3D 프린팅으로 제작된 알루미늄 진공 흡입 그리퍼: (재)설계의 힘

위의 사진에서 그리퍼의 모습과 내부 진공 채널을 확인할 수 있습니다. Materialise의 설계팀이 처음 그리퍼 (재)설계 프로젝트를 의뢰 받았을 때, 고객사는 부분적으로  알루미늄 재질의 3D 프린팅을 위한 디자인 최적화를 진행한 상태였습니다. 그러나 절삭, 기계가공 등 장시간의 노동집약적인 과정이 필요했던 기존의 부품과 마찬가지로, 여전히 강판과 튜브, 그리고 연결 부를 수작업으로 조립을 해야 했습니다.

문제점은? 기존의 설계의 경우 추가 가공 및 수작업을 통한 조립, 많은 재료 사용으로 인하여 높은 비용이 발생하게 되었습니다. 기존의 디자인을 다방면에서 분석한 뒤, 머티리얼라이즈 설계팀은 최우선으로 비용절감을 목표를 설정하였습니다. 두 번째 목표는 그리퍼의 수명을 늘리는 것이었습니다. 사용자의 경험을 귀 기울여 듣는 과정에서 부품의 조립성의 문제로 인해 시간이 지남에 따라 점진적인 손상이 발생한다는 것을 알 수 있었습니다. 

Materialise는 설계 최적화가 지속적이며 중요한 프로세스라고 믿고 있습니다. 이러한 과정은 기존 방식의 제조 기술과 3D 프린팅의 설계 규칙이 다르다는 점을 인지하는 것에서 출발하여, 적층제조에 맞추어 기존 설계를 최적화하는 과정에서 중요성이 부각됩니다. 진공 그리퍼와 같은 경우3D 프린팅을 통해 기존의 3분의 1밖에 되지 않는 비용절감을 달성 하기까지 Materialise의 Design & Engineering 팀에 의해 수 차례의 재설계를 통해 진화하였습니다. 3D 프린팅 그리퍼의 무게는 4분의 1로 줄어들었으며 별도의 조립이 필요하지 않았으며, 그리퍼는 알루미늄, 한가지 재질로 제작되었습니다.

일반적으로 3D 프린팅에서 비용의 경우 디자인 복잡성과는 상관이 없지만, 재료 사용량에 직접적인 영향을 주는 부피를 줄이는 것은 보다 경제적일 수 있습니다. 그래서 Materialise 엔지니어들은 먼저 그리퍼의 솔리드한 공간을 제거하는 방식으로 전체적인 재료사용량을 줄일 수 있었습니다. 또한, 수작업 조립을 줄이고자 그리퍼 디자인 내의 연결 튜브를 통합하였습니다. 일체화 된 튜브는 비용 뿐만 아니라 누설의 위험까지 제거할 수 있었습니다.

이 과정을 통하여 파트를 더 가볍고 적은 비용으로 제작할 수 있었습니다. 솔리드 공간을 제외하고,  금속 3D 프린팅에서 또 다른 비용의 원인은 서포트 생성입니다. 적절한 서포트가 생성되지 않은 파트의 오버행 부분은 고온에서 진행되는 금속 프린팅 도중 또는 이후 변형을 야기합니다. 그러나 서포트 또한 동일한 금속 재료를 사용하기 때문에 결과적으로는 비용을 증가시키는 요인이 됩니다.

두 번의 디자인 변경 후 Materialise 엔지니어들은 깔때기 모양의 디자인을 고안하여 필요한 서포트 생성을 상당부분 절감시키는 빌드 플랫폼 방향으로 프린팅 할 수 있었습니다. 최종적으로 본래 디자인에서 237g이었던 알루미늄 진공 그리퍼는 60g으로 줄어들었습니다.

60g의 그리퍼 파트는 단일 빌드 디자인으로 일체화시킨 연결부로 디자인 되어, 별도의 수작업 조립을 필요로 하지 않게 되었습니다. 이를 통해 추가적인 사람의 개입과정을 줄여 인적오류에 대한 가능성을 없앨 수 있었고, 파트의 정확한 포지션닝을 보장하여 그리퍼의 수명을 높일 수 있게 되었습니다.

"부피 절감과 일체화된 기능을 가진 디자인을 통해 별도의 조립과정 없이 70% 비용을 절감할 수 있었습니다." Materialise 담당자인 Mathieu Cornelis는 설명합니다. "깊은 사고력을 요하는 디자인 엔지니어링으로 Materialise의 팀은 고객에게 더 높은 성능과 빠른 생산을 가능케 하는 진공 그리퍼를 기존보다 더 낮은 비용으로 제공할 수 있었습니다.”