L-PBF 방식 적층공정 해석 보상 모델로 열 변형 해결하기
앤시스 워크벤치를 활용한 해석 성공 사례
금속 적층제조 공정은 금속 파우더를 용융시켜 적층하는 방식으로, 공정 특성상 열 변형이 동반된다. 이러한 열 변형은 출력 결과물의 구조적 신뢰성에 큰 영향을 미치므로, 제품의 치수 정밀도를 높이기 위해 반드시 해결해야 한다.
열 변형 해결을 위한 대표적인 방법은 앤시스 애디티브(Ansys Additive)를 이용하여 보상 모델을 활용하는 것이다. 보상 모델은 설계 모델과 실제 생산된 제품 간의 치수 차이를 해결하기 위한 방법이다. 적층공정 중 발생하는 제품 변형을 예측하여 이에 대한 보상 모델을 생성하면, 보상 모델이 사전 예측된 변형 거동을 따라 변형됨으로써 원하는 치수 정밀도를 충족하게 해준다.
이번 호에서는 워크벤치 애디티브(Workbench Additive)를 활용하여 L-PBF 방식의 보상 모델 생성 방법에 초점을 맞추어 다뤄보고자 한다.
■ 김선명 | 태성에스엔이 적층제조센터 DfAM팀의 매니저로, 적층제조 특화 설계를 담당하고 있다.
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적층 공정에서의 보상 모델
적층제조 공정에서 발생하는 제품의 열 변형은 설계 치수와 실제 제품 간에 치수 차이를 발생시키는 원인이다. 치수에 오차가 발생함에 따라 구조 및 성능에 대한 문제가 발생할 뿐 아니라, 후가공에서도 문제가 발생할 수 있다. 따라서 적층제조 공정에서 치수 정밀도와 성능을 유지하기 위해 열 변형을 고려한 제품 설계가 필요하다.
L-PBF 적층제조 공정에서 열 변형이 발생하는 원인은 고출력 레이저를 사용하여 금속 분말을 용융시키기 때문이다. 이렇게 제작되는 부품은 제조공정 중에 고온의 에너지를 지속적으로 받게 되고, 제조공정이 끝나도 열응력이 남아있는 등 열 변형에 대한 문제점이 존재한다. <그림 1>은 제조공정 중 발생하는 열이 충분히 배출되지 못해 발생한 열 변형의 대표적인 예이다.
그림 1. 원본 지오메트리 : (a) 설계 모델, (b) 시뮬레이션 결과, (c) 제작 모델
이러한 열 변형에 의한 수축/팽창으로 유발되는 제품 변형을 방지하기 위해 보상 모델의 적용이 필요한 것이다. 그러나 열 변형 거동을 고려한 보상 모델 설계를 직접 수행하기에는 어려움이 있으므로 시뮬레이션을 사용하여 보상 모델을 생성한다.
앞서 언급한 보상 모델이란, 적층제조 공정 중 발생하는 제품 변형을 사전 시뮬레이션을 통해 예측한 후, 열 변형 발생 시 원본 설계와 동일한 형상이 도출되게끔 모델링을 변경하는 방법이다. 먼저 <그림 2>와 같이 열 변형으로 인한 팽창이 일어날 것으로 예측되는 영역에 대해 형상을 변경시킴으로써 보상 모델이 생성된다. 이 보상 모델에 대한 적층공정 시뮬레이션을 수행한 결과, 동일 구간에서 열 변형으로 인한 팽창이 발생하며 원래 설계대로 제품 형상이 완성됨을 확인할 수 있다.
그림 2. 보상(compensated) 지오메트리 : (a) 설계 모델, (b) 시뮬레이션 결과, (c) 제작 모델
L-PBF 공정 시뮬레이션의 보상 모델 생성 방법
이 글에서는 <그림 3>과 같은 형상의 Ti-6Al-4V 재질의 더블 아치형 모델을 이용하여 L-PBF 적층공정 시뮬레이션을 진행하고 보상 모델을 생성하고자 하며, 과정은 다음과 같다.
먼저 보상 모델 생성에 앞서 첫 번째로 모델의 L-PBF 시뮬레이션을 수행한다. 다음으로 Inherent Strain 해석을 기반으로 L-PBF 시뮬레이션 진행 후 결과를 검토하며 보상 모델의 생성 기준을 정의하고, Distortion Compensation 기능을 활용하여 보상 모델 생성을 위해 <그림 4>에서 나타낸 순서대로 워크플로를 진행하여야 한다. 마지막으로 생성된 보상 모델의 L-PBF 시뮬레이션 결과를 검토하여 실제 출력물의 결과가 어떻게 나올지 분석하여야 한다.
그림 3. L-PBF 시뮬레이션을 위한 모델
그림 4. 보상 모델 생성의 워크플로
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작성일 : 2023-08-02
