애디티브 사이언스를 통한 멜트 풀 사이즈 예측
앤시스 2019R1(ANSYS 2019R1) 업데이트를 통해 애디티브 사이언스(Additive Science)를 사용할 수 있게 되었다. 애디티브 사이언스에서 Single Bead 해석과 Porosity 해석을 지원하며, 각각 멜트 풀(Melt Pool)의 형상과 실제 생산품의 기공률을 파악할 수 있는 해석 모드이다. 이번 호에서는 애디티브 사이언스의 필요성과 기능에 대하여 자세히 알아보도록 하겠다.
■ 전효승
이메일 | hsjeon@tsne.co.kr
태성에스엔이 DnA팀에서 AM 공정 해석 및 DfAM(Design for Additive Manufacturing) 전문분야를 담당하고 있다.
1. 금속 적층가공의 특성과 공정 파라미터
3D 프린팅으로 널리 알려진 적층제조(Additive Manufacturing: AM) 공정은 4차 산업혁명에서 각광받고 있는 제조 방식이다. 기존의 제조 방식과 비교하여 제조 형상의 자유도가 높고, 여러 부품을 한 번에 출력 가능하며, 새로운 소재와 물성을 얻을 수 있는 등 여러 장점을 가지고 있다. 따라서 실제 산업현장에서는 이러한 적층제조에 대한 연구를 활발히 진행 중이고, 특히 금속 소재에 대한 생산을 많이 검토하고 있다. 의료, 항공, 조선, 자동차 등 여러 업계에서 적층제조를 도입하여 실제 양산의 단계에 이르고 있다.
전 세계적으로 금속 적층제조 장비의 80%는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식이 차지하고 있다. PBF는 SLM(Selective Laser Melting) 또는 EBM(Electron Beam Melting)으로도 불리는 방식이다. PBF 장비에서 레이저가 조사된 분말에는 용융된 금속이 웅덩이를 이루는데, 이것을 멜트 풀(Melt Pool)이라고 한다. 이 멜트 풀이 스캔 패턴을 따라 움직임에 따라서 금속이 용융되고 응고되어 적층되는 것이 PBF 방식의 특징이다. 따라서 PBF 방식은 멜트 풀의 형상과 거동에 따라 제품의 품질이 크게 좌우된다.
이러한 멜트 풀의 형상과 거동에 영향을 미치는 변수는 크게 재료, 환경, 공정으로 나눌 수 있다. 그 중 공정 파라미터의 레이저 파워, 스캔 속도, 해치 간격 등은 사용자가 직접 정의할 수 있기 때문에 멜트 풀을 제어할 수 있는 핵심 변수이다.
그림 1. 스캔 속도와 레이저 파워에 따른 적정 멜트 풀 영역(녹색)과 여러 공정 문제
이 변수들의 최적의 조합을 찾지 않으면 생산품의 품질 문제가 쉽게 발생하고 생산 비용의 증가를 초래할 수 있다. 예를 들어, <그림 1>과 같이 레이저 파워가 과다하면 멜트 풀에 기포가 생기는 키홀(Key-hole) 현상이 발생하고, 스캔 속도가 과다하면 이전 층에 적층이 불완전하게 되는 Lack-of-Fusion 현상이 발생하며, 레이저 파워와 스캔 속도가 일정 정도를 초과하면 볼링(Balling) 현상이 나타난다. 또한 공정 파라미터는 멜트 풀뿐만 아니라 생산 속도와도 관계가 있다. 특히 스캔 속도가 생산속도와 직접적인 연관이 있다. 이러한 이유로 적층 제조 현장에서는 장비 운용 시 최적의 QCD(Quality, Cost & Delivery)를 위하여 최적의 공정 파라미터에 대한 연구가 반드시 수반되어야 한다.