활용사례[SLM 3D프린터 활용사례] 로봇 샌더용 Y자형 커넥터 : 최적화 작업이 이끈 비용 절감

3D프린팅 기술의 많은 이점 중 하나는 바로 비용 절감이라고 할 수 있습니다. 

기존의 전통적인 기술로 부품을 제작하게 되면 거쳐야 하는 많은 공정 과정을 최소화할 뿐만 아니라 설계 과정에서 위상최적화 혹은 경량화 작업을 거쳐 사출 성형, CNC와 같은 기존 기술로는 제작할 수 없는 형태의 부품 구조를 제작하는 동시에 경량화된 부품으로 비용 절감을 달성할 수 있게 되는 것이죠.

오늘 3D프린팅 기술을 이용하여 비용 절감을 성공적으로 달성한 흥미로운 사례를 하나 소개해드리려고 합니다. 

핀란드의 Etteplan이라는 회사에서 로봇 샌딩기 먼지 제거 채널의 Y자형 커넥터를 제작한 사례인데요. 자세한 내용을 확인해볼까요?


Etteplan Oyj? 



Etteplan Oyj는 핀란드에 본사를 두고 있는 회사로 산업용 장비와 플랜트 엔지니어링(설비 관리) 그리고 소프트웨어와 내장형 솔루션, 기술적인 문서화 솔루션 등 제조 업계에 있는 세계적인 기업들에게 다양한 서비스를 제공합니다. 

Etteplan이 제공하는 서비스는 특히 제품 라이프 사이클(수명 주기) 전반에 걸쳐 고객의 제품과 서비스 그리고 엔지니어링 프로세스의 경쟁력이 향상할 수 있도록 도와주는 역할을 하는데요. Etteplan의 혁신적인 엔지니어링 결과는 수많은 산업 솔루션과 일상 제품에서 찾아볼 수 있습니다.




설계 업데이트와 파라메터 최적화 작업이 이끈 비용 절감


Etteplan은 한 고객사로부터 로봇 샌딩 기계의 먼지 제거 채널 부품을 재설계하고 3D프린팅에 맞게 최적화해달라는 요청을 받았습니다. 기존에 전통적으로 제조된 부품은 높은 비용과 긴 공급망 그리고 너무 큰 공간 차지로 인하여 조립 라인에 문제를 야기하는 단점을 가지고 있었습니다. 이러한 이유로 인하여 고객사는 LPBF(Laser Powder Bed Fusion : 금속 3D프린팅 기술의 일종) 방식으로 제조하여 기존 제품보다 가볍고 개선된 기류 특성을 가진 부품을 낮은 비용으로 제작할 수 있는 새로운 솔루션을 원했습니다. 


Etteplan는 첫번째 설계 작업에서 내부 공기 채널을 매끄럽게 하고 필요 이상의 재료를 제거(단순화 작업)하였습니다. 이 단계에서  출력 방향이 빌드 시간과 서포트 양에 미치는 영향과 필요한 후처리 시간, 예상되는 파트의 변형/왜곡 수준을 분석하기 위해 자체 출력 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 최적화 작업을 진행하였습니다. 


이 작업을 통해, 서포트 양과 후처리, 변형 면에서 가장 최적의 빌드 방향 2개를 얻어냈습니다. 2개의 빌드 방향 옵션은 부품 1개를 출력할 경우 가장 긴 출력 시간이 걸리지만 최소한의 영역을 차지하기 때문에 빌드 플레이트에 부품을 가득 채워 출력할 경우에는 개당 부품 출력시간이 실질적으로 다른 빌드 방향 옵션보다 줄어들게 된다는 것을 확인할 수 있었습니다.



최적의 부품 빌드 방향 2가지 (위) , 빌드 시간, 서포트 양, 후처리, 변형 면에서 200개 이상의 부품 빌드 방향을 비교하는 색상 도표 (아래) - 최소값은 녹색을 최대값은 빨간색을 나타냅니다.

최적의 부품 빌드 방향 2가지 (위) , 빌드 시간, 서포트 양, 후처리, 변형 면에서 200개 이상의 부품 빌드 방향을 비교하는 색상 도표 (아래) - 최소값은 녹색을 최대값은 빨간색을 나타냅니다.  


추가적인 수정 작업을 통해 최적 빌드 방향에서의 프린팅 가능성(printability)을 높이고 부품 조립 후에 최종 사용자에게 보이는 영역의 서포트 구조를 제거하였습니다. 2개의 최적 빌드 방향을 가지고 출력 프로세스를 시뮬레이션하여 어디에 서포트 구조가 필요한 지 결정하고, 출력이 진행되는 동안 출력 방향의 왜곡/변형이 리코터와 충돌하지 않도록 보장해주며 부품의 최종 변형 수준이 적당한지를 확인하는 과정을 거쳤습니다. 


먼지 제거 채널(Dust extraction channel)의 AM 설계 진화 과정, 가장 왼쪽은 기존 부품

먼지 제거 채널(Dust extraction channel)의 AM 설계 진화 과정, 가장 왼쪽은 기존 부품


Etteplan 자체 3D프린팅 비용 측정 도구 역시 다양한 설계 옵션과 기존에 전통적으로 제조한 부품의 비용을 측정하여 비교하기 위해 활용되었습니다. 그 결과, 3D프린터를 이용하여 1개의 부품을 출력할 경우 필요한 재료의 양과 출력 시간을 계산하였을 때 매우 높은 비용이 측정되었습니다. 그러나, 한 번에 11개의 부품을 출력하게 되면 영점 교차점이 되어 기존에 전통적으로 제작한 부품과 3D프린팅으로 만든 제품의 비용이 거의 동일하게 나왔습니다. 


부품을 1개 출력했을 경우

부품을 11개 출력했을 경우


추가적인 설계 작업을 통해 부품을 4개 높이로 쌓아 올려 한 빌드 안에서 출력할 수 있는 부품의 갯수를 최대화하였고, 그 결과 총 120개의 부품이 빌드사이즈가 280 x 280 x 365mm인 SLM®280 장비에서 한 번의 작업으로 출력되었습니다.


 빌드 방향 최적화 작업을 통해 부품을 빌드 안에 가득채워 비용 절감을 달성하였습니다. 



프로세스 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 필요한 서포트 구조를 계산하고 4개 높이로 쌓아올린 부품의 출력 프로세스를 시뮬레이션하는 과정을 진행하였습니다.


 서포트 구조가 있는 부품(왼쪽) 과 프로세스 시뮬레이션의 변형/왜곡분석 결과 (초록색은 변형/왜곡이 없음, 빨간 색과 노란색은 상승하는 레벨, 하얀색은 최고점) 



기대 이상의 결과물


설계 수정 작업을 통해 한 번의 작업으로 출력할 수 있는 부품 갯수를 최대화함으로써 개당 부품 제작 비용이 기존에 제조한 부품에 비해 40% 절감되었습니다. 새로운 먼지 제거 채널 부품의 설계는 비용 절감을 넘어선 많은 이점을 보여줍니다.


- 50% 이상의 중량 감소를 달성

- 부품 조립 후 최종 사용자가 볼 수 있는 영역에서 최상의 표면 품질을 얻을 수 있도록 심미적인 만족도 달성

- 새로운 스타일의 튜브 연결 도입을 통한 부품 조립 단순화 달성

- 매우 향상된 기류 특성

- 부품 표면에 내장된 부품 코드


먼지 제거 채널 Y자형 커넥터 프로토타입 (이미지 출처 : 핀란드 서비스 뷰로 회사 3Dstep Oy) 



추가적인 비용 절감을 위한 프로세스 파라메터 최적화


추가적인 비용 절감을 위해 최종 부품의 특정 영역을 더 다공성 구조로 만들어 출력 시간을 단축시켰습니다. Etteplan는 SLM Solutions사와의 협력을 통해 부품의 보이지 않는 영역 (나사형 주입구/배출구)에서 빠른 속도를 위한 프로세스 파라메터 최적화 작업을 진행한 반면에 나머지 영역에는 고품질의 프로세스 파라메터 값을 적용하였습니다. 또한, 서포트 구조를 최적화하여 재료 사용을 최소화하고 파우더 제거를 보다 쉽게 만들었습니다. 그 결과, 풀 빌드의 출력 시간이 25% 감소하였습니다.



성공을 위한 열쇠


 120개의 Y자형 커넥터 부품이 SLM®280 장비에서 한 번에 출력되었습니다. (이미지 출처 : 핀란드 서비스 뷰로 회사 3Dstep Oy)


Etteplan의 로봇 샌딩 기계의 먼지 제거 채널 최종 설계는 고객의 최초 목표를 충족시키는 것 이상으로 넘어섰습니다. 이러한 성공적인 결과물은 고객과 Etteplan 그리고 SLM Solutions, SLM®280 장비를 이용하여 부품을 출력한 서비스 뷰로 업체인 3DStep 사이의 긴밀한 협업과 원활한 의사소통으로 탄생한 것입니다.



Etteplan x SLM Solutions 로봇 샌더용 먼지 제거 채널 부품 출력 사례에 대해 소개하는 영상을 확인해보세요!



 

로봇 샌더 먼지 제거 채널 부품 (Y자형 커넥터) 제작 데이터



금속 3D프린터 혁신사, SLM Solutions 


독일 SLM Solutions 본사 3D프린터 센터 


SLM Solutions는 독일 북부 뤼벡에 위치한 전문 금속 적층 제조(Additive Manufacturing) 솔루션을 제공하는 산업용 금속 3D프린터 제조사입니다. 1995년부터 SLM® 기술을 연구 및 개발하기 시작하여, 세계 최초로 PBF 방식의 금속 3D프린팅에 멀티 레이저 시스템을 적용하였습니다. 또한 특허 받은 리코팅 시스템을 상용화하여 혁신 기술을 세상에 알리고 있습니다.


SLM Solutions는 다양한 빌드 사이즈의 금속 3D프린터를 제조함과 동시에 DfAM 전문 S/W를 함께 제공함으로써 다양한 고객들에게 통합 솔루션을 제공하고 있습니다. 덕분에 에너지, 항공우주, 자동차, 의료/덴탈 및 공구 세공 산업에서 전문적으로 활용되고 있으며 새로운 방식의 설계 가능성을 열어 주고 혁신적인 부품 개발을 가능케 하고 있습니다. 


모든 SLM Solutions의 금속3D프린터는 개방형 소프트웨어 아키텍처를 갖추고 있어 사용자가 시스템의 세부적인 파라메터 값을 자유롭게 변경할 수 있습니다. 필요시 다양한 재료에 맞추어 최적화된 파라메터를 자유롭게 적용할 수 있어서 연구기관 및 대학교에서도 활용되고 있습니다. 


SLM Solutions의 금속 3D프린터의 가장 큰 장점 중 하나는, 금속 파우더 베드 방식에서 더욱 빠른 출력 속도와 생산성을 높이기 위해 세계 최초로 멀티(다중) 레이저 기술을 선보였으며, Twin, Dual 및 Quad까지 다양한 멀티(다중) 레이저 시스템을 갖추었습니다. 사용자는 출력 속도를 개선하기 위해 멀티 레이저 옵션을 선택할 수 있습니다. 


두 번째로 주목할 만한 SLM Solutions만의 3D프린터 기술은 바로 빠르고 간단한 리코팅 시스템입니다. 특허받은 Bi-Directional Recoating(양방향 리코팅) 시스템은 레이어별 적층을 위해 리코터가 한 방향으로만 이동하여 작업을 완료하는데요, 한 방향으로 이동할 시 재료를 리코터에서 분사해주어 파우더 재료의 공급이 매우 빠릅니다. 또한 이 시스템 덕분에 재료를 채워주는 Feeding 챔버가 없어도 되고 오직 빌드 챔버 하나로 조작되어, 장비의 사이즈가 매우 컴팩트해 졌으며 작업 공정도 더욱 단순화 시킬 수 있습니다. 


3D프린팅이 모두 완료되고 난 이후, 남은 여분의 금속 파우더는 모두 자동으로 재활용이 가능하도록 시스템이 갖추어져 있어, 사람의 손이 최대한 닿지 않고서도, 안전하게 재료를 재사용할 수 있습니다. 또한 출력 전부터 출력 후까지 모든 과정을 모니터링하는 Additive.Quality 시스템을 갖추어, 세밀한 레이저의 출력 상태부터 제품의 모든 센서의 작동 여부까지 모니터링할 수 있습니다. 또한 잘 설계된 챔버 내부 가스 플로우 시스템 덕분에 출력 중 날아다니는 분진을 재빨리 내보내어 출력에 문제가 될 만한 요소를 사전에 차단합니다.


빌드 사이즈 별로 라인업된 금속 3D프린터는 총 5가지 라인업을 갖추고 있으며 현재 대량 생산에 최적화된 Production-Ready 급의 산업용 금속 3D프린터 또한 갖추고 있습니다. 




산업용 금속 3D프린터 전문가 - (주)퓨전테크놀로지


국내 SLM Solutions 금속 3D프린터 전문 공급사 - (주)퓨전테크놀로지


'(주)퓨전테크놀로지'는 고객사의 디지털 제조 혁신을 위해 SLM, SLA, SLS 방식의 고도화된 산업용 3D프린터를 판매, 납품 및 유지 보수를 하는 전문 기업입니다. 자사의 임무는 고객을 위해 전문적인 SLM 3D프린팅의 이점을 알리고 이를 극대화하여 고객의 요구 사항에 맞는 솔루션을 제공합니다. 특히 SLM Solutions사의 고성능 금속 3D프린터의 운영 노하우를 컨설팅하고, 장비에 최적화된 알루미늄(Aluminium), 니켈(Nickel), 티타늄(Titanium), 코발트(Cobalt) 및 스틸 합금(Steel) 등의 재료를 맞춤형 솔루션으로 제공함으로써 고객사의 디지털 제조 혁신을 돕습니다.


SLM® 금속 3D프린터는 파우더 베드 적층 방식으로서 전통적 방식에서는 제작하기 힘든 복잡한 형상을 자유롭게 설계가 가능하도록 혁신을 주며 매우 빠른 출력 속도와 반복성을 보장합니다. 


(주)퓨전테크놀로지는 국내 공식 SLM Solutions사의 유일한 전문 공급사로서, 메탈 3D프린팅 도입에 대한 다양한 고객 성공사례를 공유, 다양한 기술 자료 공유 및 영상 자료를 공유하여 고객사가 경쟁 우위를 확보하는 데 도움을 줄 수 있도록 최선을 다하고 있습니다.


(주)퓨전테크놀로지는 고객사의 "금속(메탈) 3D프린터 전문 파트너"로 일하며 AM(Additive Manufacturing)을 통한 고객의 제조 혁신에 솔루션을 제공함으로써 요구 사항을 해결하는 데 집중하여 일합니다. 금속 3D프린팅에 최적화된 벨기에 Materialise사의 Platinum Partner사로서 DfAM(Design for Additive Manufacturing)에 맞춘 3D설계 지원과 S/W교육 및 납품 또한 책임지고 있습니다! 자사의 다양한 소식을 알 수 있는 홈페이지 및 공식 SNS 사이트를 확인하세요! 



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