솔루콘
적층제조(Additive Manufacturing)에서 분말 제거(Powder Removal)를 어떻게 개선할 수 있을까요?
자동 분말 제거(Depowdering)와 스마트 DfAM 전략은 금속 적층제조(AM)의 확장성과 생산 효율을 극대화합니다.
최근 몇 년간 LPBF(Laser Powder Bed Fusion) 분야의 적층제조 하드웨어와 소프트웨어는 크게 발전하여, 출력 속도 향상, 품질 일관성 향상, 그리고 생산 규모 확대를 가능하게 했습니다. 이러한 발전을 통해 적층제조(AM)는 단순한 시제품 제작 기술을 넘어 산업용 양산 공정으로 자리 잡게 되었습니다. 그러나 AM 기술이 발전했음에도 불구하고, 업계에서는 **부품 세척 및 후처리(Finishing)**와 같은 후속 공정이 여전히 전체 생산성 향상을 제한하는 요소로 지적되고 있습니다.
예를 들어 금속 적층제조(Metal AM)에서는 산업용 부품을 실제로 활용하기 위해 반드시 필요한 금속 분말 제거(Depowdering) 공정이, 오랫동안 수작업에 의존하고 부품 형상이 복잡할수록 작업 난이도가 높아지는 특성 때문에 생산의 **병목 공정(Bottleneck)**으로 인식되어 왔습니다. 그러나 최근에는 Solukon의 SFM 시스템과 같은 자동 분말 제거(Automated Depowdering) 솔루션이 등장하면서 이러한 상황이 빠르게 개선되고 있습니다.
이러한 시스템은 CAD 데이터와 스마트 알고리즘을 활용하여 분말 제거 공정을 자동화하고 최적화함으로써, 금속 적층제조(Metal AM)의 후처리(Post-processing) 방식을 크게 변화시키고 있습니다. 그러나 이러한 자동화 솔루션만으로는 확장 가능하고 효율적인 분말 제거 공정을 완전히 구현하기에는 충분하지 않습니다. 비록 매우 중요한 요소이기는 하지만, 이는 전체 해결책의 일부에 불과합니다. 앞으로 살펴보겠지만, 제조업체는 **설계 단계(DfAM)**와 출력 전(Pre-printing) 전략을 함께 적용함으로써 분말 제거 효율을 더욱 높이고, 생산 워크플로우를 한층 더 최적화할 수 있습니다.
자동 분말 제거의 새로운 시대
3D 프린팅 부품에서 효과적인 분말 제거의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 부품을 분말 베드(Powder Bed)에서 꺼낸 후에도 소결되지 않은 느슨한 분말 입자가 부품 표면에 남아 있거나, 내부 공동(Cavity), 유로(Channel), 그리고 기타 복잡한 형상 내부에 갇혀 있을 수 있습니다. 이러한 잔류 분말은 작업자의 안전을 위협할 뿐만 아니라, 적절히 제거되지 않을 경우 부품의 표면 품질, 치수 정밀도(공차), 그리고 전반적인 성능에도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
분말 베드 융합(Powder Bed Fusion, PBF) 기술이 도입된 초기에는 분말 제거(Depowdering) 작업이 대부분 진공 청소(Vacuuming), 브러싱(Brushing), 에어 블라스팅(Air Blasting), 타격(Knocking)과 같은 수작업 공정에 의존했습니다. 이러한 방식은 작업 시간이 매우 많이 소요되어 부품 하나를 처리하는 데에도 수 시간이 걸리는 경우가 많았으며, 작업자의 건강과 안전 측면에서도 상당한 위험을 수반했습니다.
이러한 이유로 Solukon의 SFM 시스템과 같은 자동 분말 제거(Automated Depowdering) 솔루션은 적층제조(AM) 산업에서 매우 중요한 혁신으로 평가받고 있습니다. Solukon은 프로그래밍 가능한 2축 회전과 정밀 진동 기능을 갖춘 하드웨어에 SPR-Pathfinder와 같은 고도화된 소프트웨어를 결합하여, 부품의 형상(CAD 데이터)을 기반으로 분말 제거 경로를 최적화하는, 신속하고 자동화된 분말 제거 방식을 구현했습니다.
“고객들은 자동 분말 제거(Automated Depowdering)가 후처리 공정의 신뢰성과 효율성을 근본적으로 향상시킨다는 점을 지속적으로 이야기하고 있습니다.”라고 3D 프린팅 솔루션 기업 EOS의 금속 제품 관리 책임자(Head of Product Management Metal)이자 Solukon의 오랜 파트너 및 고객인 Sebastian Becker는 설명했습니다.
“Solukon 시스템을 EOS 플랫폼과 함께 사용하면, 프린팅 공정에서 후속 공정으로의 전환이 안정적이고 예측 가능하게 이루어집니다. 자동 회전 및 진동 기능은 매우 복잡한 형상의 부품 내부에 남아 있는 분말까지 효과적으로 제거하여, 수작업을 크게 줄이고, 작업자의 분말 노출을 최소화하며, 수작업 세척으로 인해 발생하는 공정 편차를 크게 감소시킵니다.”
항공우주 기업 **Sòphia High Tech S.r.l.**에서도 Solukon의 자동 분말 제거 솔루션은 연료 효율성을 고려하여 최적화된 금속 부품의 생산 공정을 효율화하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. Sòphia High Tech의 적층제조(AM) 전문 엔지니어인 Nicola Sicignano는 다음과 같이 설명합니다.
“압축 공기를 이용한 분말 제거와 같은 수작업 방식과 비교했을 때, 자동화 시스템은 훨씬 높은 정확성과 반복 정밀도(Repeatability)를 보장합니다. 이를 통해 빌드 플레이트(Build Plate)에서 부품을 분리하는 공정, 세척, 열처리와 같은 후속 공정에서 오염이 발생할 위험을 줄일 수 있습니다. 또한 불활성 분위기(Inert Environment)에서 작업이 이루어지므로 분말을 안전하게 회수하고 재사용할 수 있어, 소재 활용 효율과 전체 공정의 지속가능성을 모두 향상시킬 수 있습니다.”
최적의 분말 제거는 부품 설계 단계에서부터 시작됩니다.
자동 분말 제거(Automated Depowdering) 솔루션은 산업용 적층제조(AM)의 혁신을 이끌어 왔지만, 출력(프린팅) 이전 단계에서 이루어지는 전략적인 의사결정을 통해 그 효율을 더욱 극대화할 수 있습니다. 엔지니어는 부품 설계 단계에서부터 분말 제거(Depowdering)를 고려하여 다양한 설계 요소를 반영함으로써, 이후의 분말 제거 공정을 더욱 효율적으로 수행할 수 있습니다.
일반적으로 부품의 형상이 복잡할수록 분말 제거는 더욱 어려워집니다. 직경이 작은 긴 내부 유로(Internal Channels), 서로 연결된 내부 공동(Cavities), 격자 구조(Lattice Structures), 그리고 높은 종횡비(High Aspect Ratio)를 가진 형상은 분말 제거 공정을 더욱 어렵게 만드는 대표적인 요소입니다. 그러나 이러한 복잡한 구조를 구현할 수 있다는 점이야말로 항공우주, 에너지, 의료 등 다양한 산업에서 적층제조(AM)가 활용되는 가장 큰 이유 중 하나입니다. 따라서 분말 제거 효율을 높이기 위한 해결책은 단순히 부품 형상을 단순화하는 것이 아니라, 분말 제거를 고려한 **합리적이고 전략적인 설계(DfAM)**를 적용하는 데 있습니다.
EOS의 Sebastian Becker는 다음과 같이 설명합니다.
“설계 초기 단계에서 이루어지는 의사결정은 분말 제거(Depowdering)의 가능성과 작업 효율에 매우 큰 영향을 미칩니다. 빌드 방향(Build Orientation), 내부 유로의 직경(Channel Diameter), 배출 경사각(Drainage Angles), 그리고 **분말 배출 홀(Escape Holes)**의 위치와 같은 요소들은 모두 분말을 얼마나 쉽고 효과적으로 제거할 수 있는지를 결정하는 중요한 요인입니다.”
분말 제거(Depowdering) 공정을 개선하기 위해 고려해야 할 주요 설계 요소는 다음과 같습니다.
- 분말 제거가 용이하도록 내부 유로의 길이 또는 직경을 최적화
- 분말이 갇힐 위험이 있는 형상에 분말 제거용 유로를 설계에 반영
- 분말이 갇히기 쉬운 매우 좁거나 직사각형 형태의 유로는 피하기
또한 Sòphia High Tech의 Nicola Sicignano는 부품 설계를 변경할 수 없는 경우에도, 분말 제거(Depowdering) 효율을 높이기 위해 적용할 수 있는 몇 가지 방법이 있다고 설명합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
- 분말 배출을 원활하게 하기 위해 임시 또는 기능성 분말 배출 홀(Escape Hole)을 추가하기
- 기존 유로의 접근성을 향상시키기
Nicola Sicignano는 이어서 다음과 같이 설명합니다.
“적층제조를 위한 설계(DfAM, Design for Additive Manufacturing) 접근 방식을 채택하는 것이 무엇보다 중요합니다. 여기에는 분말 제거가 용이하도록 형상을 최적화하고, 시뮬레이션 도구를 활용해 분말의 흐름과 잔류 가능성이 있는 영역을 예측하며, 내부 유로에 대한 표준화된 설계 기준을 수립하는 것이 포함됩니다.”
Solukon의 SPR-Pathfinder 소프트웨어는 이러한 목적을 위한 대표적인 시뮬레이션 도구로, 설계 단계에서부터 분말 제거(Depowdering) 전략을 효과적으로 반영할 수 있도록 지원합니다. 이 소프트웨어는 분말 거동(Powder Behavior) 시뮬레이션을 활용하여 부품 형상에 맞는 최적의 회전 및 진동 동작을 자동으로 생성합니다. 즉, 사용자는 출력을 시작하기 전에 빌드 작업(Build Job)의 CAD 파일을 소프트웨어에 입력하여, 분말 제거 공정을 위한 최적화된 동작 시퀀스(Motion Sequence)를 미리 생성할 수 있습니다.
이러한 시뮬레이션을 통해 특정 형상에서 분말 제거가 효율적으로 이루어질 수 있는지 사전에 검토할 수 있으며, 필요한 경우 설계 변경과 같은 조치를 통해 분말 제거성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 또한 SPR-Pathfinder에서는 분말이 잔류할 가능성이 높은 주요 영역(Critical Zones)을 즉시 식별할 수 있어, 보다 효율적인 분말 제거 결과를 얻기 위한 설계 개선이 가능합니다.
분말 제거 효율을 향상시키기 위한 기타 전략
설계 단계에서의 고려 사항 외에도, 출력(프린팅) 이전 단계에서 분말 제거(Depowdering) 효율을 향상시킬 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 예를 들어 출력 준비(Print Preparation) 단계에서는 **부품의 배치 방향(Part Orientation)**과 **서포트 구조(Support Generation)**가 제거해야 할 분말의 양과 부품 세척의 용이성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 **가스 흐름 관리(Gas-Flow Management)**와 같은 공정 조건 역시 보다 깨끗한 부품을 제작하고 분말 제거 효율을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
Sebastian Becker는 다음과 같이 덧붙였습니다.
“공정 전반에 걸쳐 다양한 개선이 가능합니다. 일부 EOS 고객은 분말의 부착을 줄이기 위해 출력(프린팅) 공정 파라미터를 최적화하고 있습니다. 또한 **고도화된 가스 흐름 관리(Gas-Flow Management)**와 지속적으로 개선되는 공정 파라미터는 조형 과정에서 부품 표면을 더욱 매끄럽게 유지하는 데 도움이 됩니다. 더불어 EOS는 서포트 구조를 최소화하는 기술도 적용하고 있으며, 이를 통해 분말 제거 효율을 한층 더 높일 수 있습니다.”
특히 다음 두 가지 사항을 중점적으로 고려하는 것이 중요합니다.
- 서포트 구조를 최소화하여 잔류 분말의 양과 분말 제거 작업을 줄이기
- 중력을 활용한 분말 배출과 분말 축적 최소화를 위해 부품의 출력 방향을 전략적으로 설정
후속 공정에서는 자동 분말 제거 시스템과 폐쇄형 분말 관리(Closed-loop Powder Handling) 시스템를 결합함으로써 적층제조(AM) 공정 전체의 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 특히 Solukon의 SFM 시스템은 분말을 효과적으로 회수할 수 있도록 지원하며, 회수된 분말이 오염되지 않은 상태로 유지되도록 보장합니다. 이에 대해 Nicola Sicignano는 다음과 같이 설명합니다.
“이를 통해 소재 활용 효율과 공정 전체의 지속가능성을 모두 향상시킬 수 있습니다. 그 결과, 보다 신뢰성 높은 작업 흐름을 구축할 수 있으며, 수작업 개입을 줄이고 최종 부품의 품질도 향상됩니다.”
결론
분말 제거(Depowdering)와 같은 핵심 후처리 공정은 더 이상 과거와 같은 생산의 병목 공정이 아닙니다. 자동화 솔루션과 설계 초기 단계에서의 전략적인 접근을 함께 적용함으로써, 분말 제거 공정은 앞으로도 더욱 높은 수준의 효율성과 생산성을 실현할 수 있습니다.
스마트 시뮬레이션 도구를 기반으로 하는 Solukon의 첨단 분말 제거 솔루션은 제조업체가 생산을 시작하기 전에 특정 부품 설계에 대한 분말 제거 가능성을 사전에 평가할 수 있도록 지원합니다. 이러한 기능은 분말 제거(Depowdering) 공정의 새로운 패러다임을 제시합니다. 즉, 분말 제거는 더 이상 후처리 단계에서만 고려되는 요소가 아니라, 출력 전에 시뮬레이션과 검증이 이루어지는 설계 단계의 핵심 요소로 자리 잡게 되었습니다. 최종 사용자 입장에서는 이러한 지능형 접근 방식을 통해 효율적이고 확장 가능한 생산을 실현할 수 있으며, 분말 제거 문제로 인해 생산 공정이 지연되거나 부품이 불량 처리될 위험도 크게 줄일 수 있습니다.
Solukon의 고객사인 Sòphia High Tech의 Nicola Sicignano는 다음과 같이 결론을 내립니다.
“궁극적으로는 최적화된 설계 방식과 첨단 자동 분말 제거(Depowdering) 기술을 결합하는 것이 효율성, 안전성, 그리고 최종 부품 품질 측면에서 가장 뛰어난 결과를 제공합니다.”
