[논문]이산요소법을 이용한 금속 분말 분무 과립화 공정의 생산성 시뮬레이션 연구

손권중

doi:10.15207/jkcs.2021.12.1.185

이산요소법을 이용한 금속 분말 분무 과립화 공정의 생산성 시뮬레이션 연구
Numerical Simulation of Productivity of Metal Powder Spray Granulation Process Using Discrete Element Method 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.12 no.1, 2021년, pp.185 - 191

손권중 (홍익대학교 기계정보공학과)

초록
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과립 분말 야금법은 기존 분말 야금법보다 치밀도가 높은 소결 부품을 얻을 수 있는 제조 기술이다. 하지만 추가 과립화 공정에 따른 생산 비용 증가가 상당하다는 단점이 있다. 과립 분말 야금법의 생산성 향상을 위해서는 과립 분말 제조 시 높은 회수율이 보장되어야 한다. 본 논문에서는 분체 동역학 전산 해석법인 이산요소법을 이용하여 과립 분말의 수율에 영향을 미치는 과립화 공정의 특성에 대해 살펴보았다. 분무 과립 공정 중 과립화 분말의 비산, 충돌 및 소착 현상을 시뮬레이션함으로써 분무 건조기의 운전 조건에 따른 과립화 분말의 파손 및 회수 가능 여부를 예측하였다. 본 논문의 가상 공정 시뮬레이션 융합 연구 결과는 실제 금속 분말의 분무 과립화 공정의 생산성 향상에 이바지할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

A powder metallurgy process with granules is the manufacturing technology that can achieve higher-density sintered parts than conventional powder metallurgy processes. However, there is a disadvantage in that the production cost increases significantly due to the additional granulation step. High granule productivity must be guaranteed for affordable material costs in this manufacturing technology. This paper performed a series of scattering, collision, and adhesion simulations of agglomerated powders to investigate the characteristics of granulation process affecting the manufacturing yield rate. The results of this simulation-based convergence study can contribute to improving productivity in the metal powder spray granulation process.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Spray dryer chamber and atomizer disk
그림 Fig. 2. Initial configuration and result of particle scattering simulation
그림 Fig. 3. EDEM computation flow chart and API (Courtesy of Altair Engineering Inc.)
그림 Fig. 4. Granulated powder model composed of 1,064 metal particles
표 Table 1. Computed properties of granulated powders
표 Table 2. Computed properties of granulated powders
표 Table 3. Adhesion and cohesion model parameters
표 Table 4. DEM collision simulation results
그림 Fig. 5. Fractured granules after wall collision
그림 Fig. 6. Adhesion loss rate of granulated powders versus cohesive energy density
표 Table 5. Non-cohesive particle flow through a funnel
표 Table 6. DEM adhesion simulation results

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 금속 분말의 분무 과립화 공정에서 과립의 비산, 충돌 및 소착 현상이 생산성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 가상 공정 시뮬레이션 융합 연구를 수행하였다. 분말의 충돌 및 응집과 같은 동적 거동을 수치 해석할 수 있는 이산요소법을 시뮬레이션 도구로 사용하였다.
본 논문은 수치 시뮬레이션에 기반한 제조기술·전산해석 융합적 접근법으로 분무 과립 공정 중 과립화 분말의 비산 특성을 비롯하여 충돌 거동과 소착 현상을 고찰하는 것을 목표로 한다. 수치 해석법으로는 분체의 동역학 유동 해석에 널리 이용되는 이산요소법(DEM, discrete element method)[10]을 사용하였고 시뮬레이션 결과로부터 분무 건조기의 운전 조건에 따른 과립화 분말의 파손 및 회수 가능 여부를 예측하였다.

가설 설정

충돌 입자가 계산 영역에서 이탈하는 상황을 회피면서 계산 효율도 향상하기 위해 시뮬레이션 공간에서 체임버 실린더의 크기를 축소하였다. 시뮬레이션 시간도 충돌 직전과 직후의 파손 여부만 확인하기 충분할 정도인 10㎲로 설정하였다. 시뮬레이션 결과 과립 분말의 외형 파괴는 디스크 회전 속도가 6, 000rpm 이상일 때 관측되었다.
2는 비산 시뮬레이션 초기 조건과 해석 결과로부터 얻은 비산 각도의 범위를 나태낸다. 아토마이저 디스크의 회전속도는 5,000rpm으로 설정하였고 Fig. 2의 왼쪽 그림에서처럼 82㎛ 입자가 수직 방향으로 1, 000 cc/min의 체적속도로 하강한다고 가정하였다. 총 시뮬레이션 시간인 0.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 계산 자원이 허용하는 범위에서 이산요소 법 해석을 수행하기 위해서 입자의 크기는 실제 보다 크게 하고 회수용 깔때기의 크기는 실제보다 작도록 시뮬레이션 조건을 설정하였다. 구체적으로 지름이 1mm인 분말 50g을 회수용 깔때기로 포집하는 조건에서 응집력 밀도를 0.1-0.2 J/m² 범위에서 변화시켜 가면서 소착의 경향성을 살펴보았다. 해석에 사용된 회수용 깔때기는 직경이 39mm이고 오리피스 직경이 9.
이 경우 단 1초간의 소착 시뮬레이션 데이터를 저장하는데 수십만 테라바이트의 용량이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 계산 자원이 허용하는 범위에서 이산요소 법 해석을 수행하기 위해서 입자의 크기는 실제 보다 크게 하고 회수용 깔때기의 크기는 실제보다 작도록 시뮬레이션 조건을 설정하였다. 구체적으로 지름이 1mm인 분말 50g을 회수용 깔때기로 포집하는 조건에서 응집력 밀도를 0.
전처리 작업이 필요하다. 본 연구에서 사용한 상용 소프트웨어인 EDEM는 과립화 분말의 생성 기능을 제공하고 있지 않기 때문에 미세 분말 크기와 아토마이저 디스크의 회전 속도 정보를 인자로 받아 단순 입방 클러스터 구조의 과립 분말을 생성하는 전처리기 프로그램을 C++ 언어로 개발하였다. 과립화 분말의 직경 D[㎛]과 아토마이저 디스크의 회전속도 n[rpm]의 관계를 모델링하기 위해 D = 0.
시뮬레이션에 사용되고 있다[11-16]. 본 연구에서는 분무 건조기 내부에서의 분말 비산과 충돌을 비롯하여 소 착 현상에 대한 이산요소법 시뮬레이션을 수행하였다. 전산해석 도구로는 상용 이산요소법 소프트웨어인 EDEM을 사용하였고 충돌 시뮬레이션 수행 시 요구되는 전처리 코드 개발용 프로그래밍 언어로는 C++를 사용하였다.
분무 과립 공정의 생산성을 저하하는 또 다른 원인인소착 현상에 대한 이산요소법 시뮬레이션을 수행하였다. Table 5과 Table 6에 제시한 소착 시뮬레이션 결과를 통해 결합제의 불완전 건조로 잔류하는 표면 응집 에너지가 특정 임계치를 초과할 때 입자의 소착 현상이 나타나기 시작한다는 사실을 확인할 수 있다.
분말의 충돌 및 응집과 같은 동적 거동을 수치 해석할 수 있는 이산요소법을 시뮬레이션 도구로 사용하였다. 분무기 디스크의 회전 속도에 따른 과립의 평균 입입도를 예측하는 실험식에 기반하여 단순 입방 클러스터 구조로 과립 분말 형상을 생성하는 전처리기 프로그램을 개발하였다. 이산요소법 시뮬레이션을 통해 과립의 비산 각도, 건조기 벽면 충돌 후 파손 여부, 그리고 잔류 표면응집 에너지에 따른 입자의 소착 비율을 예측하였다.
이산요소법 시뮬레이션을 통해 과립의 비산 각도, 건조기 벽면 충돌 후 파손 여부, 그리고 잔류 표면응집 에너지에 따른 입자의 소착 비율을 예측하였다. 수치 해석 결과의 분석을 통해 금속 분말 과립화 공정의 생산성을 높일 수 있는 두 가지 개선 방안을 도출하였다. 첫째는 아토마이저 디스크 회전 속도 최적화 방안으로써 비산 및 충돌 시뮬레이션을 통해 과립의 최소 입도 조건을 만족하면서 충돌에 의한 과립 파괴를 회피할 수 있는 디스크 회전 속도를 도출할 수 있었다.
전산해석 도구로는 상용 이산요소법 소프트웨어인 EDEM을 사용하였고 충돌 시뮬레이션 수행 시 요구되는 전처리 코드 개발용 프로그래밍 언어로는 C++를 사용하였다. 시뮬레이션 수행 시 아토마이저 디스크 회전속도 범위는 실제 분무 과립화 공정의 운전 조건을 반영하여 5, 000rpm에서부터 7, 000rpm까지로 설정하였다.
응집력에 따른 분말의 소착 경향성을 살펴보기 위해 이산요소법 시뮬레이션을 수행하였다. 분말과 체임버 벽면 사이의 접착력은 응집 에너지 밀도 값을 인자로 갖는 JKR 모델로 계산하였다.
분무기 디스크의 회전 속도에 따른 과립의 평균 입입도를 예측하는 실험식에 기반하여 단순 입방 클러스터 구조로 과립 분말 형상을 생성하는 전처리기 프로그램을 개발하였다. 이산요소법 시뮬레이션을 통해 과립의 비산 각도, 건조기 벽면 충돌 후 파손 여부, 그리고 잔류 표면응집 에너지에 따른 입자의 소착 비율을 예측하였다. 수치 해석 결과의 분석을 통해 금속 분말 과립화 공정의 생산성을 높일 수 있는 두 가지 개선 방안을 도출하였다.
시뮬레이션 결과를 시각화하여 나타내었다. 충돌 입자가 계산 영역에서 이탈하는 상황을 회피면서 계산 효율도 향상하기 위해 시뮬레이션 공간에서 체임버 실린더의 크기를 축소하였다. 시뮬레이션 시간도 충돌 직전과 직후의 파손 여부만 확인하기 충분할 정도인 10㎲로 설정하였다.

대상 데이터

2 J/m² 범위에서 변화시켜 가면서 소착의 경향성을 살펴보았다. 해석에 사용된 회수용 깔때기는 직경이 39mm이고 오리피스 직경이 9.8mm이며 총 높이는 48.85mm이다.

이론/모형

응집력에 따른 분말의 소착 경향성을 살펴보기 위해 이산요소법 시뮬레이션을 수행하였다. 분말과 체임버 벽면 사이의 접착력은 응집 에너지 밀도 값을 인자로 갖는 JKR 모델로 계산하였다. 분무 건조기에 분당 1, 000cc/min 정도의 체적 속도로 분말 슬러리를 주입하므로 1분당 8조 개 정도의 과립 분말이 회수된다고 볼 수 있다.
분말의 충돌 및 응집과 같은 동적 거동을 수치 해석할 수 있는 이산요소법을 시뮬레이션 도구로 사용하였다. 분무기 디스크의 회전 속도에 따른 과립의 평균 입입도를 예측하는 실험식에 기반하여 단순 입방 클러스터 구조로 과립 분말 형상을 생성하는 전처리기 프로그램을 개발하였다.
분무 건조기 내에서 비산된 과립의 파손 여부를 예측하기 위하여 이산요소법을 이용한 과립 분말 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. Table 4와 Fig.
것을 목표로 한다. 수치 해석법으로는 분체의 동역학 유동 해석에 널리 이용되는 이산요소법(DEM, discrete element method)[10]을 사용하였고 시뮬레이션 결과로부터 분무 건조기의 운전 조건에 따른 과립화 분말의 파손 및 회수 가능 여부를 예측하였다.
스토크스의 법칙(Stoke’s law)[13]을 적용하여 비산된 과립 입자에 작용하는 항력을 계산할 수 있고 운동 방정식을 풀어 건조기 체임버 벽면에 도달하는 시점에서의 과립 운동 속도의 수평 성분과 수직 성분을 얻을 수 있다. 아토마이저 디스크의 분당 회전수에 따른 과립의 충돌 속도를 계산한 결과를 Table 2에 정리하였다.
사이의 응집력과 결합력을 부가한다. 이산요소법 시뮬레이션에서 응집력은 JKR(Johnson, Kendal, Roberts) 응집모델[11, 12]을 사용하여 계산하였고 결합력은 입자본드 모델(bonded particle model)을 사용하여 계산하였다. 입자 간 접촉력, 응집력, 결합력 계산을 위해 입력한 인자를 Table 3에 정리하였다.
본 연구에서는 분무 건조기 내부에서의 분말 비산과 충돌을 비롯하여 소 착 현상에 대한 이산요소법 시뮬레이션을 수행하였다. 전산해석 도구로는 상용 이산요소법 소프트웨어인 EDEM을 사용하였고 충돌 시뮬레이션 수행 시 요구되는 전처리 코드 개발용 프로그래밍 언어로는 C++를 사용하였다. 시뮬레이션 수행 시 아토마이저 디스크 회전속도 범위는 실제 분무 과립화 공정의 운전 조건을 반영하여 5, 000rpm에서부터 7, 000rpm까지로 설정하였다.

성능/효과

첫째는 아토마이저 디스크 회전 속도 최적화 방안으로써 비산 및 충돌 시뮬레이션을 통해 과립의 최소 입도 조건을 만족하면서 충돌에 의한 과립 파괴를 회피할 수 있는 디스크 회전 속도를 도출할 수 있었다. 둘째는 과립화 분말의 건조 방안으로써 소착 시뮬레이션 결과를 통해 과립 분말이 건조기 벽면에 달라붙어 회수되지 않는 소착 현상을 최소화하기 위한 잔류 표면 응집력을 임계치를 도출할 수 있었다. 본 논문의 제조기술·전산해석 융합 연구 방법론은 상당한 비용과 시간이 소요되는 실험적 접근법의 대안으로써 분무 과립화 공정의 수율 개선을 통해 과립화 분말야금법의 생산성 향상에 이바지할 것으로 기대한다.
알 수 있다. 산업계에서 요구하는 과립의 평균 입도는 70㎛ 이상인 점을 고려할 때 5,000rpm 조건에서 생산된 과립의 평균 입도는 82㎛로 계산되었으므로 그 이상의 속도 조건에서 GPM 공정에 적합한 입도의 과립 분말을 생산할 수 있음을 알 수 있다. 아토마이저 디스크의 회전 속도가 높아질수록 주입할 수 있는 분말 슬러리의 체적 속도도 함께 증가하므로 시간당 과립 생산량을 개선할 수 있는 여지가 있다.
시뮬레이션 시간도 충돌 직전과 직후의 파손 여부만 확인하기 충분할 정도인 10㎲로 설정하였다. 시뮬레이션 결과 과립 분말의 외형 파괴는 디스크 회전 속도가 6, 000rpm 이상일 때 관측되었다. 아토마이저 분당 회전수가 6, 000rpm인 경우에 총 12, 840 개의 본드 중에서 50.
시뮬레이션 결과 과립 분말의 외형 파괴는 디스크 회전 속도가 6, 000rpm 이상일 때 관측되었다. 아토마이저 분당 회전수가 6, 000rpm인 경우에 총 12, 840 개의 본드 중에서 50.5%에 해당하는 6, 409개가 파괴되었고, 회전수가 7, 000rpm의 경우는 총 18, 468개의 본드 중에서 54.6%에 해당하는 18, 468개가 소실되었다.
011n + 27의 실험식을 사용하였다. 이 실험식은 미세 입자 반경이 6㎛이고 디스크 회전속도의 범위가 5,000rpm 이상이며 7, 000rmp 이하일 때 유효하다. 개발한 전처리 코드는 EDEM API(EDEM application programming interface) 라이브러리를 통해 Fi.
수치 해석 결과의 분석을 통해 금속 분말 과립화 공정의 생산성을 높일 수 있는 두 가지 개선 방안을 도출하였다. 첫째는 아토마이저 디스크 회전 속도 최적화 방안으로써 비산 및 충돌 시뮬레이션을 통해 과립의 최소 입도 조건을 만족하면서 충돌에 의한 과립 파괴를 회피할 수 있는 디스크 회전 속도를 도출할 수 있었다. 둘째는 과립화 분말의 건조 방안으로써 소착 시뮬레이션 결과를 통해 과립 분말이 건조기 벽면에 달라붙어 회수되지 않는 소착 현상을 최소화하기 위한 잔류 표면 응집력을 임계치를 도출할 수 있었다.
2의 왼쪽 그림에서처럼 82㎛ 입자가 수직 방향으로 1, 000 cc/min의 체적속도로 하강한다고 가정하였다. 총 시뮬레이션 시간인 0.0413초 동안에 연속적으로 71, 561개의 입자가 생성되었다. 수직으로 공급된 입자는 고속 회전하는 디스크 표면에 접촉하면서 바깥쪽으로 빠르게 비산한다.

후속연구

둘째는 과립화 분말의 건조 방안으로써 소착 시뮬레이션 결과를 통해 과립 분말이 건조기 벽면에 달라붙어 회수되지 않는 소착 현상을 최소화하기 위한 잔류 표면 응집력을 임계치를 도출할 수 있었다. 본 논문의 제조기술·전산해석 융합 연구 방법론은 상당한 비용과 시간이 소요되는 실험적 접근법의 대안으로써 분무 과립화 공정의 수율 개선을 통해 과립화 분말야금법의 생산성 향상에 이바지할 것으로 기대한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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