엔지니어링 소프트웨어 개발 사례 - 에스앤위즈

기존 산업체 현장에서의 폴리우레탄 발포 성형은 제조자의 작업 숙련도와 경험에 근거한 설계로, 제품의 성형과정에서 발생할 수 있는 다양한 결함들에 대해 해석하지 못하였다. 전문적인 폴리우레탄 폼 성형에 대한 해석 시뮬레이션 툴에 대한 요구에 맞춰, 에스앤위즈는 설계의 방법뿐 아니라 금형 방안의 도출과 생산단계에 있어서 발생되는 결함의 원인 및 이에 대한 분석, 결함 저감을 통한 품질/생산성 향상과 원가절감을 달성할 수 있는 방안을 미리 시뮬레이션하여 최적화하는 애니폼 시스템(AnyFOAM System)을 개발하였다.

■ 이성윤 | 공학박사이며 에스앤위즈의 대표이사로 IT융합 부품소재/재료공정 엔지니어링 소프트웨어를 개발하고 있으며, 맞춤형 재료공정 설계용 소프트웨어의 국내외 보급 및 컨설팅을 진행하고 있다.
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홈페이지 | www.snwise.com

1. 반응을 포함하는 화학소재의 성형을 위한 설계 및 공정 최적설계

전산유체역학(CFD : Computational Fluid Dynamics)은 편미분방정식 형태로 표시될 수 있는 유체역학적 지배방정식을 컴퓨터가 이해할 수 있도록 대수 방정식으로 변환하여 컴퓨터를 사용해 근사해를 구하는 학문이다.
실험적 방법과 비교하면, 수치해석의 경우가 일반적으로 개발에 소요되는 개발기간이 짧고 경비도 적게 든다. 신뢰성 측면에서는 직접적으로 실험을 하는 것이 좋다고 하겠으나, 실험은 대개의 경우가 모델 실험으로 실제 유동으로의 재현 및 실물 크기로의 환산에 문제가 발생할 수 있다. 수치해석기법은 실험이 어려운 다양한 해석대상에 대하여 적용할 수 있고, 실험으로 파악하기 힘든 유동현상 등을 비교적 쉽게 확인할 수 있다는 측면에서 장점이 있다.

현재 국내뿐 아니라 미국, 중국, 일본, 인도 등 선진국과 신흥국가에서는 고감성 부품 소재의 경쟁력을 극복하기 위해 친환경 반응 소재 개발 및 촉매 개발이 빈번하게 시도되고 있다. 뿐만 아니라 온난화 방지를 위한 신소재의 활용이 대폭 늘어날 예정인데 반해, 소재 적용시 기존 공정의 변화에 대한 요구도 크게 늘어나고 있다. 따라서 이와 같은 첨단 화학 소재에 대한 공정 최적화 및 소재평가 해석 기술 개발에 대한 수요가 급증하고 있다.

현재 첨단 화학 소재, 또는 고감성 부품 소재의 대표 주자로 폴리우레탄이 쓰이고 있는데, 기존의 산업체 현장에서는 제품에서 발생하는 물리/화학적 현상을 경험에 의해 제한적으로 습득하고 있으며, 습득된 지식과 노하우에 의하여 설계를 하고 있다. 이에 따라 제조자 입장에서 원인을 이해할 수 없는 결함들이 발생하고 있으며, 이를 해결하기 위한 전문적인 해석 시뮬레이션 소프트웨어가 요구된다.
이 글에서 소개하고자 하는 폴리우레탄 발포 해석 기법은 폴레우레탄 발포에서의 충전 예측을 열적 평형, 폴리우레탄 반응, 팽창 반응, 발포제의 기화 반응에 의한 이론식을 기반으로, 유체의 흐름을 분석하였다. 수치 계산에 있어서는 압력 분포를 얻기 위해 유한체적법에 기분을 둔 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) 해법을 사용하였고 자유계면을 추적하기 위해서 VOF(Volume Of Fluid) 법을 사용하였다.

2. 애니폼 시스템 통합 소프트웨어

(1) 애니폼 시스템의 개념
애니폼 시스템(AnyFOAM System)은 폴리우레탄 소재를 이용한 제품 생산을 위한 폼 성형에서 원액의 선택 및 주입, 충전 및 수 폼성형 등의 전 공정 해석을 위한 통합 시스템이다.

■ D/B 매니저(D/B Manager) : 원액, 몰드, 기타 물성 및 화학반응 속도 계수를 총괄하는 데이터베이스 프로그램
■ 전처리기(Pre-Processor) : CAD 데이터를 읽어들여 격자를 생성하고 해석조건을 설정하는 기능을 수행
■ 솔버(SOLVER) : 발포 해석 수행
■ 배치 러너(Batch-Runner) : 해석의 편리함과 해석 시간 절약을 위해 다수의 프로젝트를 일괄 계산
■ 스마트 런(Smart-Run) : CPU/코어, 메모리, 디스크 공간 등을 자체적으로 고려하여 실행 가능한 솔버 개수를 자동으로 결정하며, 오류 발생 시 자동 재시도 가능
■ 후처리기(Post-Processor) : 솔버에서 생성된 결과 파일을 읽어 들여 3D 그래픽 화면으로 확인하는 프로그램