금속 3D프린팅 설계, 재료를 어디에 남길까?

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금속 부품을 3D프린터로 만들 때, 기존 외형을 그대로 옮기는 것이 최선일까? 프라운호퍼 IWU·EMI·IFAM의 기술 자료에 따르면, 하중과 기능에 맞춰 재료를 다시 배치하면 필요한 성능을 충족하면서 재료 사용량을 줄일 수 있다.

AI 개념 이미지: 금속 브래킷의 기존 형상과 하중에 맞춰 재료를 배치한 형상을 비교해 보여준다. 실제 부품이나 설비를 촬영한 사진은 아니다.

금속 3D프린팅은 형상을 어떻게 바꾸나?

금속 적층제조는 재료를 한 층씩 쌓아 부품을 만드는 3D프린팅 방식이다. 공구나 금형으로 형상을 만드는 과정이 없어, 속이 반복적으로 비어 있는 격자 구조나 굽은 표면처럼 복잡한 형상을 설계하고 제작할 수 있다.

보고서는 7개 사례를 바탕으로 분말 베드 기반 금속 적층제조 공정인 레이저 빔 용융(LBM)과 전자 빔 용융(EBM)의 설계 원칙을 다룬다. 사례 속 부품은 각각 선택한 공정의 요구에 맞춰 설계됐다.

절삭가공이나 성형으로는 만들기 어려운 형상도 설계 선택지에 들어온다. 따라서 기존 부품을 옮겨 출력하기 전에, 외형과 내부를 함께 살펴볼 여지가 생긴다.

부품이 차지할 공간을 먼저 정하고, 무게와 하중, 필요한 기능에 맞춰 재료를 어디에 둘지 결정하는 방법을 위상 최적화라고 한다. 부품 전체를 같은 모양으로 채우는 대신, 각 부품의 요구에 맞는 재료 배치를 찾는 것이다.

그렇게 얻은 형상은 복잡해질 수 있다. 기존 제조법으로 만들려면 비용이 매우 높아지거나 형상을 다시 단순화해야 할 수도 있다. 층별로 복잡한 형상을 만드는 적층제조가 이 설계와 연결되는 이유다.

형상을 바꾸는 또 다른 방법은 내부에 필요한 구조를 넣거나 따로 조립하던 부품을 하나로 합치는 것이다. 이 경우 설계 대상은 부품의 바깥 윤곽뿐 아니라 내부와 부품 사이의 관계까지 넓어진다.

적층제조는 컴퓨터로 만든 설계 데이터인 CAD 데이터를 직접 사용한다. 형상과 종류가 다른 부품도 성형 공구를 바꾸지 않고 잇달아 만들 수 있다.

성형법에서는 공구 제작비를 생산 수량에 나눠 반영하지만, 적층제조에는 그 공구가 필요하지 않다. 자료는 적층제조의 개당 비용이 생산 수량과 분리될 수 있으며, 특히 소량·중간 규모 생산에서 그 효과가 나타난다고 설명한다.

자료는 층 안의 개별 형상이 개당 비용에 큰 영향을 주지 않아 형상 복잡도와 비용이 분리될 수 있다고 설명한다. 대신 부품 부피가 가장 큰 비용 요인일 가능성이 높다고 본다.

소량 금속 브래킷이라면 기존 형상을 그대로 출력할지, 하중에 맞춰 재료를 다시 배치할지 결정할 때 두 설계안의 부품 부피를 비교해 볼 만하다. 아이컨택은 이 차이를 출력할 형상을 고르는 판단 근거로 본다.