왜 30년 동안 문제가 있었는지, 그리고 우리가 마침내 어떻게 해결했는지.
3D 프린터에서 출력되는 부품은 유한 요소 해석을 통해 모델링된 부품과 다릅니다. FDM 3D 프린팅을 다루는 모든 엔지니어는 어느 정도 이 사실을 알고 있습니다. 대부분은 이를 해결하기 위한 우회 방법을 찾아냈습니다. 하지만 이 문제가 왜 발생하는지에 대해 공개적으로 언급한 사람은 거의 없으며, 근본적인 원인을 해결한 사람은 더더욱 드뭅니다.
FDM 3D 프린터로 출력할 CAD 파일에 대해 표준 FEA 응력 해석을 실행하면, 깔끔한 등고선 플롯과 파손 예측 등 겉보기에는 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있습니다. 문제는 이러한 결과 중 거의 어느 것도 제작 공정이 결과에 어떤 변화를 가져올지 고려하지 않았다는 점입니다.
전통적인 유한요소법(FEA)은 분석 대상 부품이 등방성이고 균질하다고 가정합니다. 이러한 가정은 사출 성형, CNC 가공 및 기타 기존 제조 공정에서는 상당히 잘 적용됩니다. 하지만 FDM 3D 프린팅 부품의 경우, 이 가정은 근본적으로 불충분합니다.
FDM 부품은 적층된 비드들의 쌓임으로 이루어져 있으며, 각 비드는 이를 쌓아 올린 공구 경로에 의해 형태가 결정되고, 제작 영역 전반에 걸쳐 달라지는 열 과정을 통해 인접한 비드들과 결합됩니다. 비드 적층 방향의 재료 특성은 그 방향에 수직인 방향의 특성과 측정 가능한 차이를 보입니다. 충진 밀도, 패턴, 배향은 모두 표준 유한요소 분석(FEA) 모델로는 도저히 포착할 수 없는 방식으로 구조적 성능에 영향을 미칩니다.
일반적인 대응 방식은 매우 큰 안전 계수를 적용하는 것인데, 이는 종종 공구 경로를 고려하지 않은 점을 보완하기 위해 사용됩니다. 하중 조건에 따라 이는 합리적인 근사치가 될 수도 있지만, 대부분의 경우 그렇지 않습니다. 이 계수는 경량화가 최우선인 경우에는 지나치게 보수적일 수 있으며, 설계 시 예측하지 못했던 고장 모드에 대해서는 충분히 보수적이지 않을 수 있습니다. 그 결과, 3D 프린팅으로 제작된 부품은 필요 이상으로 과도하게 설계되어 더 무겁고 비용도 더 많이 들게 됩니다. 또한 하중을 지탱하는 용도의 경우, 안전 계수를 적용했다고 해서 제대로 정량화되지 않은 위험이 사라지는 것은 아닙니다.
시중에서 구할 수 있는 FEA 소프트웨어는 FDM이나 더 광범위한 3D 프린팅을 위해 개발된 것이 아닙니다. 대부분의 주요 시뮬레이션 도구는 균질한 재료, 안정적인 형상, 예측 가능한 공정 조건과 같은 기존 제조 방식의 가정을 바탕으로 개발되었습니다. 분말 베드 융합 시뮬레이션 분야의 진전은 의미 있는 수준이며, 그 이유는 시사하는 바가 큽니다. 파우더 베드 융합 시스템에서는 빌드 챔버 내의 총 재료량이 비교적 일정하게 유지되며, 주어진 시점에 열원에 노출되는 것은 국부적인 영역에 국한됩니다. 이러한 일관성 덕분에 잔류 응력, 변형 및 제작 실패를 합리적인 정확도로 모델링하는 것이 가능합니다.
학계와 산업계 모두에서 여러 접근 방식이 시도되었으나, 각각은 특정한 한계에 부딪혔습니다. 이방성 재료 모델과 복합 적층 이론을 사용하면 층간 취약성을 포착할 수 있지만, 지속적으로 변화하는 윤곽, 래스터 전환, 변화하는 재료 배향에서 비롯되는 미세한 이방성은 놓치게 됩니다. 개별 비드를 모델링하는 방법은 원칙적으로 물리적으로 정확하지만, 양산 규모의 부품에는 즉시 적용하기 어렵습니다. 합리적인 메쉬를 생성하는 문제조차 해결하기 전에 메쉬 요소 수가 계산상 처리 불가능한 수준에 이르게 되기 때문입니다. 단위 셀 기반 균질화 기법은 개별 비드보다 훨씬 큰 요소에 재료 특성을 적용하지만, FDM 공정이 명백히 위반하는 주기적인 재료 구조를 가정합니다. 등고선 경로는 부품 경계를 따르고, 필러 패턴은 벽면에서 방향을 바꾸며, 래스터 전환점은 국부적으로 뚜렷한 배향을 생성하고, 필러가 드문 영역은 밀집된 영역과는 전혀 다른 거동을 보입니다. 어떤 요소에 할당된 균질화된 특성은 기껏해야 평균값에 불과하며, 최악의 경우 파손을 가장 크게 좌우할 가능성이 높은 경계, 응력 집중부, 얇은 벽면에 명백히 잘못된 특성을 할당하게 됩니다.
각 접근 방식은 동일한 근본적인 결함을 공유합니다. 바로 툴패스를 주요 입력값이 아닌 사후 고려 사항으로 취급한다는 점입니다. 그 결과, 비용이 지나치게 많이 들거나 현저히 부적절한 접근법들이 생겨났으며, 업계는 더 많은 테스트 부품을 출력하고, 더 큰 안전 계수를 적용하며, 과도하게 설계된 부품을 수용함으로써 이를 보완해 왔습니다. 이러한 워크플로는 프로토타이핑에는 용납될 수 있지만, 부품 중량, 재료비, 성능 인증이 중요한 양산 응용 분야에는 확장성이 없습니다.
구조용 응용 분야에서 FDM에 대한 신뢰도가 떨어짐에 따라, 엔지니어들은 양산 부품에 FDM을 지정하는 것을 꺼리게 되며, 이는 더 나은 시뮬레이션 도구에 투자할 동기를 더욱 약화시킵니다. 이러한 악순환이 계속됩니다.
그 결과, 중요한 기회가 놓쳐지고 있습니다. FDM 3D 프린팅은 경량화, 저비용, 빠른 리드 타임, 설계 유연성 등이 기존 제조 방식에 비해 의미 있는 이점을 제공하는 금형, 고정구, 브래킷 및 구조적 생산 지원 응용 분야에서 분명한 잠재력을 가지고 있습니다. 엔지니어들이 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 도구가 없다면, 이러한 이점들은 실현되지 못할 것입니다.
문제는 구체적이며, 해결책도 마찬가지입니다. 3D 프린팅된 FDM 부품의 기계적 거동을 정확하게 예측하려면, 시뮬레이션이 기존의 유한요소해법(FEA)이 단순히 간과하는 요소들을 고려해야 합니다: 각 비드의 적층 방향과 이것이 강성과 강도에 미치는 영향, 부품 전반에 걸친 인필 패턴과 밀도, 일반적인 데이터시트 값이 아닌 사용 중인 프린터와 슬라이스 높이에 특화된 검증된 재료 특성, 그리고 무엇보다도 시뮬레이션을 건너뛰게 되는 장애물이 아닌 실질적인 단계로 만들기 위한 속도 등이 바로 그것입니다.
마지막 요점은 겉보이는 것보다 훨씬 중요합니다. 복잡한 FEA 시뮬레이션은 고성능 하드웨어에서도 수 시간이 소요될 수 있습니다. 단순히 테스트 부품을 출력하여 물리적으로 테스트하는 것이 더 빠르다면, 엔지니어들은 후자를 선택할 것입니다. 물리적 테스트보다 빠르게 결과를 도출하지 못하는 시뮬레이션 도구는 아무리 정확하더라도 엔지니어링 관행을 바꾸지 못할 것입니다.
물리적으로 정확한 FDM 시뮬레이션에 필요한 모든 정보는 한 곳, 즉 인쇄 준비 소프트웨어에서 생성된 툴패스 데이터에 존재합니다. 툴패스는 각 비드가 정확히 어디에, 어떤 방향으로, 어떤 필러 패턴으로 적층되었는지 정확히 알고 있습니다. 이는 제조된 3D 프린팅 부품에 대해 존재하는 가장 완벽한 설명입니다. 문제는 시뮬레이션 도구가 이 정보를 활용할지 여부였습니다.
NoviPath는 기존 접근 방식에서 실패했던 가정을 완전히 뒤집습니다. CAD 형상을 출발점으로 삼아 FDM 공정을 통해 도출된 재료의 체적 특성을 반영하려고 시도하는 대신, 툴패스 자체에서 시작합니다. 툴패스는 부품의 모든 지점에 정확한 방향성 재료 특성을 할당하는 데 필요한 형상 정보와 공정 정보를 모두 담고 있는 유일한 정보원입니다.
GrabCAD Print Pro에 통합된 Novineer의 FDM 시뮬레이션 엔진은 제작 방향, 레이어 높이, 레이어 방향, 인필 패턴은 물론 소재별 특성을 반영한 실제 GrabCAD 공구 경로 데이터를 읽어들이고, 3D 프린팅될 부품의 물리적으로 정확한 모델을 구축합니다. 이 시뮬레이션은 부품을 지나치게 단순화한 버전이 아닌, 실제 제작된 그대로를 반영합니다.
이 기술은 세 가지 핵심 구성 요소를 기반으로 하며, 각 구성 요소는 기존 접근 방식의 특정 한계를 해결합니다.
재료별, 슬라이스 높이별, 프린터별로 18가지 개별 기계적 특성을 포괄하는 엄격한 재료 특성 분석 방법론과 결합함으로써, 이 모델은 부품이 이상적으로 설계된 방식이 아닌 실제 제작된 방식을 반영합니다.
Novineer는 NoviPath가 일반 하드웨어(이 경우 Intel® Core™ 7 240H (2.50 GHz), 16GB RAM 장착, 물리적 CPU 코어 10개)를 사용). 이러한 모델의 정확도는 실제 실험 결과와 비교했을 때 5~18% 범위 내에 있습니다. 자세한 내용은 향후 발표될 기술 백서에서 확인할 수 있습니다.
속도, 정확도, 검증은 아키텍처의 필수 요소이며, 사후 고려 사항이 아닙니다. NoviPath는 시뮬레이션을 설계 루프에서 실질적인 단계로 만들 수 있을 만큼 빠르게 정확한 결과를 제공하도록 설계되었습니다. 엔지니어는 GrabCAD Print Pro를 벗어나거나 모델을 다시 빌드할 필요 없이, 빌드 방향을 조정하거나, 래스터 각도를 변경하거나, 윤곽선을 추가한 후 시뮬레이션을 실행하여 구조적 영향을 확인할 수 있습니다. 예전에는 며칠이 걸리던 반복 작업이 이제 몇 시간으로 단축됩니다. 설계 반복을 위한 물리적 테스트 출력이 더 이상 필요하지 않으므로, 매 사이클마다 재료 사용량, 제작 시간 및 비용이 절감됩니다.
출시 시점에 검증된 소재 라이브러리에는 Antero 800NA, FDM Nylon 12CF, ULTEM 9085가 포함되며, 초기에는 F900, Fortus 450mc, F3300 프린터가 지원될 예정입니다. 소재 데이터는 특정 프린터 및 슬라이스 높이에 맞춰 보정된 엄격한 쿠폰 테스트를 통해 도출되었습니다. Novineer는 자동차 조립 라인 라이저를 대상으로, 필수 안전 계수를 유지하면서도 최대 35%의 중량 감소를 달성했으며, 검증 기간을 몇 주에서 몇 시간으로 단축했습니다.
이 점이 가장 중요한 응용 분야는 바로 FDM 3D 프린팅이 그동안 제약을 받아왔던 분야들, 즉 하중을 지탱하는 툴링 및 고정구, 구조적 제조 보조 도구, 항공우주 프로그램의 브래킷, 성능 인증이 필요한 의료 기기 부품 등입니다. 각 사례에서 장벽이 된 것은 프린팅 기술이 아니었습니다. 특정 방식으로 제작된 특정 부품이 특정 하중 하에서 성능을 발휘할 것임을 공학적으로 확신하며 입증할 수 없었던 것이 문제였습니다. 이는 모델링 및 시뮬레이션 문제였으며, 이제 해결 가능해졌습니다.
여기서 언급할 만한 더 장기적인 추세가 있습니다. FDM 업계 전반, 특히 스트라타시스(Stratasys)는 지난 20년 넘게 일관되고 신뢰할 수 있는 부품을 생산할 수 있음을 입증해 왔습니다. 소재의 특성도 잘 파악되어 있습니다. 공정 제어 기술도 성숙해졌습니다. 구조용 생산 분야에서 FDM의 더 광범위한 채택을 가로막는 남은 장벽은 하드웨어가 아니라, 성능이 중요한 분야에서 FDM 사용을 정당화하기 위해 필요한 공학적 엄격성과 확신이었습니다.
이러한 격차를 해소함으로써 엔지니어들이 설계하고자 하는 대상의 범위가 달라집니다. FDM 시뮬레이션을 신뢰하는 엔지니어들은 더 이상 설계를 기계 가공이나 사출 성형으로 쉽게 제작할 수 있는 범위로만 제한하지 않습니다. 그들은 적층 제조만이 제공할 수 있는 장점을 최대한 활용하는, 3D 프린팅으로만 구현 가능한 형상의 부품을 설계하기 시작합니다. 3D 프린터는 이미 양산 규모에서 신뢰할 수 있고 복잡한 부품을 생산할 수 있음을 입증했습니다. 시뮬레이션을 통해 불확실성이 제거될 때 확보되는 설계 역량은 상당합니다.
이 연구가 목표로 하는 변화는 바로 이것입니다. 단순히 안전 계수를 높이는 것이 아닙니다. 이미 과도하게 설계된 설계를 더 빨리 승인하는 방법도 아닙니다. FDM의 특성을 정확히 반영하고, 엔지니어들이 적층 제조가 가진 잠재력을 최대한 활용할 수 있도록 자신감을 심어주는 시뮬레이션 접근 방식입니다.
