적층제조 시대, 기계설계자가 알아야 할 DfAM 설계 원칙
DfAM은 복잡한 형상을 그리는 기술이 아니다
DfAM 설계는 적층제조의 형상 자유도와 공정 제약을 제품 설계 초기부터 함께 반영하는 방법입니다. 절삭가공용 모델을 그대로 출력하는 것이 아니라 하중, 열, 재료, 출력, 후가공과 검사를 연결해 부품의 성능과 생산성을 결정합니다. ISO/ASTM 52910도 DfAM을 특정 형상 규칙이 아닌 다양한 적층제조 공정에 적용하는 설계 요구사항과 고려사항의 체계로 다룹니다.
PBF, DED와 바인더 제팅은 벽 두께, 서포트와 후처리가 다르므로 소재·공정·장비의 검증된 설계 한계를 먼저 확인해야 합니다.
구분 | 절삭가공 중심 설계 | DfAM 설계 |
형상 기준 | 공구 접근성과 제거 가공 | 적층 방향과 층별 형성 |
내부 구조 | 가공·조립 가능한 형상 | 격자, 중공 구조, 일체형 유로 |
조립 | 부품 분할과 체결 중심 | 기능 단위의 부품 통합 |
검증 | 치수와 절삭 조건 중심 | 열변형, 잔류응력과 검사성 포함 |
DfAM에서 반드시 검토해야 할 설계 원칙
1. 격자와 중공 구조는 하중 경로부터 정한다
격자 구조는 필요한 위치에 재료를 배치해 질량을 줄이고 강성이나 에너지 흡수 특성을 조절합니다. 그러나 형상을 지나치게 줄이면 미성형, 피로 균열과 검사 곤란이 생길 수 있습니다. 하중 방향, 최소 형상 크기, 배향별 물성, 분말 배출과 비파괴검사 가능성을 함께 정의해야 합니다.
2. 부품 통합은 수리성까지 함께 본다
브래킷, 매니폴드와 배관을 통합하면 체결부, 용접부와 누설 경로를 줄일 수 있습니다. 반면 작은 손상에도 전체를 교체하거나 내부 검사가 어려워질 수 있습니다. 기능 경계, 교환 주기, 표준 부품과 검사 접근성을 정한 뒤 통합 범위를 결정해야 합니다.
3. 출력 방향과 서포트는 형상의 일부다
출력 방향은 서포트 양, 적층 시간, 표면, 열 흐름과 후가공 접근성을 바꿉니다. 금속 PBF의 돌출부에는 지지와 열 방출을 위한 희생 서포트가 필요할 수 있습니다. 연구에서도 서포트 체적과 공구의 제거 가능성을 함께 최적화해야 한다고 지적합니다. 내부에 제거 불가능한 서포트가 남지 않도록 출력과 가공 셋업을 함께 검토해야 합니다.
4. 금속 적층의 변형과 잔류응력을 예측한다
금속 적층은 국부 가열과 냉각을 반복하므로 잔류응력과 휨이 생길 수 있습니다. NIST AM-Bench는 열이력, 잔류 변형률, 부품 처짐과 기계적 거동 데이터를 공개해 예측 모델 검증을 지원합니다. 시뮬레이션으로 위험 부위와 보정 형상을 검토하되 실제 장비·재료의 시험편으로 보정해야 합니다. SIMULIA도 스캔 경로와 서포트를 반영해 변형과 잔류응력을 예측하는 가상 출력 흐름을 제시합니다.
5. 후가공 공차와 기준면을 미리 남긴다
끼워맞춤, 실링면, 나사와 정밀 구멍은 출력만으로 요구 공차를 얻기 어려울 수 있습니다. 가공 여유, 기준면, 클램핑 위치와 공구 접근 공간을 모델에 반영하고 서포트 제거, 열처리와 정삭 순서를 연결해야 합니다. NIST도 공정·후처리·미세조직·성능 관계를 측정해 열처리와 품질 인증을 지원합니다.
내부 유로와 하이브리드 제조는 어떻게 설계할까?
금형 냉각 채널이나 열교환 유로는 외부 형상을 따라 배치할 수 있습니다. 다만 유로 직경과 곡률뿐 아니라 미용융 분말 배출구, 세척, 압력 시험과 내부 검사 경로가 필요합니다. 막힌 유로는 출력에 성공해도 사용할 수 없기 때문입니다.
하이브리드 제조는 적층으로 근사 형상이나 기능부를 만들고 CNC로 정밀면을 완성하거나 DED로 기존 부품을 보수하는 방식입니다. 한 장비 또는 별도 공정으로 연계할 수 있습니다. NIST도 이를 위한 금속 변형·가열 데이터를 연구하고 있으며[5], 자동 출력 방향과 서포트, 금속 적층과 다축 가공을 지원하는 도구도 확대되고 있습니다.
기계설계자는 무엇부터 적용해야 할까?
실무에서는
① 필요한 기능과 목표를 정하고 ② 재료·공정·장비를 선택한 뒤 ③ 해석으로 격자·유로·부품 통합안을 설계합니다. 이어 ④ 출력 방향, 서포트, 변형과 분말 배출을 검토하고 ⑤ 후가공, 공차, 검사와 수리 계획을 확정합니다.
DfAM의 핵심은 복잡한 형상 자체가 아닙니다. 항공·우주, 자동차, 로봇 그리퍼, 금형, 의료기기와 주문형 지그처럼 적층제조가 분명한 가치를 주는 대상을 고르는 판단이 먼저입니다. 기존 DFM을 버리는 것이 아니라 적층과 가공의 장점을 제품 생애주기 안에서 연결하는 것이 출발점입니다.
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