을 생성합니다. 빠른 팁: 속성 보기(Properties view)로 전환해 적층 제조 방식으로 필터링하고, 정렬 기준 드롭다운을 '소재(Material)'로 설정하면 가장 쉽게 확인할 수 있습니다.

Additive 2.0이 어떻게 더 나은가?

적층 결과물 생성에 대한 초기 접근법은 많은 시나리오에서 형상 품질 측면에서 아쉬움이 많았습니다(많은 분들이 지적해 주셨고, 경청했습니다!). 오버행(overhang) 요구사항을 맞추고 완전 자가 지지(self-supporting)하려다 보니, 뚜렷한 계단 현상(stair-stepping)과 기타 아티팩트가 흔했습니다. 새 접근법으로 우리 솔버는 최소 두께 요구사항 충족, 설계 질량 균형, 서포트 소재 최소화를 훨씬 더 잘 수행합니다. 이 새로운 접근법은 완전 자가 지지를 위해 형상 품질을 희생하지 않습니다.

이 개선 사항이 우리가 만드는 결과물에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 두 가지 예제를 파헤쳐 보겠습니다.

첫 번째 예제는 아래에 표시된 단순한 생성 설정입니다(하중과 제약 조건은 숨김). Figure 1(아래)에 표시된 방향으로 이 부품을 제조하려 하며, 빨간 장애물을 빌드 플레이트로 대체합니다.

이 설정은 Figure 2(아래)와 같은 비제약 결과물을 만듭니다. 여러 이유로 제조하기 어렵습니다. 첫째, 부품 지오메트리 아래 넓은 영역에 서포트 구조가 필요합니다(그림 후반부 빨간 하이라이트 영역). 또한 부품 중심 근처의 얇은 피처가 취약해 서포트 제거 중 파손될 수 있습니다. 이 설계도 적층 제조는 가능하지만, 최적화와는 거리가 멉니다.

Additive 2.0을 기존 적층 제약 조건(Additive 1.0)과 나란히 비교하면 차이가 명확해집니다(Figure 3 아래). 두 경우 모두 적층 제약 조건을 오버행 각도 45도, 최소 두께 3mm로 설정했습니다.

두 경우 모두 필요 서포트 소재 양이 줄어들지만 제거되진 않습니다. 그러나 빌드 플레이트부터 구조 전체를 지지하도록 소재를 쌓아 올리는 Additive 1.0 결과물은 비제약 결과물보다 50% 더 무겁습니다. 원래 적층 제조 솔루션의 흔한 골칫거리였던 계단 현상 아티팩트를 보입니다. Additive 2.0도 필요 서포트 소재를 크게 줄이지만, 지오메트리에 더 미묘한 변화만 주고 이 모델의 질량 증가를 11%로 억제했습니다. 두 적층 설계 모두 3mm 최소 피처 크기를 충족하지만, Additive 2.0은 너무 얇은 격자 빔을 더 두꺼운 유기적 구조로 합쳐 비제약 결과물에 훨씬 더 가까운 구조를 유지합니다. 새로운 Additive 2.0 결과물은 원래 결과물의 열악한 표면 품질도 크게 제거합니다.

이론적으로 새 Additive 2.0 제약 조건은 지지 영역을 줄이고 얇은 빔을 제거하면서 전체 부품 질량 증가를 최소화합니다. 하지만 이 설계들이 실제로 더 제조하기 쉬울까요? 프린트 준비 과정을 거쳐 확인해 보겠습니다.

프린트 공정 검증

FFF 예제

Figure 4(아래)는 Additive 1.0과 Additive 2.0 결과물을 원래 비제약 결과물과 비교합니다. 각 결과물은 Fusion 360 적층 워크스페이스를 사용한 일반 FFF 워크플로를 거쳤습니다. 모델들은 슬라이싱되고 Fusion 360으로 후처리된 뒤 데스크톱 FFF 머신으로 출력되었습니다. 각 부품은 동일한 프린트 설정, 기계, PLA 필라멘트로 후처리되었습니다. Figure 3에 명확히 드러난 Additive 2.0과 1.0의 개선점: 부품 질량 41.3% 감소. 비제약 제약 조건 활용 대비 Additive 2.0의 이점도 부각되며, 필요 서포트 소재 47.8% 감소.

SLA 예제

Figure 5(아래)는 Netfabb를 사용한 일반 SLA 워크플로로 출력 준비된 Additive 1.0과 Additive 2.0 결과물을 원래 비제약 결과물과 비교합니다. 위 결과와 유사하게, Figure 5는 Additive 1.0에서 2.0으로의 명확한 개선을 보여줍니다. 이 공정에서도 부품 질량과 필요 서포트 소재 모두 감소했습니다.

SLM 예제

더 현실적인 또 다른 예제를 봅시다. 생성 설계 교육 자료의 '모터사이클 트리플 클램프(Motorcycle Triple Clamp)' 예제 문제는 포크 튜브를 스티어링 스템에 연결하는 구조 부품 설계 과정을 다룹니다. 이 예제에서는 선택적 레이저 용융(SLM)으로 알루미늄 소재로 부품을 적층 제조하려 합니다.

생성 스터디 실행 전, 부품의 빌드 방향을 선택했습니다. 빌드 높이는 주요 비용 동인이라 +X 방향은 피했습니다. 경험상 큰 구멍 대부분을 프린팅 중 소재로 채우고 후가공으로 공차를 맞춰야 함을 알고 있습니다. 구멍을 채우면 +Y 방향에서 부품 상단 면의 단면적이 급격히 변해 넓은 면의 급속 냉각이 일어나 빌드 이슈를 유발할 수 있습니다. 결과적으로 +Y 방향은 배제하고 +Z 빌드 방향으로 결정했습니다.

최소 피처 크기 0.25인치(6.35mm)를 선택해 서포트 제거 시 힘에 견딜 수 있을 만큼 빔이 충분히 크도록 했습니다. 오버행 각도는 SLM 공정 파라미터와 일관되게 45°로 설정했습니다. Additive 2.0 결과물은 아래 이미지와 같습니다.

보통 이 시점에서 유기적 형상을 다듬고 설계 성능을 검증하겠지만, 오늘은 그 단계를 건너뛰고 바로 제조 워크스페이스로 가서 프린팅을 준비하겠습니다.

Renishaw AM250으로 제조할 예정으로, Additive Build Fusion 익스텐션이 필요합니다. 먼저 큰 구멍을 소재로 채워 나중에 가공해 공차를 맞출 수 있게 합니다. 제조 워크스페이스에서 제조 모델(Manufacturing Model)을 생성해 구멍을 프레스/풀(Press/Pull)로 더 작은 직경으로 만듭니다.

이제 새 셋업을 생성해 Renishaw 머신과 수정된 지오메트리를 선택합니다. Move 명령으로 약간 작업해 부품을 빌드 플랫폼에 위치시킵니다.

이제 볼륨 서포트(Volume Support) 명령으로 서포트 소재를 생성합니다.

이 시점에서 프린트 시뮬레이션을 실행한 뒤 G코드를 생성해 머신에 보낼 준비가 됩니다.

Figure 7(아래)은 Additive 2.0 설계를 비제약 및 기존 적층 제조 솔루션과 비교합니다. 이전 예제와 비슷한 추세를 보입니다. Additive 1.0 결과물은 더 무겁고, 비제약 부품만큼 많은 서포트가 필요하며, 표면 품질 이슈가 있습니다. Additive 2.0은 형상 품질을 개선하고, 필요 서포트 소재를 줄이며, 부품 질량을 비제약 결과물과 거의 동등하게 되돌립니다.

직접 Additive 2.0 체험하기

이 블로그 이미지들이 멋진 이야기를 전하지만, 우리가 개선 사항을 시연하는 데 쓴 모델들을 제공해 직접 확인해 보실 수 있게 했습니다. 이 모델들은 실행 준비가 됐으니, 열고 사용 가능한 스터디를 생성해 보세요.

Additive 2.0 V자형 텐션 바 셋업

Additive 2.0 모터사이클 트리플 클램프 셋업

새로운 적층 제조 제약 조건에 대한 질문이나 의견이 있으시면 generativedesignhelp@autodesk.com으로 연락 주세요. 이 솔루션 개발과 검증에 힘쓴 훌륭한 전문가 팀과, 이 블로그 포스트 작성을 도운 Ben Weiss, Adam Day, Matt Oosthuizen, Divy Kishor Tiwary에게 큰 감사를 전합니다. 모두 즐거운 연말연시와 행복한 새해 맞이하시길!