[헬로티 = 출처 3D시스템즈 백서]

이번 3D시스템즈 백서에서는 엔지니어링 전문가가 금속 적층제조 장비를 개발해 전 세계 제조업체의 가치를 극대화할 수 있는 방법에 대한 통찰력과 기존 금속 3D프린터에 대한 비교 결과를 제공한다. 

금속 적층제조의 효율화

금속 적층제조(Additive Manufacturing, 이하 AM)는 다양한 시스템의 상호작용이 필요한 정교한 공정이다. 높은 품질의 부품을 만들기 위해 공정을 반복하는데 필요한 변수를 조합하기 위해서는 시간을 투자해 적층제조기술의 완성도를 높여야 한다. 

소개할 다섯 가지 요인은 단순히 부품 혹은 작업 간 반복성만을 의미하지 않고, 여러 3D프린터와 생산 현장 사이에서도 반복성을 구현함으로써 진정한 확장성의 토대를 마련한다. 

향후 제조산업 분야는 다양한 산업군의 기업들이 우수하고 지능적인 기계 엔지니어링을 통해 높은 품질과 낮은 총운영비용(CTO)으로 금속 부품을 쉽고 유연하게 생산할 수 있어야 한다. 

▲금속 3D프린터는 금속 파우더 소재를 사용해 금속 부품을 제조한다. 

금속 3D프린터는 금속 파우더 소재를 사용해 최종적으로 금속 부품을 제조한다. 이때 각 공정의 조건이 최종 부품 결과에 영향을 미친다. 따라서 이러한 공정들의 상호작용 및 관리 방법에 따라 전체 AM 품질 및 반복성도 결정된다. 

일반적으로 기업들이 금속 적층제조에 투자하는 이유는 제한이 거의 없는 디지털 워크플로의 설계 유연성을 통해 여러 이점을 이용하기 위해서다. 

이번 기사에서 언급하는 응용 샘플은 대부분 중량 감소, 기능 개선을 위한 내·외부 맞춤형 기하형상을 특징으로 하기에 다른 어떤 방법으로도 생산하기 어려운 편이다. 금속 AM은 다수의 부품을 단일 설계로 통합해 복잡한 구성품 어셈블리를 대체할 수 있기에 관련 인건비를 절감할 뿐 아니라 연약한 접합점을 제거해 구조적 무결성을 높이는 데도 탁월하다. 

금속 AM은 생산 기간 단축, 대량 맞춤 생산 및 공급망 통합을 지향하고 있다. 생산성 증대와 재고 감소, 출시 시간 단축은 올바른 금속 AM 솔루션을 사용했을 때 실감할 수 있는 전략적 기회인 셈이다. 

금속 AM은 설계 기반 제조 공정으로서 고출력 레이저를 사용해 설계에 따라 파우더 재료를 선별해 용융하고 원하지 않는 부분은 가스가 빠져나가도록 둔다. 현재 시장에는 레이저 기반 공으로 부품을 구현하는 금속 AM 프린터가 다수 출시돼 있다. 

레이저 파우더 베드 융합을 의미하는 LPBF 공정, 직접 금속 프린팅을 의미하는 DMP 공정, 선택적 레이저 용융을 의미하는 SML 공정, 그리고 직접 금속 레이저 소결을 의미하는 DNLS 공정을 찾아볼 수 있다. 

이중에서 일관적인 품질과 반복성을 보장하는 시스템을 찾아야 한다. 3D프린터, 소재, 설계 파일 및 소프트웨어가 최적화돼 상호작용해야 최상의 결과를 도출해낼 수 있다. 

▲레이저 광원에서 파우더 입자 용융에 이르는 광학 체인은 모든 금속 3D프린터의 핵심이다. 

고품질 소재와 부품 정밀도를 보장하는 방법

첫 번째 요인은 ‘프리미엄 레이저 제어’다. 레이저 광원에서 파우더 입자 용융에 이르는 광학 체인은 모든 금속 3D프린터의 핵심이다. 광학 체인에서 잘못되면, 적층제조 공정의 품질과 정밀도가 떨어져 생산 부품에도 부정적인 영향을 미친다. 

레이저 광원은 고강도 레이저 빔을 조사해 광학 체인에 충분한 에너지를 공급한다. 3D시스템즈 프린터의 경우, 시준기가 레이저를 재료 유형과 처리 조건에 최적화된 직경의 평행 빔으로 변환한다. 

이렇게 변환된 평행 레이저 빔은 광학 체인을 따라 흡수율이 낮은 고품질 렌즈를 통해 광학적으로 초점을 맞춘다. 이때 렌즈는 열 렌즈 효과 같은 열 열화의 영향을 받지 않는다. 

그런 다음 각각 단일 회전축을 따라 정밀하게 제어되는 갈바노 미러 2개가 초점면(여기서는 파우더 베드)에서 원하는 위치로 레이저를 동일한 강도로 굴절시킨다. 

이에 50 또는 65마이크론(DMP 프린터 유형에 따라 다름)의 미세 레이저 빔이 적절한 용융을 통해 적층제조의 정밀도를 높인다. 결과적으로 DMP 시스템에서는 벽면 두께를 150마이크론까지 높이고, 표준 편차를 25마이크론까지 낮춰서 품질을 구현할 수 있다. 

두 번째 요인은 ‘최적의 적층 제조를 위한 정성적 파우더 사용과 공정 가스 배출’이다. 잘못된 아르곤 유량 관리로 인한 공정 가스는 금속 적층제조의 품질을 저하시키는 원인이 된다. 

마찬가지로 품질, 순도가 부적합하거나 프린팅 파라미터와 맞지 않는 금속 합금 파우더를 사용해도 프린팅 공정에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 금속 적층제조에 공급할 목적으로 특화해 개발된 금속 합금 파우더를 사용하는 것이 바람직하다. 

금속 합금은 응용 분야에 따라 다르지만 특히 알루미늄, 마레이징강, 강을 비롯해 다양한 등급의 티타늄, 니켈 및 코발트 크롬 합금 등 다양하게 사용된다. 최적화된 파우더 유형을 금속 AM프린터에 사용하면 부품 품질을 높인다. 3D프린터에서 프린트할 대상과 방법을 결정하는 프린트 파일은 각 재료마다 광범위하게 개발된 알고리즘에 따라 다르다. 

이러한 알고리즘은 최종 부품 품질에 커다한 영향을 미칠 뿐 아니라 특정 부품의 목표 물성을 달성하는데 필요한 시간을 크게 줄인다. 한편, 금속 적층제조는 기본적으로 파우더를 사용하는 용융 공정이기에 프린트 챔버의 아르곤 유량을 올바르게 관리해야 한다. 

아르곤 유량을 잘못 관리하면, 입자가 방출돼 레이저 에너지를 흡수할 수 있는 위험에 노출된다. 따라서 품질 문제를 피하기 위해서는 아르곤 유량을 완전히 제어할 수 있는 시스템이 필요하다. 

▲3D시스템즈의 DMP 프린터의 경우 단순한 데이터 수집 및 표현을 넘어 강력한 모니터링 기능을 제공한다.

세 번째 요인은 고품질의 금속 AM을 위해 산소량을 지속적으로 최대한 낮출 수 있는 ‘불활성 대기’다. 레이저 광학 렌즈와 파우더 소재 품질 외에 금속 AM 품질을 높이는 중요한 역할을 하는 것은 3D프린터 내부의 불활성 가스 환경이다. 

구체적으로 말하자면, AM 공정은 산소와 수분량의 영향을 받습니다. 소량이라고 해도 파우더 입자 사이에 공기가 갇히면 금속 산화를 일으킬 수 있기에 재료가 더욱 약해져 쉽게 파손되는 원인이 된다. 

이때 진공을 적용하면 공기를 효과적으로 제거할 수 있다. 불활성화 주기를 몇 차레 실행하면, 진공 상태에 이르게 돼 3D프린터의 빌드 영역과 재료 보관공간에서 대기의 산소함량이 극도로 낮아진다. 

주요 용접 분야에서 이미 검증된 공정이기도 한 진공 개념은 빌드 챔버에서 공기를 제거함으로써 파우더 입자 사이에 존재하는 공기와 수분을 활발하게 추출한다. 이러한 불활성화 공정으로 산소 함량이 처리 과정에서 25ppm 미만까지 크게 떨어진다.

대부분 기존 금속 3D프린터의 산소 함량은 500~1000ppm인 것을 감안하면, DMP 프린터에서 산소 함량을 25ppm 미만까지 떨어뜨리는 작업은 획기적인 일이다. 

3D시스템즈의 불활성화 공정의 경우, 기존 금속 3D프린터보다 훨씬 빠를 뿐 아니라 사용되는 아르곤 가스도 적어서 10배 이상 적다. 따라서 장비를 사용하면서 구매하게 되는 압축 아르곤 가스의 총 비용도 크게 줄어든다. 

▲최적의 공정을 위해서는 3D CAD 모델의 준비, 최적화, 제조 등 전체 워크플로가 통합된 소프트웨어 솔루션이 필요하다. 

전체 AM 워크플로를 주목하다

네 번째 요인은 ‘품질 보장 및 정보 추적을 위한 실시간 공정 모니터링과 자동 품질 분석’이다. 3D시스템즈의 DMP 프린터의 경우 단순한 데이터 수집 및 표현을 넘어 강력한 모니터링 기능을 제공한다. 

라이브 비전 시스템이 스캔 전후로 파우더 베드의 가시광 이미지를 캡처해 레이어 순서에 따라 비디오를 생성한다. 또 다른 시스템은 용융 풀의 발광 이미지를 캡처한다. 

이 두 시스템은 생성 부품의 공정 모니터링은 물론 비파괴 품질 관리에도 매우 이상적이다. 또한, 추적 가능성을 지원할 목적으로 모든 그래프 데이터가 자동으로 기록되는 동시에 서버에도 백업된다. 

이렇게 다양한 데이터에 대한 액세스가 가능하기에 유용한 의사결정을 내리는 데도 효과적이다. 검증된 공정 추적 능력과 관련 기록들은 이미 유용성이 검증돼 항공우주나 헬스케어 같이 엄격한 규제 산업에서는 반드시 필요하다. 

시장에 출시된 시스템이 모두 엄청난 양의 데이터를 수집하는 것이 아니더라도 대부분 일정한 유형의 표현 이미지를 제공하고 있다. 하지만 이러한 방식은 시간과 수고를 의도적으로 할애해 데이터를 분류하고 분석해야 한다는 점에서 보이는 것만큼 유용하지 않다. 

이러한 단점을 극복하기 위해 품질 파라미터를 그래프로 제공하는 제조업체도 있다. 하지만 이러한 품질 파라미터는 다공성, 공극 위치, 표면 결함 등 부품의 기계적 무결성을 결정하는 요인과 관련해 업계 품질 관리를 따르지 않기에 정의하는 데 따른 문제가 발생한다. 

3D프린터에서 생성되는 품질 파라미터와 업계 표준 품질 지표 사이에는 표준 연관성이 없기에 이러한 데이터의 가치는 중간 해석과 테스트를 거쳐야만 유용한 정보로 사용될 수 있다. 

다섯 번째 요인은 설계부터 후처리까지 전체 AM 워크플루를 아우르는 ‘소프트웨어’다. AM 워크플로의 주 목적은 성공적인 프린팅이다. 

하지만 최적의 비용 구조로 설계부터 반복 가능한 제조 공정에 이르는 비용과 속도는 비즈니스 성공의 열쇠이기에 이를 위해서는 3D CAD 모델의 준비, 최적화, 제조 등 전체 워크플로가 통합된 소프트웨어 솔루션이 필요하다. 

다른 AM 소프트웨어 솔루션도 여러 가지 워크플로를 처리하지만, 모든 워크플로 단계를 처리하는 소프트웨어는 찾기 어렵다. 

3D시스템즈의 3DXpert는 준비 및 최적화 워크플로를 간소화해 설계부터 제조에 이르는 리드 타임을 최소화하는 동시에 프린팅 시간, 재료 사용 및 후처리 작업을 최적화해 양산에 따른 TCO를 줄이는 올인원 AM 소프트웨어다. 

이 솔루션은 전체 워크플로를 처리할 뿐 아니라 몇 가지 주요 부문에서 독자적인 접근 방식을 따른다. 3DXpert는 단일 AM 소프트웨어뿐 아니라 전체 워크플로에서 동일한 작업 환경을 사용한다. 작업 환경이 하나로 통합돼 파일 형식을 변환하지 않고도 단계 이동이 용이하기에 오랜 시간으로 오류가 발생하기 쉬운 반복 공정이 줄어든다.