[논문]금속 3D 프린팅 적층제조(AM) 공정 시뮬레이션 기술에 관한 고찰(I)

김용석; 최성웅; 양순용

doi:10.7839/ksfc.2019.16.3.042

금속 3D 프린팅 적층제조(AM) 공정 시뮬레이션 기술에 관한 고찰(I)
Investigation to Metal 3D Printing Additive Manufacturing (AM) Process Simulation Technology (I) 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.16 no.3, 2019년, pp.42 - 50

김용석 (Department of Mechanical Engineering, University of Ulsan) , 최성웅 (Department of Construction Machinery Engineering, University of Ulsan) , 양순용 (Department of Mechanical Engineering, University of Ulsan)

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing AM processes have advantages in complex shapes, customized fabrication and prototype development stage. However, due to various parameters based on both the machine and the material, the AM process can produce finished output after several trials and errors in the initial stage. As such, minimizing or optimizing negative factors for various parameters of the 3D printing AM process could be a solution to reduce the trial-and-error failures in the early stages of such an AM process. In addition, this can be largely solved through software simulation in the preprocessing process of 3D printing AM process. Therefore, the objective of this study was to investigate a simulation technology for the AM software, especially Ansys Inc. The metal 3D printing AM process, the AM process simulation software, and the AM process simulation processor were examined. Through this study, it will be helpful to understand 3D printing AM process and AM process simulation processor.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1 Comparison of features and advantages and disadvantages of general manufacturing process (Subtractive Manufacturing) and 3D printing manufacturing process (Additive Manufacturing)
표 Table 2 AM method classification of material type, power source type, and according to laser manufacturer
표 Table 3 Released software for AM process simulation^6-16)
그림 Fig. 1 AM process simulation flow chart with ANSYS Additive Suite [Source¹⁷⁾]
그림 Fig. 2 AM simulation processor using ANSYS Additive Workbench
그림 Fig. 3 AM simulation processor using Additive Print
그림 Fig. 4 Simulation processor for correction of SSF and ASCs factors
그림 Fig. 5 Simulation processor using AM Additive Science

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

아울러 금형분야와 같이 고강도 툴 소재를 다루는데 유리한 DED방식의 시뮬레이션기술이 초기단계 수준인 것은 금형분야에 AM기술의 수요를 고려할 때 아쉬운 부분이다. 본 논문에서는 ANSYSAdditive Suite에서 제공되는 PBF방식을 중심으로 AM 공정 시뮬레이션 프로세서를 기술하기로 한다. ANSYS에서 제공되는 AM 소프트웨어 툴 킷을 Additive Suite라고 하며, Topology Optimization,Workbench Additive, Additive Print 그리고 Additive Science가 포함되어 있다.
본 연구에서는 AM분야의 시뮬레이션 기술을 적용하기 위한 전반적인 시뮬레이션 기술에 대하여 살펴보고자 한다. 특히, ANSYS Inc.
본 연구에서는 금속 3D 프린팅 AM 공정의 소개와 AM 공정 시뮬레이션 소프트웨어에 대한 현황 그리고 AM 공정 시뮬레이션 프로세서를 중심으로 고찰하였다. 3D 프린팅 기술이 제조 현장에서 쓰이려면,우수한 3D 프린터와 소재 그리고 소프트웨어가 필수적이다.
AM 공정 시뮬레이션의 목표는 부품의 거시적인 왜곡 및 응력을 예측하여 빌드-업 실패를 방지하는 것이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 적층품 방향의 결정, 서포터의 배치와 크기의 조정을 포함한 전반적인 AM 공정 설계의 개선을 위해 최적화된 데이터를 제공하는 것이라 할 수 있다. 일반적으로 AM 공정 시뮬레이션 프로세스는 적층형상 디자인의 최적화와 적층제조 파라미터의 최적화로 이루어진다.

가설 설정

3과 같다. Assumed Strain Simulation은 부품 내부의 모든 위치에서 일정한 등방성 변형이 일어난다고 가정한 것으로 가장 빠른 시뮬레이션이 가능하다. Scan Pattern Simulation은 가정된 균일 변형률과 동일한 평균 변형률 크기를 사용하지만, 부품 내에서 스캔 벡터의 로컬 방향에 따라 구성 요소별 변형률을 세분화하게 됨으로 시뮬레이션 시간이 길어진다.

제안 방법

18-19) 이것을 바탕으로 Topology Optimization 환경에서 최적화 요소(질량, 변형 등)에 대한 허용범위를 정하여 토폴로지(물리적 or 구조적) 최적화 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 또 한 번의 정적 구조해석을 통하여 검증과정을 거친 후 적층형상을 결정하게 된다.
적층제조 프로세스 시뮬레이션은 서포터 생성의 위치 및 방향 그리고 조밀한 정도의 분석, 장비와 소재에 따라 요구되는 레이저 파워, 스캔 속도, 온도 조건 등의 AM 빌드-업 공정 매개변수를 분석하게 된다. 또한, AM 프린팅 빌드과정에서 야기될 수 있는 문제점의 분석과 AM 장비와 소재에 따른 용융-풀 미소구조(길이, 깊이, 폭, 다공성)를 분석하게 된다. AM 공정 시뮬레이션은 적층제조 출력품의 형상이 크고 복잡할 때 유용하다.
,의 AM 소프트웨어를 중심으로 다루어보고자 한다. 본 1편에서는 금속 3D프린팅 AM 공정의 소개와 AM 공정 시뮬레이션 소프트웨어에 대한 현황 그리고 AM 공정 시뮬레이션 프로세서를 중심으로 다루고, 다음 2편에서는 AM 공정 시뮬레이션 예시와 관련하여 Topology Optimization, ANSYS Workbench, Additive Print 그리고 Additive Science에 대한 직접적인 수행을 통하여 사용법을 알아보고 분석해보고자 한다.
Workbench에서 AM 시뮬레이션을 위한 단계는 공정 파라미터를 설정하는 Additive Wizard을 이용하는 단계를 포함하여 모두 12단계로 이루어진다. 이러한 시뮬레이션 단계는 해석 시스템의 생성, 적층소재에 대한 정의, Additive Wizard을 이용한 적층 형상에 대한 메시, 접촉, 서포터, 소재물성, 공정조건, 장비조건,온도조건의 부여 그리고 빌드-업 과정을 고려한 과도열적 분석 및 구조적 분석을 시뮬레이션 하여 결과를 분석하게 된다. 이와 같이 Additive Workbench을 이용한 AM 시뮬레이션 과정을 상세히 나타내면 Fig.
형상 디자인 시뮬레이션은 오버 디자인된(over designed) 형상을 물리적 또는 구조적으로 최적화된(topology optimized) 형상으로 디자인한 후 검증(validation)하는 과정을 시뮬레이션 한다. 적층 공정 시뮬레이션은 서포터 생성 및 분석, AM 공정 파라미터 분석, AM 빌드-업 과정 분석 그리고 소재 특성 및 미소구조 분석 등을 시뮬레이션 한다. ANSYS Additive Suite을 이용한 AM 공정 시뮬레이션 워크플로우의 예를 Fig.
금속 AM 공정 시뮬레이션 프로세스는 크게 형상디자인(geometry design)과 적층 공정(additive process)으로 나누어 이루어진다. 형상 디자인 시뮬레이션은 오버 디자인된(over designed) 형상을 물리적 또는 구조적으로 최적화된(topology optimized) 형상으로 디자인한 후 검증(validation)하는 과정을 시뮬레이션 한다. 적층 공정 시뮬레이션은 서포터 생성 및 분석, AM 공정 파라미터 분석, AM 빌드-업 과정 분석 그리고 소재 특성 및 미소구조 분석 등을 시뮬레이션 한다.

후속연구

따라서 적층제조 출력품의 형상이 크고 복잡한 경우 AM 공정 시뮬레이션은 반드시 이루어져야 할 것이다. 또한, AM 공정의 최적화는 출력품의 품질과 출력비용에 직접 영향을 미치게 됨으로 설계자는 중요하게 고려하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기술은 무엇인가?	3D 프린팅 기술은 3차원 형상을 컴퓨터 모델링 작업을 통하여 디지털 CAD 모델 데이터로 만들고 이를 2차원 평면으로 잘게 자른 후, 분말화된(powdered) 소재를 3차원 프린터로 평면에 한 층씩 쌓아가는 적층방식(layer by layer)으로 입체 형상을 제조하는 기법이다. 종래의 제조 기술이 입체 형상의 소재를 기계가공 등을 통해 자르거나 깎는 방식으로 입체 형상물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing) 방식이었다면, 3D 프린팅에서는 이와 대치되는 개념으로 적층하는 방식을 취하여, 공식용어로 적층제조(AM: Additive Manufacturing) 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)으로 사용되고 있다.
	금속 3D 프린팅 기법의 두 가지 방식은 무엇인가?	그것은 평평하게 깔아놓은 분말영역을 레이저의 선택적 열에너지로 융합하는 분말적층 용융방식(Powder Bed Fusion: PBF)과 레이저 빔의 집중된 열에너지로 분말소재를 직접 녹여서 증착하는 고에너지 직접 조사방식(Directed Energy Deposition: DED)이다. 이와 같이 금속 3D 프린팅 기법은 크게 PBF와 DED 방식으로 나뉜다. 소재의 형태와 파워 소스의 유형에 따라 더 세분하여 분류되고, 레이저 업체에 따라 다양한 이름으로 불리고 있다.
	3D 프린팅 AM 공정의 해결해야 할 과제는 무엇인가?	하지만, 3D 프린팅 AM 공정에 있어서 우선 해결해야할 과제도 다수 있다. 복잡한 형상의 제품을 개발하는 단계의 시제품 생산에는 비용과 시간적으로 이점이 있으나 생산단계의 수준에서는 느린 속도, 낮은 정밀도, 낮은 강도, 소재의 제한 등은 우선 해결해야할 과제다. 일반 제조공정(절삭가공)과 3D 프린팅 제조공정(적층제조)의 특징과 장단점을 비교하여 Table 1에 정리하였다.

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