1. 서론
최근 중소기업이나 일반 소비자층을 위한 데스크탑형 3D 프린터 보급이 활발히 이루어지고 있는 가운데, 비용의 한계로 기술 도입이 어려웠던 소형선박 분야에 대해서도 새로운 생산혁신 패러다임으로 3D 프린팅에 대한 적용이 증가하고 있다.
최근 3D 프린팅 기술은 설계 분야와 연계하여 적층가공 고려 설계 (DfAM, Design for Additive Manufacturing) 분야로 특화되어 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 최근과 같이 COVID-19로 통상적인 물류가 운영되지 못하는 환경에서 실시간 현장 제작 및 비대면 생산이 가능한 3D 프린팅 기술의 활용도는 점차 높아질 것으로 예상된다.
또한, 최근 산업현장에서 제시되는 3D 프린팅의 대표적 단점인 대량 생산 불가, 높은 재료비 등 경제적 문제 또한 적층가공 고려 설계와 장비의 시스템화를 통해 개선되고 있으며 초기 설계 방향 수립, 형상 자유도를 고려한 최적설계, 격자구조를 적용한 중공 경량 설계 등 적층가공 공법의 효용성을 확인한 연구가 수행된 바 있다[3].
레저선박 및 대형선박 등 조선해양분야와 관련한 스마트 생산 연구는 주로 제품의 경량화[2],[10], 프로젝트 관리 효율성 향상[9], 생산계획 정확도 향상[6], 가상 설치공정 시뮬레이션[8] 등 생산성 향상을 위한 연구들이 주를 이루고 있다.
생산장비 관련해서는 다양한 공정 자동화 시스템 및 장치[1],[12] 등이 개발된 바 있으나, 생산혁신을 위한 3D 프린팅 적용이나 자율생산 시스템 등의 사례는 아직까지 부족한 실정이다. 최근 들어 자동차, 항공분야를 중심으로 적층가공 기술 접목이 증가하는 추세이지만 일부 선진국의 선도업체들에서만 성공사례가 발표되고 있으며 국내에서는 프로토타입 개발 등 단순적용 수준에 머물러 있다.
이에 본문에서는 적층가공 기법의 적용성을 판단하기 위해 소형 선박의 의장품을 대상으로 적층가공 지속가능 설계 기술을 적용하고 그 효용성을 확인해보고자 한다.
2. 적층가공을 고려한 지속가능 설계 및 생산
2.1 적층가공 고려 설계
제품 개발 과정 중 최종 사양이 결정되지 않은 경우에는 CNC (Computer Numerical Control) 과 3D 프린팅 공법이 널리 사용된다. 두 공정 모두 래피드 프로토타이핑 (rapid prototyping) 시 제품을 지연 없이 빠르게 제작할 수 있다는 특징이 있으나 소요되는 제작 시간과 비용, 형상 자유도 등에서 많은 차이점을 갖고 있다.
아직까지는 CNC로 대표되는 절삭가공법 (subtractive manufacturing) 이 더 널리 사용되고 있으나 최근 들어 3D 프린팅 장비의 대중화로 3D 프린팅 역시 그 활용도가 빠르게 증가하고 있다.적층가공 생산기법 (additive manufacturing) 의 한 부류인 3D 프린팅 기술은 프린팅 장비의 활용만으로도 생산비용 절감, 기간 단축에 큰 장점을 가지고 있으며, 관련하여 최근에는 최적화된 제품 개발 노력의 일환으로 적층가공 고려 설계 (DfAM) 연구가 진행되고 있다.
DfAM은 문자 그대로 적층가공 생산기법을 고려한 설계를 의미하며, 제작하고자 하는 제품이 적층가공 기법이 적용되었을 때를 고려한 제품의 형상, 구조, 제작비, 제작 시간, 환경성 등을 최적화한 설계를 수행할 수 있다는 개념이다. 하지만 실제 제조 현장에서 제품 개발에 적용하였을 경우 제작 시간, 제작된 제품의 마감을 위한 후처리 등 부가적인 공정과 시간이 소요되어 기존 대량생산 공정을 대체하기 위한 목적에서는 한계점을 가지고 있다.
그러나 적층가공은 기존의 절삭가공 기반의 공정을 벗어난 혁신적인 생산방법으로, 적층가공 고려 설계를 통해 기존에는 불가능했던 제품 디자인의 한계를 극복할 수 있으며, 높은 자유도의 제품 구현이 가능하고 더 적은 재료로도 향상된 기능을 갖는 제품의 실현이 가능해진다.
기존 절삭가공법에서는 구현하기 어려웠던 언더컷, 다수의 기능축, 다중부품구조, 중공구조 등을 자유롭게 적용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 환경에서 최적의 제품 개발을 위해 최근 다시 각광받는 기술이 위상최적설계기법 (topology optimization design) 이다.
위상최적설계는 주어진 설계 영역 (design space) 에서 주어진 제약조건에 따라 재료의 배치를 결정하는 방법[15]으로 본 연구에서는 소형선박 의장품 경량화를 목표로 탑승자 안전을 위한 가드레일 스탠션 (guardrail stanchion) 에 대해서 위상최적설계를 적용하였다.
위상최적설계 기법은 자유로운 형상의 제작이 가능한 적층가공 기법과 함께 제네러티브 디자인(generative design)의 형태로 발전하였다. Autodesk社, Dassault Systemes社 등 유수의 3D 설계 소프트웨어 업체들은 최신 버전 업데이트로 설계자를 위한 위상최적화 적용 기법인 제네러티브 디자인을 제공하고 있으며, 이를 통해 최적의 설계 대안을 선택할 수 있다
Fig. 1. Examples of generative designs of a bike frame case[3]
Fig. 1은 제네러티브 디자인을 통한 결과 사례를 보이고 있다[3]. 이러한 설계 대안은 기존의 절삭가공에서는 제작비용 및 기간 등의 이유로 생산성의 한계가 존재하기 때문에 설계 자체는 우수하나 생산으로 이어지기 어려운 결과라 할 수 있다. 이에 아직까지 위상최적화가 적용된 제네러티브 디자인 결과는 통상 제품의 초기 형상 결정시에 참고 자료로 고려되는 것이 일반적이다.
Table. 1. Cases of minimizing support by applying DfAM
적층가공 시 초기 설계안을 바탕으로 설계자는 실제 제품 형상을 최종결정 할 수 있으며, 이때 제작시간과 소요되는 재료량을 고려한 설계가 필요하다. Table 1[13]과 같이 적층가공으로 제작되는 제품은 형상 지지를 위한 재료인 지지대 (support) 를 필요로 하며 제품 생산 비용 및 가공시간의 대부분은 이러한 지지대 형상 및 소요 재료량과 관련이 있다.
대부분 3D 프린팅 장비들은 형상 제작 시 가공시간과 재료량을 최소화할 수 있는 기능을 제공할 수 있으나, 형상 자체에 따른 특징은 개선하기 어렵다. 이에, 적층가공을 고려한 설계 개념이 모델링 시에 반영되어야 한다.
대표적으로 둥근 홀의 형상을 물방울이나 사각형, 마름모 등 적층 과정에서 제품 형상만으로 지지될 수 있도록 수정하는 등의 개선을 수행한다면 단순한 설계 개선을 통해 제품 적층시간 단축뿐 아니라 재료 사용의 최소화도 달성할 수 있다.
2.2 지속가능 설계 및 생산 적용 방안
지속가능성은 환경과 관련한 제품 규제가 나날이 증대됨에 따라 1987년 세계환경발전위원회에서 제안된 “환경적으로 건전하고 지속가능한 발전 (sustainable development)”에서 대두된 개념으로, 현재 제품 개발과 관련해서는 ISO (International Standard Organization) 14000 시리즈를 통해 관리되고 있다.
해당 규정은 제품을 재료 획득, 제조, 사용, 폐기까지의 전과정 (life cycle) 을 고려한 제품개발 투명성 제고를 요구하고 있으며, 미국, 유럽 등 선진국에서는 제품개발에 이러한 환경성 평가 적용 및 의무화를 확대하고 있다.
선박과 같이 제작에 많은 인원과 시간이 소요되는 제품 개발에 대해서도 기존과 같이 신뢰성을 고려한 설계와 함께 지속가능성을 고려한 제품 개발에 대한 관심이 증가되고 있다. 선박과 관련한 지속가능성은 국제해사기구 (IMO, International Maritime Organization) 의 CO2, SOX, NOX 배출 규제 대응을 중심으로 이루어지고 있다. 이는 EEDI (Energy Efficiency Design Index)와 같은 정량지표를 통해 관리되나 이는 주로 선박 운항시 배출가스량에 대한 부분만을 다루고 있다.
본문에서 적용하고자 하는 적층가공 공법과 같은 새로운 제조 방식과 설계 기법의 개발, 신공법 적용에 따른 제품에 대해서는 ISO 14040~14044의 전과정평가 (LCA, Life Cycle Assessment) 절차에 따른 평가가 필요하다[5]. LCA는 제품 전과정에 대한 환경 영향도를 정량적으로 파악할 수 있는 방법으로 Gabi, SimaPro 와 같은 전용 친환경성 분석 소프트웨어를 활용하거나 SolidWorks sustainability 등과 같은 3D CAD 기반 응용 소프트웨어를 활용하여 해석이 가능하다.
Lee and Lee (2006)[7]에 따르면, LCA의 절차는 크게 4단계로 구분할 수 있으며 목적 및 범위 설정, 목록 분석, 영향평가, 전과정 결과해석의 단계를 포함한다. 각 단계는 단방향의 순차적 흐름이 아닌 평가 수행 중 서로 보완 및 수정이 가능한 형태를 갖고 있으며 반복 수행이 필수적이다.
앞서 언급한 바와 같이 현재 적층가공 기법에 맞는 올인원 시스템이 없는 상황에서, 적층가공 설계를 구현하기 위해서는 설계, 최적화 등 개발 단계에 다양한 소프트웨어의 적용 및 산업용 고정밀 3D 프린터가 필요하다. 하지만 본문의 적용 대상인 소형선박은 중소형 조선소의 주력제품으로서 연매출 50억 내외의 중소기업이 대부분이다.
이에 본문에서는 기존 설계 환경을 활용하고 최소한의 비용과 인력으로 지속가능 제품 개발이 가능한 제품 개발 환경을 위한 연구를 진행하였다. 이에, 본문에서는 엔트리급 산업용 FFF (Fused Filament Fabrication) 및 FDM (Fused Deposition Modeling) 3D 프린터인 Stratasys社 F120 장비를 통해 제품 제작을 수행하고 이를 위한 위상최적화 설계는 마이다스아이티社의 무요소 해석 소프트웨어인 MeshFree를 적용하였다. 지속가능성 분석은 Dassault Systemes社의 SolidWorks sustainability를 활용하여 분석하였다.
FFF 방식 프린터는 가장 접근성이 높고 널리 사용되는 3D 프린팅 방식으로 비용 효율성이 가장 높은 장비이며, 무요소 해석 소프트웨어는 전문적인 구조해석 엔지니어 없이 설계자가 쉽게 제품에 대한 해석과 평가를 수행할 수 있는 시스템으로 본 제품이 제작되는 소형 조선소 환경에 적합한 구성이라 사료된다.
이어지는 3장에서는 DfAM 적용성 검토를 위한 소형레저선박 의장품 스탠션을 사례로 관련 제품의 규정과 상용 제품의 규격을 분석하고 이를 바탕으로 기존 스탠션 제품의 최적설계를 수행하였다. 이후 무게, 강도, 환경성 분석을 통해 적층가공 공법 적용에 따른 효과를 정량적으로 비교하여 적층가공의 적용가능성을 확인하였다.
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