적층 제조를 위한 설계(DfAM): 현대 생산 혁신의 열쇠

적층 제조(AM) 기술의 가장 흥미롭고 유망한 측면 중 하나는 제조를 위한 설계 원칙을 근본적으로 혁신할 잠재력입니다. 3D 프린팅이 발전하며 순수 시제품 제작에서 양산 공정으로 전환됨에 따라, 많은 이들은 기존 제조 공정과 관련된 설계 제약에서 자유로운 새로운 설계 패러다임을 가져올 것이라 믿습니다.

생각해보면 당연합니다. 오늘날 널리 채택된 제조 공정의 대부분은 절삭 방식에 의존합니다. 즉, 원재료 블록에서 층을 깎아내거나 제거하는 방식입니다. 이 접근법은 많은 용도에 정밀하고 효과적이지만, 중공 구조나 특정 각도 및 오버행이 있는 복잡한 구조의 부품 측면에서 다양한 설계 제한을 수반합니다. 사출 성형 자체는 절삭 기술이 아니지만, 금형 제작에 CNC 가공 같은 절삭 방식에 크게 의존하므로 그 설계 역시 여전히 절삭 공정의 역량에 제한됩니다.

적층 방식인 3D 프린팅은 물체를 층층이 쌓아 올리기 때문에, 지지만 된다면 복잡한 내부 기하학과 구조를 구축할 수 있습니다. 이러한 새로운 설계 기회를 다루기 위해 적층 제조를 위한 설계(Design for Additive Manufacturing), 줄여서 DfAM이라는 개념이 탄생했습니다. 핵심적으로 DfAM은 AM 기술용 부품의 성능, 제조 가능성, 비용을 다루는 일련의 설계 방법으로 구성됩니다. 아직 초기 단계지만, DfAM 도구들은 이미 최적화된 부품 설계, 경량 구조, 소재 절감 측면에서 독특한 가능성을 창출하고 있습니다.

DfAM이 제공하는 것들

DfAM의 구체적 이점을 살펴보면, AM 중심의 설계 도구가 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 세 가지 핵심 영역을 짚어낼 수 있습니다: 설계 자유도, 부품 통합, 경량화.

• 설계 자유도

3D 프린팅을 논할 때 설계 자유도는 항상 이점 목록의 맨 위에 있습니다. 실제로 이는 기술이 제공하는 가장 중요한 새로운 것 중 하나입니다. 기본적으로 DfAM은 한동안 존재해왔으며, 메이커와 제조업체가 다양한 인필 비율과 구조를 통합해 프린팅 속도를 높이고 소재를 절감할 수 있게 했습니다.

하지만 DfAM의 진정한 이점은 이 두 가지를 결합하고 최적화된 성능을 더하는 데 있습니다. 복잡한 내부 기하학, 중공 내부, 격자 구조를 가진 부품을 설계하거나 생성하는 능력은 제조 업계에서 게임 체인저입니다. 외부적으로도 DfAM은 기존 제조 공정으로는 불가능한 완전히 새로운 형태의 부품이나 제품을 만들 수 있게 합니다.

• 부품 통합

항공우주 및 자동차 산업의 제조업체들은 부품 통합 측면에서 적층 제조의 이점을 누리고 있습니다. 간단히 말해, 적층 제조의 생산 능력과 DfAM이 결합되어 생산자들이 부품 어셈블리를 혁신적으로 재설계하여 여러 구성품을 단일 부품으로 결합할 수 있게 합니다.

부품 통합의 가장 유명한 사례 중 하나는 항공우주 스타트업 렐러티비티 스페이스(Relativity Space)에서 나옵니다. 이 회사는 3D 프린팅과 DfAM을 활용해 로켓 엔진 어셈블리를 약 100,000개 부품에서 단 1,000개로 통합했습니다. 3D 프린팅과 부품 통합 덕분에 렐러티비티의 로켓 엔진은 제작 비용과 시간이 획기적으로 단축되었습니다.

• 경량화

설계 자유도와 부품 통합의 결과로, 제조업체들은 부품 무게 감소 같은 설계 목표를 달성하는 새로운 방법을 찾고 있습니다. DfAM 소프트웨어가 발전함에 따라 부품 설계는 성능 요구사항을 기반으로 생성될 수 있게 되었으며, 이는 구성품이 강도나 구조적 무결성을 해치지 않으면서 가능한 가장 가벼운 무게를 갖도록 합니다.

더 가벼운 부품을 설계하는 능력(격자 같은 부분적 중공 내부 기하학 통합, 여러 부품을 하나로 통합, 완전히 새로운 구조 생성 등)은 더 효율적인 기계를 만드는 데 필수적입니다. 차량이나 항공기에서 무게 감소는 연비 향상으로 이어집니다. 소재 무게 감소는 소재 비용 절감으로도 이어져 더 비용 친화적인 생산을 가능하게 합니다.

오늘날 DfAM의 현황

오늘날 우리는 생성 설계, 위상 최적화 및 기타 스마트 설계 기능을 아우르는 DfAM 소프트웨어 솔루션의 유입을 목격하고 있습니다. 토폴로지(Topology), 파라미터스(Parameters), 오토데스크(Autodesk), 알테어(Altair) 등의 소프트웨어 개발자들이 혁신적인 도구를 내놓으며 제조업체들이 부품 설계를 간소화할 뿐 아니라(생성 설계와 시뮬레이션 기능을 통한 자동화 증대) 설계 단계에서 적층 제조의 진정한 이점을 활용할 수 있게 하고 있습니다.

이 단계에서 제조업체들은 AM과 DfAM의 이점을 막 활용하기 시작했습니다. 이는 산업 분야에서 새로운 영역이기 때문입니다. 다행히도 래피드다이렉트(RapidDirect) 같은 많은 AM 전문가와 전문 서비스가 기업들의 DfAM 탐색을 통한 적층 제조 도입 여정을 지원할 수 있습니다.

오늘날 우리는 전통적 공정으로 제조되던 부품을 DfAM과 3D 프린팅을 사용해 재설계하는 기업들의 성공 사례가 증가하는 것을 봅니다. 미래에는 DfAM 소프트웨어와 적층 제조가 더욱 널리 채택될 것입니다.