3D 프린팅을 위한 최적 설계 방법에 대해서 알아보자

# 3D 프린팅을 위한 최적의 설계 방법 - Dfam

DfAM (Design for Additive Manufacturing) 이란 적층제조, 즉 3D 프린팅을 위한 설계 방법을 의미합니다.

이러한 방식은 전통적인 제조방식에서 구현할 수 없었던 복잡한 형상을 3D 프린터로 출력 가능해지면서 대두되었습니다.

이 방법을 통해 3D 프린터의 잠재력을 이끌내보시기 바랍니다.

3D 프린터는 기존의 전통적인 제조방법으로 생산하기 어려웠던 형상들을 표현 할 수 있습니다.

이러한 3D 프린팅의 잠재력을 최대한으로 이끌어 내기 위해서는 이에 적합한 설계방법에 대해 알아볼 필요가 있습니다.

이번 시간에는 3D프린팅을 위한 설계방법, 즉 DfAM(Design for Additive Manufacturing)에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다.

DfAM이란 Design for Additive Manufacturing의 약자로 적층 제조를 위한 설계방법을 의미합니다.

이러한 개념은 적층 제조 기술, 즉 3D 프린팅 기술이 발전하면서 대두되기 시작되었습니다.

기존의 선반, 밀링, 등의 전통 제조 방식으로 제작하기 어려웠던 형상들이 3D 프린터로 제작 가능해지면서 여러 방법론들이 생겨났습니다.

이러한 방법론들을 통해 부품의 무게를 줄이고, 소모되는 재료를 줄이고, 기능의 효율을 높일 수 있습니다.

위상 최적화란 주어진 하중 조건이나 경계조건 및 설계 공간 내에서 최적의 설계안을 수학적으로 계산하는 방법입니다.

계산 과정에서 제품의 형상이 상당히 자유롭게 생성되기 때문에 컨셉 설계 단계에서 진행 한 뒤에 전통적인 제조방식에 맞춰 다시 수정하는 경우가 많았습니다.

하지만 적층제조 방식에서는 이러한 제약이 없기 때문에 위상최적화된 제품을 그대로 출력하여 테스트하거나 실제 제품으로 생산 할 수 있습니다.

이러한 수학적 계산은 소프트웨어를 통해 진행됩니다.

Fusion 360이나 Solidworks와 같은 일반적인 CAD 프로그램에 추가기능으로 포함되어 있기도 하고 Netfabb이나 3-matics 와 같이 전용 프로그램에서 사용할 수도 있습니다.

격자 구조는 세포구조의 한 종류입니다.

자연에서 영감을 받아 연구된 것으로 원자나 분자가 이루는 결합 구조에서 따온 것입니다.

이러한 격자 구조는 물체의 강도는 높이면서 밀도는 낮추는 효과를 가져옵니다.

주로 항공우주 분야, 또는 의공학 분야에서 많이 응용되고 있습니다.

전통적인 제조방식에서는 제조 툴의 한계로 인해 설계시 크기 단위를 한 두가지로 제약을 받습니다.

하지만 적층 제조방식에서는 이러한 제약이 없어서 하나의 부품 안에 여러 단위의 형상을 표현할 수 있습니다.

예를 들어 로켓의 열교환기의 경우 크기가 미터단위로 거대하지만 그안에 센티미터나 밀리미터 단위의 다공성 혹은 격자 구조 형상을 추가하여 효율을 극대화 할 수 있습니다.

다물질 디자인은 한번에 여러가지 물질로 부품을 제작하는 것을 의미합니다.

FFF방식이나 Polyjet 방식은 노즐에서부터 재료가 분사되어 나오기 때문에 듀얼 노즐을 사용하면 두 가지 소재를 사용하여 출력 할 수 있습니다.

단순히 출력을 여러가지 물질로 하는 것 뿐만 아니라 너트나 스크류 같은 공산품들을 출력 도중에 병합하여 하이브리드 방식의 제품을 만들 수 있습니다.

적층 제조 방식은 복잡한 형상을 출력할 수가 있기 때문에 기존에 여러 부품들을 조립하여 만들어야 했던 부품들을 하나로 만들어 출력 할 수 있습니다.

부품을 단일화 할 시 조립을 할 필요가 없기 때문에 체결 과정에서 발생하는 강도 저하를 방지 하고 생산 비용과 생산 시간을 절감할 수 있습니다.

3D 프린팅은 다품종 소량생산에 적합하다는 것은 이미 널리 알려진 사실입니다. 하지만 이 다품종의 이점을 극대화 할 수도 있습니다.

위상 최적화와 마찬가지로 설계의 기본 하중조건이나 경계조건을 만족하도록 설정한 뒤 크기나 모양에 대해 설정값을 바꿔가면 클릭 몇 번에 수백가지 디자인을 생성 할 수 있습니다.

이를 제너레이티브 설계 (Generative Design)라고 합니다.

이를 통해 개인의 니즈를 만족하는 수많은 디자인을 제공하거나 한가지 디자인을 여러 사람의 신체에 맞게 조절 할 수 있습니다.

지금까지 3D 프린팅, 또는 적층제조에 적합한 설계 방법인 DfAM에 대해 알아 보았습니다.

전통적인 제조 방식은 재료를 깎아서 만드는 방식이었다면 3D 프린팅은 재료를 적층해나가면서 부품을 제조하는 방식입니다. 따라서 새로운 시각으로 부품 설계 방식을 바라볼 필요가 있습니다.