적층 가공을 위한 설계: CAD 도구, 시뮬레이션, 복셀 및 AM 설계의 미래

2025년 7월 23일 | 읽기 시간: 6분

디트로이트에서 열린 Rapid + TCT Show의 특별 라이브 녹화에서, 적층 제조(AM) 디자인의 진정한 대가인 안드레아스 블라히노스 박사가 애디티브 스낵 팟캐스트에 출연하여 통찰력 있는 이야기를 들려주었습니다. 오랜 경력을 자랑하는 블라히노스 박사는 적층 제조를 위한 디자인의 진화, 그가 참여한 흥미로운 프로젝트, 그리고 혁신적인 작업을 지속하는 원동력이 되는 열정에 대한 자신의 관점을 공유했습니다.

적층 제조를 위한 설계의 진화: 따라잡기에서 시뮬레이션 기반 혁신으로: 적층 가공 설계의 진화

블라히노스 박사는 파라메트릭 CAD 시스템을 통해 엔지니어들이 기존 제조 방식으로는 제작할 수 없었던 내부 복잡성을 가진 설계를 만들 수 있었던 시절을 회상했습니다. 그 후 적층 가공 분말, 기계, 스캐닝 기술의 발전이 설계 능력을 앞지르면서 설계할 수 없었던 부품을 제작할 수 있게 되었습니다. 이로 인해 80년대에 소개되었지만 최근까지 완전히 활용하지 못했던 자이로이드를 포함한 격자 구조와 같은 복잡한 형상을 설계할 수 있는 새로운 회사와 도구가 등장하면서 CAD의 발전이 촉진되었습니다.

블라히노스 박사에 따르면 지난 3년 동안의 진정한 게임 체인저는 "시뮬레이션 기반 설계의 엄청난 발전"이었습니다. 이제 솔리드 부품에 대해 유한 요소 해석(FEA)을 실행하고 결과를 저장한 다음 해당 데이터를 사용하여 잔류 응력 또는 폰 미제스 응력에 따라 자이로이드의 두께를 변경하는 것이 가능해졌습니다.

중요한 장애물은 기존의 경계 표현 CAD 지오메트리와 고급 DfAM 툴로 생성된 복셀 기반 지오메트리 간의 상호 운용성이었습니다. 최근 복셀 기반 접근 방식을 수용하는 시뮬레이션 기술의 변화로 인해 설계 환경 내에서 실시간 시뮬레이션이 가능해졌습니다. 이제 설계자는 설계를 진행하면서 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있으며, 응력 지점을 기반으로 즉시 수정할 수 있습니다.

지식 격차 해소: 도구 및 교육

이러한 발전에도 불구하고 인력은 종종 뒤처져 왔습니다. 블라히노스 박사는 소프트웨어가 출시될 때마다 기술 개선 속도가 빨라지는 점, 학계가 새로운 도구를 따라가지 못하는 점, 새로운 과정을 인증하는 관료적 절차 등 몇 가지 요인을 그 원인으로 꼽았습니다. 그 결과 엔지니어들은 이러한 중요한 DfAM 기능에 대한 지식 없이 졸업하고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 업계는 점점 더 사내 교육에 의존하고 있습니다. 블라히노스 박사는 작년에 록히드마틴에서 480명의 엔지니어를 교육했는데, 이들 중 상당수는 기존 소프트웨어에서 이미 사용 가능한 고급 DfAM 툴을 알지 못했습니다.

그는 개인적으로 복셀 기반 설계와 Creo Simulation Live가 통합된 PTC Creo와 강력한 암시적 모델링 기능으로 방대한 격자 구조를 생성하고 자이로이드와 솔리드 CAD를 혼합하거나 이중벽 구조에 자이로이드를 쉘링하는 등의 고유한 작업을 수행할 수 있는 nTopology(현재 nTop ) 같은 도구를 활용하고 있습니다. 그는 강력한 기능에도 불구하고 nTop의 사용성과 상호 운용성은 개선되고 있지만 여전히 과제가 있다고 지적합니다.

열교환기 설계 프로세스: 심층 분석

그런 다음 블라히노스 박사는 적층 제조 열교환기를 설계하는 세심한 프로세스를 자세히 설명했습니다: 

1. 실현 가능성("할 수 있는지, 해야 하는지"): 봉투 안에 인쇄할 수 있는가? 자료를 사용할 수 있는가? 프린터에 액세스할 수 있는가? 그리고 결정적으로, 기존 방식(예: 튜브 앤 쉘 또는 브레이징 플레이트)과 비교했을 때 경제적으로 타당한가? 여기에는 피로 수명 및 유지 보수와 같은 요소를 고려한 총 소유 비용 분석이 포함됩니다.
2. 성능 목표 및 디지털 라이브러리 어떤 성능이 필요합니까? 블라히노스 박사는 기존 솔루션의 성능을 최소 두 배 이상 향상시키는 것을 목표로 합니다. 설계된 모델과 인쇄된 모델(방향, 지지대, 가공 허용치 포함)을 온디맨드 프린팅을 위해 PLM 시스템에 저장하는 디지털 트윈을 만드는 것이 목표입니다.
3. 초기 설계 및 CFD: 입구와 출구를 식별하고, 청키 바운딩 체적을 정의한 다음, 기본 입구/출구 온도 및 압력으로 이 체적에 대해 CFD 분석을 실행합니다. 자주 사용되는 TPMS 구조는 본질적으로 압력 강하가 낮습니다.
4. 흐름 가이드 형상화: CFD의 결과물인 유동선은 재료 배치를 안내하고 재순환 영역을 조각하며 기본 열교환기 부피를 정의합니다.
5. 공액 열전달 및 효율을 계산합니다: 고체 부피가 정의되면 공액 열전달 분석을 실행하여 전체 온도와 압력을 결정하고 열교환기의 효율을 계산합니다.
6. 설계 탐색 및 최적화: 효율이 낮은 경우 단위 셀 크기 및 격자 유형과 같은 매개변수를 탐색합니다. 여러 구성을 실행하는 실험 설계(DOE) 접근 방식이 사용됩니다. 결과를 시각화(예: 병렬 플롯, 파레토 프런트)하여 최적의 설계를 파악합니다.
7. 제조 가능성 및 협업: 최적화된 설계가 제조에 제공되면 서포트 구조 제거, 가공 공차, 후처리를 위한 데이텀과 같은 제약 조건이 해결됩니다. 인쇄 가능한 최소 벽 두께와 같은 제조 고려 사항은 DOE 범위로 다시 피드백됩니다.
8. 제조 공정 시뮬레이션: 면적 대 높이 플롯을 분석하면 문제를 일으킬 수 있는 갑작스러운 단면 변화를 발견하여 골판지 또는 경사로 피처와 같은 설계 수정을 요구할 수 있습니다.

다음 세대(그리고 현재 세대)에게 영감을 불어넣기

블라히노스 박사는 AM을 처음 접하거나 어려움을 겪고 있는 디자이너에게 교육은 단순한 정보가 아닌 영감에 관한 것이어야 한다고 조언합니다.

그는 나무가 위상 최적화를 사용하는 방법이나 나비의 날개가 얇은 구조로 긴 길이를 유지하는 방법 등 자연의 뛰어난 설계를 소개하는 것으로 DfAM 강의를 시작합니다.

그런 다음 그는 전자 기판 섀시 내부에 구멍을 뚫고 물을 몇 방울 떨어뜨린 다음 밀봉하여 히트 파이프를 내장하는 등 혁신을 위한 '씨앗'을 제공합니다. 그는 가장 어려운 부분은 150년 동안 이어져 온 감산 제조에 대한 설계의 사고방식을 극복하는 것이라고 말합니다.

안드레아스 블라히노스 박사의 통찰력은 정교한 도구, 엄격한 프로세스, 무엇보다도 협업적 사고방식이 AM의 잠재력을 최대한 발휘하는 빠르게 진화하는 분야에 대한 생생한 그림을 그려줍니다.

연결 및 자세히 알아보기

안드레아스 블라히노스 박사의 자세한 내용을 확인하세요:

• 고급 엔지니어링 솔루션 (AES) 웹사이트를 방문하여 그의 작업에 대해 알아보세요.
• 링크드인에서 블라히노스 박사와 연결하세요.
• Google Scholar에서 그의 출판물을 살펴보세요.
• 애디티브 스낵 팟캐스트 전체 에피소드를 들어보세요.