3D 금속 프린팅, 설계부터 제대로 시작하기

3D 금속 프린팅에서는 아주 작은 실수 하나가 큰 실패로 이어질 수 있습니다. CAD 모델을 다 만들고, 치수도 꼼꼼히 체크했으며, 사용할 금속 소재도 잘 골랐다고 해도 막상 출력한 결과물이 휘거나, 찌그러지거나, 심지어 완전히 망가진다면 어떻게 하시겠어요?

성공적인 금속 3D 프린팅을 위해서는 단순히 ‘모델링만 잘 하면 된다’는 생각은 버려야 합니다.  이건 일종의 물리 싸움입니다. 금속이 열을 받으면 어떻게 변하는지, 지지 구조물이 어떻게 작동하는지, 프린터 안에서 부품이 어떤 방향으로 쌓이느냐에 따라 결과가 완전히 달라질 수 있습니다. 이 가이드에서는 실제 제작 경험을 바탕으로, 벽 두께 설정부터 소프트웨어 선택까지, 꼭 알아야 할 핵심 설계 팁을 정리해드립니다.

금속 3D 프린팅, 어떻게 작동할까?

금속을 이용한 3D 프린팅, 즉 금속 적층 제조는 금속 부품을 층층이 쌓아 만드는 여러 고급 기술을 포함합니다. 주요 공정은 다음과 같습니다:

● DMLS (직접 금속 레이저 소결) 및 SLM (선택적 레이저 용융): 두 방식 모두 레이저를 사용해 금속 분말 입자를 융합합니다. 차이점은 융합 방식에 있으며, SLM은 분말을 완전히 녹여 높은 밀도의 부품을 만들고, DMLS는 분말을 소결하여 다소 낮은 밀도의 부품을 생성하지만 기계적 특성이 더 뛰어난 경우도 많습니다.

(이미지 출처: ScienceDirect Topics)

● 바인더 제팅 (Binder Jetting): 이 방식은 금속 분말층에 액체 접착제를 분사해 ‘그린 파트(green part)’를 만듭니다. 이후 경화, 소결, 침투 등의 후처리 단계를 거쳐 최종 금속 부품을 완성합니다. 바인더 제팅은 속도와 비용 측면에서 효율적이며, 특히 복잡한 형상을 대량으로 생산할 때 적합합니다.

(이미지 출처: ScienceDirect Topics)

금속 3D 프린팅을 위한 주요 설계 규칙

다음은 금속 3D 프린팅 시 반드시 고려해야 할 핵심 설계 요소들입니다:

벽 두께 및 최소 피처 크기

DMLS/SLM: 0.4 mm

바인더 제팅: 1.0 mm

금속 압출 방식: 1.0 mm

적절한 벽 두께를 유지하는 것은 구조적 안정성과 출력 성공률을 확보하는 데 중요합니다. 사용하는 공정과 재료에 따라, 변형을 방지하고 강도를 확보하기 위해 더 두꺼운 벽 두께가 필요할 수 있습니다。

오버행(돌출 구조)과 지지 구조물

DMLS/SLM: 50°

바인더 제팅: N/A

금속 압출 방식: 45°

45도를 초과하는 오버행은 일반적으로 지지 구조물이 필요합니다. 이는 재료 사용량 증가 및 후처리 시간 증가로 이어질 수 있습니다. 자체 지지형(셀프 서포팅) 각도로 설계하거나 오버행을 최소화하면 더 효율적인 프린팅이 가능합니다.

최대 종횡비

DMLS/SLM: 8:1

바인더 제팅: 8:1

금속 압출 방식: 8:1

높은 부품에는 리브(Rib) 또는 보강 구조를 추가하여 안정성을 높일 수 있습니다.

최소 피처 크기

DMLS/SLM: 0.6 mm

바인더 제팅: 2.0 mm

금속 압출 방식: 3.0 mm

벽 두께보다 고립된 소형 피처는 출력 및 후처리 중 손상될 위험이 더 큽니다. 이 점을 고려해 설계해야 합니다.

금속 3D 프린팅 설계를 위한 툴과 소프트웨어

디지털 툴박스에 꼭 들어 있어야 할 장비는 다음과 같습니다:

CAD 소프트웨어 추천

설계의 시작은 CAD 소프트웨어입니다. 아직도 사출 성형이나 절삭 가공용 툴을 사용하고 있다면, 이제는 업그레이드할 시점입니다.

● SolidWorks와 Fusion 360은 강력한 기능은 물론, 적층 제조(AM) 설계의 복잡성을 잘 이해한 툴입니다.

● nTopology는 겉모양을 넘어서 래티스 구조나 경량화 같은, 금속 AM에서만 가능한 고급 설계를 다룰 때 빛을 발합니다.

이러한 플랫폼들은 내부 구조 최적화, 공차 조정, 파라메트릭 설계 유지 등 설계의 유연성과 효율성을 제공합니다.

시뮬레이션 및 해석 도구

ANSYS Additive Suite, Simufact Additive, and Autodesk Netfabb 등은 제작 중 발생할 수 있는 열 스트레스 및 기계적 변형을 시뮬레이션합니다. 출력 전에 뒤틀림, 층간 분리, 지지 구조물 실패까지 예측할 수 있습니다.

슬라이싱 소프트웨어 고려사항

금속 3D 프린팅을 위한 슬라이싱에는 다음 소프트웨어들이 주로 사용됩니다:

● Materialise Magics

● Siemens NX

● Fusion 360 제조 작업 공간

이 툴들은 다음과 같은 고급 파라미터를 세밀하게 조정할 수 있습니다:

● 해치 간격

● 스캔 전략

● 레이저 출력 및 노출 시간

이 단계에서 지지 전략을 어떻게 적용할지 결정합니다. 특정 브랜드의 전용 장비를 사용하는 경우, 기기 전용 슬라이서를 반드시 익혀야 최적화된 결과를 얻을 수 있습니다.

자주 발생하는 실수와 예방법

금속 프린팅 업계에는 누구나 하나쯤은 공포의 실패 사례를 가지고 있습니다. 뒤틀린 부품, 지지대에 붙어버린 파트, 심지어 분말 폭발까지 하지만 대부분의 문제는 설계 단계에서 시작됩니다.

출력 실패로 이어지는 주요 설계 실수

다음은 숙련된 설계자들도 자주 빠지는 함정입니다:

● 열 응력 무시하기: CAD에서 아무리 완벽해 보여도, 열 확산을 고려하지 않으면 결과물은 비틀어진 금속 덩어리가 됩니다.

● 미지원 오버행 설계: 플라스틱 프린팅에서는 60도도 가능하지만, 금속에서는 대부분 실패합니다.

● 급격한 형상 변화나 내부 빈 공간: 이런 구조는 응력이 집중되어 크랙이나 비융합(fusion failure)을 유발할 수 있습니다.

첫 출력에서 성공 확률을 높이는 팁

● 시험편(test coupon)으로 먼저 소형 테스트를 진행해, 뒤틀림이나 접착 문제를 미리 파악하세요.

● 출력 방향(orientation)을 신중히 고려하세요. 가능한 한 평평하게 놓고, 오버행을 줄이며, 중요한 면이 위로 향하도록 배치하세요.

● 전문 후처리를 활용하세요. 소결, 열처리, 표면 가공 등은 선택 사항이 아니라 필수입니다.