3D PRINTING

본 브리핑 문서는 덴마크 공과대학교(DTU)의 Jon Spangenberg 박사와 Flow Science의 Perry Alou가 진행한 “DTU 디지털 트윈스 포 적층 제조(Additive Manufacturing, AM)” 웨비나의 핵심 내용을 요약합니다. 이 웨비나는 FLOW-3D 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 압출 기반 3D 프린팅 공정의 디지털 트윈을 개발하고 최적화하는 DTU의 연구를 중점적으로 다루었습니다.

1. 서론: 적층 제조와 디지털 트윈의 중요성

industry 4.0 시대에 접어들면서 제조 산업은 전례 없는 변화를 맞이하고 있습니다. 특히 적층 제조(Additive Manufacturing, AM) 기술은 맞춤형 생산과 복잡한 형상 구현의 가능성을 열며 미래 제조의 핵심으로 부상했습니다. 이러한 복잡한 3D 프린팅 공정을 이해하고 최적화하기 위해 덴마크 공과대학교(DTU)는 디지털 트윈(Digital Twin) 기술을 적극적으로 활용하고 있으며 , 이 과정에서FLOW-3D 시뮬레이션 소프트웨어가 중요한 역할을 담당합니다 . 본 포스팅에서는 DTU의 연구를 중심으로 FLOW-3D를 활용한 적층 제조 공정의 디지털 트윈 개발 및 최적화 사례를 심층적으로 분석하여, 3D 프린팅 공정의 이해와 효율성 향상에 디지털 트윈이 어떻게 기여하는지 살펴보고자 합니다.

2. FLOW-3D 및 관련 소프트웨어 소개 [5]

FLOW-3D는 1980년대 Dr. Tony Hirt가 개발한 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어로, 자유 표면 흐름 시뮬레이션에 특화되어 있습니다. 자유 표면 흐름은 용융 금속과 주변 공기처럼 두 유체 사이에 계면이 존재하는 애플리케이션을 의미하며 , 이를 정확하게 시뮬레이션하기 위한 핵심 기술은 바로 vof(volume of fluid) 방법입니다.

FLOW-3D는 다음과 같은 주요 특징과 다양한 파생 제품을 통해 광범위한 다중 물리 시뮬레이션을 가능하게 합니다.:

  • VOF(Volume of Fluid) 방법: 자유 표면 흐름을 정확하게 시뮬레이션하는 데 필수적인 기술입니다.
  • 다중 물리 기능: 상 변화, 열전달, 고체화, 다양한 점도 모델 등 복잡한 물리 현상을 시뮬레이션할 수 있습니다.
  • FLOW-3D AM: 레이저 기반 적층 제조 시뮬레이션에 특화된 제품입니다.
  • FLOW-3D WELD: 레이저 용접 시뮬레이션에 중점을 둡니다.
  • FLOW-3D Post: 시뮬레이션 결과를 분석하고 시각화하는 데 사용되는 후처리 소프트웨어입니다.
  • FLOW-3D X: 파라메트릭 및 최적화 분석 소프트웨어로, 공정 최적화 연구에 활용됩니다.

특히 flow-3d가 압출 기반 3D 프린팅에 적합한 이유는 다음과 같습니다:

  • 정확하고 강력한 VOF 기능
  • 이동 객체, 비뉴턴 유동, 온도 및 변형률 의존 점도 모델, 탄성-점소성 모델, 열전달 및 고체화 등 다양한 물리 모델 지원
  • 높은 사용자 정의 가능성

3. DTU의 적층 제조 연구: 디지털 트윈 개발

DTU 연구팀은 industry 4.0의 핵심 요소인 디지털 트윈 개발에 집중하고 있습니다. 특히 적층 제조 공정을 위한 다중 물리 모델링에 초점을 맞추는데, 이는 3D 프린팅 공정의 복잡한 물리 현상을 깊이 이해하고 최적화하기 위함입니다.

DTU가 연구하는 적층 제조 공정 유형은 다음과 같습니다:

  • 금속 AM (Powder Bed Fusion): 파우더 베드에 레이저를 조사하여 재료를 녹이고 층별로 3D 구조를 생성하는 방식입니다.
  • 광중합 AM (Vat Photopolymerization): UV 경화성 수지를 UV 광에 노출시켜 선택적으로 경화시키며 층별로 구조를 만듭니다.
  • 재료 압출 AM (Material Extrusion AM): 고분자, 콘크리트, 하이드로젤 등 다양한 재료에 적용되며, FDM(Fused Deposition Modeling) 프린팅과 같은 방식입니다. DTU 연구에서는 이 유형에 가장 중점을 두었습니다.

DTU가 연구하는 적층 제조 공정 유형은 다음과 같습니다:

  • 금속 AM (Powder Bed Fusion): 파우더 베드에 레이저를 조사하여 재료를 녹이고 층별로 3D 구조를 생성하는 방식입니다.
  • 광중합 AM (Vat Photopolymerization): UV 경화성 수지를 UV 광에 노출시켜 선택적으로 경화시키며 층별로 구조를 만듭니다.
  • 재료 압출 AM (Material Extrusion AM): 고분자, 콘크리트, 하이드로젤 등 다양한 재료에 적용되며, FDM(Fused Deposition Modeling) 프린팅과 같은 방식입니다. DTU 연구에서는 이 유형에 가장 중점을 두었습니다.

4. 재료 압출 AM 모델 개발: 정밀도와 안정성 확보

DTU는 재료 압출 공정을 두 가지 주요 부분으로 나누어 모델링했습니다.

  • 증착 흐름 (Deposition Flow): 노즐에서 재료가 압출될 때 발생하는 현상에 초점을 맞춥니다. 초기 단순 모델은 비압축성, 일정한 점도, 온도 미고려 등을 가정했지만, “의외로 실험과 잘 일치했다”고 보고되었습니다 . 주요 매개변수인 인쇄 속도/압출 속도 비율(vs/u)과 층 두께/노즐 직경(lt/d)이 단일 스트랜드의 단면 형상에 큰 영향을 미치며, 이 모델을 통해 다공성 최소화, 표면 거칠기 감소, 코너 인쇄 시 재료 부족/과다 압출 방지 및 날카로운 코너 구현 방법을 연구했습니다. 궁극적으로 이 정보를 슬라이서 소프트웨어에 통합하여 물리적 인쇄를 개선하는 것이 목표입니다.
  • 핫엔드 내부 흐름 (Flow inside the Hotend): 핫엔드 내부에서 필라멘트가 녹아 유체로 변하고 압출력이 생성되는 메커니즘을 분석합니다. “안정적인 압출을 통해서만 인쇄물의 기하학적 정밀도를 제어할 수 있다”는 점이 강조되었으며, 노즐 직경 감소, 재료 유형, 액화기 온도 및 길이가 압출 안정성에 영향을 미칩니다. DTU는 비등온, 고분자의 자유 표면, 재료 용융, 온도 의존 밀도, 온도 및 전단율 의존 점도를 포함하는 복잡한 모델을 개발했으며, 이 모델은 실험과 매우 잘 일치했습니다. 연구 목표는 압출력을 증가시키지 않으면서 더 높은 공급 속도를 얻을 수 있도록 핫엔드 형상을 최적화하는 것입니다.

DTU가 연구하는 적층 제조 공정 유형은 다음과 같습니다:

  • 금속 AM (Powder Bed Fusion): 파우더 베드에 레이저를 조사하여 재료를 녹이고 층별로 3D 구조를 생성하는 방식입니다.
  • 광중합 AM (Vat Photopolymerization): UV 경화성 수지를 UV 광에 노출시켜 선택적으로 경화시키며 층별로 구조를 만듭니다.
  • 재료 압출 AM (Material Extrusion AM): 고분자, 콘크리트, 하이드로젤 등 다양한 재료에 적용되며, FDM(Fused Deposition Modeling) 프린팅과 같은 방식입니다. DTU 연구에서는 이 유형에 가장 중점을 두었습니다.

4. 재료 압출 AM 모델 개발: 정밀도와 안정성 확보

DTU는 재료 압출 공정을 두 가지 주요 부분으로 나누어 모델링했습니다 .

  • 증착 흐름 (Deposition Flow): 노즐에서 재료가 압출될 때 발생하는 현상에 초점을 맞춥니다 [18]. 초기 단순 모델은 비압축성, 일정한 점도, 온도 미고려 등을 가정했지만, “의외로 실험과 잘 일치했다”고 보고되었습니다 [19]. 주요 매개변수인 인쇄 속도/압출 속도 비율(vs/u)과 층 두께/노즐 직경(lt/d)이 단일 스트랜드의 단면 형상에 큰 영향을 미치며, 이 모델을 통해 다공성 최소화, 표면 거칠기 감소, 코너 인쇄 시 재료 부족/과다 압출 방지 및 날카로운 코너 구현 방법을 연구했습니다. 궁극적으로 이 정보를 슬라이서 소프트웨어에 통합하여 물리적 인쇄를 개선하는 것이 목표입니다.
  • 핫엔드 내부 흐름 (Flow inside the Hotend): 핫엔드 내부에서 필라멘트가 녹아 유체로 변하고 압출력이 생성되는 메커니즘을 분석합니다. “안정적인 압출을 통해서만 인쇄물의 기하학적 정밀도를 제어할 수 있다”는 점이 강조되었으며, 노즐 직경 감소, 재료 유형, 액화기 온도 및 길이가 압출 안정성에 영향을 미칩니다. DTU는 비등온, 고분자의 자유 표면, 재료 용융, 온도 의존 밀도, 온도 및 전단율 의존 점도를 포함하는 복잡한 모델을 개발했으며, 이 모델은 실험과 매우 잘 일치했습니다. 연구 목표는 압출력을 증가시키지 않으면서 더 높은 공급 속도를 얻을 수 있도록 핫엔드 형상을 최적화하는 것입니다.

5. 콘크리트 3D 프린팅: 젖은 상태에서의 젖은 상태 프린팅

콘크리트 3d 프린팅은 하이드로젤이나 열경화성 수지와 마찬가지로 아직 굳지 않은 재료 위에 인쇄해야 하는 ‘젖은 상태에서의 젖은 상태 프린팅(Wet-on-Wet Printing)’이라는 독특한 과제를 안고 있습니다.

  • 탄성-점소성 모델 도입: DTU는 콘크리트의 유변학적 특성을 분석하기 위해 빙검(Bingham) 재료 모델을 사용했으나, 더 높은 정확도를 위해 재료가 “더 탄성적인 상태에 있을 때 실제로 어떤 일이 일어나는지”를 반영하는 탄성-점소성 모델을 도입했습니다. 이 모델은 영률(Young’s modulus)과 항복 응력(yield stress)을 포함하며, 시뮬레이션과 실험 간의 “훨씬 더 나은 일치”를 보여주었습니다.
  • 압출 압력의 중요성: 이 연구의 중요한 발견 중 하나는 콘크리트 인쇄 시 압출 압력이 종종 재료의 항복 응력보다 높아 재료를 변형시킨다는 점입니다. 이 점을 고려하지 않으면 안정적인 인쇄가 불가능합니다.
  • 다층 인쇄 시뮬레이션: 다층 인쇄 시뮬레이션을 통해 하단 레이어의 변형을 성공적으로 모방했습니다. 향후 연구는 재료의 구조적 진화(예: 항복 응력 증가)를 고려하여 하단 레이어의 변형을 최소화하고 안정적인 인쇄를 달성하는 방법을 모색하고 있습니다.

6. 결론 및 향후 전망

DTU의 연구는 FLOW-3D가 재료 압출 3D 프린팅 공정 시뮬레이션을 위한 강력한 다중 물리 솔루션임을 분명히 보여줍니다. 특히 VOF 방법은 자유 표면 흐름 시뮬레이션에 매우 효과적입니다.

이러한 디지털 트윈을 통한 연구는 3D 프린팅 공정의 복잡한 물리 현상을 이해하고, 이를 통해 인쇄 품질과 효율성을 향상시키는 데 크게 기여합니다 . 특히 콘크리트와 같은 신소재 프린팅에서 발생하는 독특한 문제 해결에 대한 심층적인 통찰력을 제공하며, 이는 3D 프린팅 기술의 미래 발전에 중요한 토대가 될 것입니다.