연구 배경

적층 제조(Additive Manufacturing)는 재료를 한 층씩 쌓아가며 제품을 만드는 방식입니다. 그림 1은 적층 제조와 절삭 가공의 제조 과정을 비교한 것입니다. 적층 제조는 기존 제조에 비해 낭비되는 재료의 양이 적어 재료 효율성 측면에서 이점이 있습니다.

그림 1 (a) 적층 제조와 (b) 기존 제조의 차이점

그림 2와 같이 설계 복잡도에 따른 적층 제조와 절삭 가공의 비용을 비교하면, 복잡도가 증가할수록 적층 제조가 더 경제적임을 알 수 있습니다. 이에 따라 높은 설계 자유도와 재료 효율성을 보이는 적층 제조를 고려한 설계(Design for Additive Manufacturing)가 주목받고 있습니다.

그림 2 설계 복잡도에 따른 적층 제조와 절삭 가공의 가격 변화

연구 목적

적층 제조의 발전으로 인해 제품 제조 공정의 개선을 원하는 여러 기업이 적층 제조를 채택하고 있습니다. 이에 따라, 주어진 부품의 적층 제조 적합성을 판단하기 위해 빠르고 효과적인 방법에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 이를 위해 본 연구에서는 적층 제조에 적합한 부품을 식별하기 위한 포괄적인 기준과 체계적인 절차를 제안합니다.

제안하는 기준 및 절차

그림 3과 같이 Stage 1은 적층 제조의 제조 가능성을 평가하고, Stage 2는 적층 제조 적합성을 평가합니다. 사용자의 요구사항과 기준별 검사 결과의 충족 여부를 확인하여, 적층 제조의 적합성을 평가합니다. 또한, 모델의 설계 형상은 변경되지 않는다고 가정합니다. 

Stage 1에서는 2개의 기준을 검사합니다. ‘제조 재료 검사’는 적층 제조가 가능한 재료인지 확인하고, ‘부품 크기 검사’는 3D 모델의 경계 박스 부피가 3D 프린터의 빌드 사이즈를 초과하는지를 확인합니다.

Stage 2에서는 6개의 기준을 검사합니다. ‘제조 비용 검사’, ‘재료 사용량 검사’, ‘제조 시간 검사’에는 슬라이싱 SW로 생성된 G-code에 있는 정보를 활용합니다. ‘후처리 검사’는 공정별 오차, 표면 거칠기 데이터와 사용자 요구 조건을 비교합니다. ‘형상 복잡도 검사’는 3D 모델을 통해 계산할 수 있는 총 4가지 비율을 활용합니다. ‘지속가능성 검사’는 openLCA를 활용하여 전생애주기평가를 통해 탄소 배출량을 예측합니다.

그림 3 적층 제조 적합 부품 식별 절차도

부품 식별 결과

제안하는 기준 및 절차도를 검증하기 위해 10개의 모델을 사용했습니다. 10개의 모델에 대해 메쉬 라이브러리를 활용하여 STL 포맷의 3D 모델을 입력받아 부피, 표면적, 경계 박스 부피, 경계 박스 치수, 형상 복잡도 지표를 계산하고, 슬라이싱 SW를 사용해 재료 사용량, 제조 시간, 제조 비용를 구합니다. 사용자는 제조 비용, 제조 시간, 후처리 필요 여부, 탄소 배출량에 대한 요구 조건을 입력합니다. 사용자 요구사항 및 기준 충족 여부에 따라 주어진 모델의 제조 방식을 적층 제조와 절삭 가공 중 선택하여 결과를 출력합니다.

제조 시간 10시간 이하, 제조 비용 2$ 이하, 탄소 배출량 이하를 적층 제조 적합 기준으로 본 연구에서 임의로 결정하였고, 이에 따라 그림 4와 같이 10개 모델 중 6개의 모델(1, 4, 5, 8, 9, 10)이 적층 제조에 적합하다는 결과를 도출하였습니다. 기준 값은 상황에 따라 달리 설정할 수 있고, 이에 따라 부품 식별 결과가 달라질 수 있습니다.

그림 4 기준별 검사 결과

결론

본 연구를 통해 부품의 적층 제조 적합성을 평가하기 위한 구조화된 접근 방식을 제공함으로써 다양한 분야에 걸쳐 적층 제조 기술 도입을 촉진할 수 있을 것으로 기대합니다. 향후에는 제안하는 기준을 통해 다양한 3D 모델에 대해 적층 제조 적합성을 분류하고, 인공 지능 기반으로 이 데이터를 학습시켜 적층 제조 적합성 예측 모델을 개발할 예정입니다.