기획특집 금속 3D 프린팅프로세스를위한시뮬레이션 황인혁기술위원 / 한국엠에스씨소프트웨어 inhyuck.hwang@mscsoftware.com 머리말 3D 프린팅은 3차원형상데이터를기반으로 2차원단면데이터를생성, 소재를얇은막으로형성해적층 (Additive) 하는방식으로제작하는기술이다. 학문적으로는적층제조 (AM, Additive Manufacturing) 기술로많이알려져있다. CNC 공작기계에서시작된, 재료를자르거나깎아생산하는절삭 (Subtractive) 과대비되는개념이다. 3D 프린팅기술은 1984년미국의척헐 (Chuck Hull) 에의해최초로개발됐되었다. 이후 1987년처음으로상업화가되었고, 2000년대후반부터는미래유망기술로손꼽히며전세계적으로주목받기시작하였다. 특히 2012년미국오바마대통령이국정연설에서해당기술의중요성을강조하면서일반인에게도널리알려지게되었다. 또한, 최근핵심기술에대한특허만료와관련부품, 소재및응용기술의발전에힘입어상용화기술이급속히성장하고있다. 3D 프린팅의여러분야중에서 특히, 금속 3D 프린팅은 GE(General Electric) 항공을선두로산업화가진행되어양산단계에이르렀다. 금속 3D 프린팅의공정은레이저 (Laser) 또는빔 (Beam) 을분말 (Powder) 에주사해녹여서융착하는방식이다. 열에의해 고체-액체-고체 로분말의상변화 (Phase transformation) 가발생하고, 반복되는입열 (Heatflux) 과냉각 (Cooling) 공정을통해열응력 (Thermal stress) 과변형 (Distortion) 이발생한다. 금속 3D 프린팅공정에서발생할수있는이러한열응력과열변형은제품결함의가장중요한원인으로, 이를해결하기위한수많은시행착오로인해많은시간과비용이발생하게된다. 3D 프린팅을수행하기이전에 CAE(Computer Aided Engineering) 를이용해가상으로제조공정을시뮬레이션하면, 적층공정, 열처리 (Heattreatment), 커팅 (Cutting) 및힙 (HIP) 공정등 3D 프린팅전체프로세스에서발생가능한변형및잔류응력을예측하고, 이를공정에반영해공정및설계데이터를수정할수있다. 즉, 처음부터올바른 (Print Right the First Time) 3D 프린팅결과 2018. 3 97
CAE 기술을넘어디지털트윈으로 값을얻을수있다. 본고를통해파우더베드퓨전 (Power Bed Fusion) 방식의금속 3D 프린팅공정설계및시뮬레이션을수행할수있는시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 를통해 3D 프린팅프로세스를시뮬레이션하는방법및과정을소개한다. 금속 3D 프린팅프로세스시뮬레이션의필요성금속 3D 프린팅을위해선형상 (Design), 분말 (Powder), 서포트 (Support) 뿐만아니라많은공정조건을고려해야한다. 이러한공정조건을통해발생되는변형 (Dis tortion) 과잔류응력 (Residual stress) 은출력물품질에영향을주는중요한사항이다. 프린팅공정중에발생하는출력물의변형은제품을출력한후에변형으로인해다른부품과조립을할수없을뿐만아니라, 리코 트블레이드 (Recoater blader) 와충돌을유발할수있다. 또한잔류응력으로인해출력물의크랙 (Crack) 이발생하여프린팅중단등출력물의파손으로이어진다. < 그림 1> 은출력물의변형과잔류응력으로인한크랙이발생한사례이다. 금속 3D 프린팅프로세스시뮬레이션은프린팅출력물의변형및잔류응력을실제프린팅이전단계에서재료, 구조, 공정조건을모두고려하여프린팅공정을설계할수있으므로, 시행착오를줄여처음부터올바르게프린팅할수있으며, 시간과비용을절약할수있는방법이다. 금속 3D 프린팅프로세스해석방법론적층제조시뮬레이션방법은해석스케일에따라, 나노 (Nano), 마이크로 (Micro), 메조 (Meso) 및매크로 (Macro) Source : NDES MATERIALS RESOURCES, LLC Source : NDES < 그림 1> 금속 3D 프린팅출력물의변형과파손 98
금속 3D 프린팅프로세스를위한시뮬레이션 해석으로분류할수있다. 나노 (Nano) 스케일접근법은에너지의흡수, 반사등을분말수준에서해석하며, 열전달 복사 대류 유체유동등을모두고려한해석접근법이다. 현재가장고난도해석방법으로평가되고있으며, 연구목적으로개발중이다. 먼저마이크로 (Micro) 스케일방법은이동열원 (Moving heat source) 을고려해열-구조연성해석 (Transient fully thermo-mechanical coupled) 을수행하는방법으로열변화및금속조직의상변태를고려할수있으나많은해석시간을필요로한다. 용접해석기술과유사한방법으로시뮤팩트웰딩 (Simufact Welding) 이라는소프트웨어를이용해해석할수있다. 메조 (Meso) 스케일해석방법은해칭세그먼트 (Hatching segment) 또는하나의스텝에서요소층 (Element layer) 단위로해석을수행하는방법으로, 열해석및열-구조연성해석이가능하며, 열이력 (Thermal history) 및열응력결과를얻을수있다. 마이크로 (Micro) 스케일해석방법보다는해석시간이적게소요된다. 시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 버전 3.0 이상에서사용가능하다. 매크로 (Macro) 스케일해석방법은요소층 (Element layer) 단위로해석을수행하며, 고유변형률 (Inherent strain) 방법을사용하여빠른시간에해석을수행할수있는장점이있다. 고유변형률을구하기위해서는프린팅공정조건을반영할수있는보정 (Calibration) 과정을반드시수행하여야한다. 고유변형률방법을사용하므로열해석은수행하지않고, 구조해석만수행하여변형및잔류응력을구할수있다. 시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 1.0 버전이후버전에서사용이가능하다. < 그림 2> 적층제조시뮬레이션방법 2018. 3 99
CAE 기술을넘어디지털트윈으로 금속 3D 프린팅공정시뮬레이션 < 그림 3> 은일반적인금속 3D 프린팅공정시뮬레이션과정을나타낸다. 프린팅공정시뮬레이션을하기이전단계에서위상최적화 (Topology optimization) 기법등을이용하여프린팅대상물의형상설계를하고, 설계파일을이용해 3D 프린팅공정시뮬레이션을수행한다. 3D 프린팅공정시뮬레이션의종류는 < 그림 3> 에서같이적층 (Additive manufacturing) 해석, 잔류응력을제거하기위한열처리해석 (Heat treatment), 베이스플레이트 (Base plate) 로부터서포트절단 (Cutting) 및제거 (Remove) 공정해석, 출력물의고밀도화를위한힙 (HIP, Hot Isostatic Press) 공정해석이다. 3D 프린팅후의출력물의응력, 변형을고려하여강도및피로해석을수행할수있다. (1) 적층공정 (Additive Manufacturing) 해석금속 3D 프린팅공정해석의핵심이되는부분으로적층공정을시뮬레이션하는과정이다. 보정 (Calibration) 을이용하여프린팅공정변수를고려하는고유변형률 해석기법인구조 (Mechanical) 해석방법과보정과정없이실제프린팅공정의열입력, 손실등을고려하는열 (Thermal) 해석, 열-구조 (Thermo-mechanical) 해석방법이있다. 구조 (Mechanical) 해석방법은고유변형률해석기법을이용하는방법으로, 적층시뮬레이션을수행하기이전에반드시보정 (Calibration) 해석을수행하여야한다. 보정해석은 < 그림 4> 와같이각방향별 (0, 45, 90 ) 방향으로시편을실제프린팅하고, 이를절단한뒤변형량을측정한후, < 그림 5> 와같이시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 에해당값을입력하여고유변형률을계산하는것이다. < 그림 5> 와같이계산된고유변형률은실제프린팅공정의많은변수를포함하고있는값이다. 이러한값을이용하여 < 그림 6> 과같이적층공정시뮬레이션을수행할수있다. 열 / 열-구조 (Thermal / thermo-mechanical) 해석방법은공정조건을고려하기위한보정 (Calibration) 과정이필요없다. 실제프린팅공정의레이저파워등열관련공정조건및변수를직접입력하여해석을수행하는방법으 < 그림 3> 금속 3D 프린팅공정시뮬레이션과정 X Z Max. Z-distortion Max. Z-height < 그림 4> 보정 (Calibration) 해석을위한시편출력및변형량측정 100
금속 3D 프린팅프로세스를위한시뮬레이션 < 그림 5> 고유변형률계산을위한시뮬레이션 < 그림 6> 고유변형률을이용한적층공정시뮬레이션 로베이스플레이트 (Base plate) 의온도상승및변형을함께고려할수있다. < 그림 7> 은열-구조 (Thermo-mechanical) 방법으로시뮬레이션과정을나타낸것이다. (2) 열처리 (Heat Treatment) 해석금속프린팅의출력물은레이저에의해가해지는열 에의한파우더의반복적인입열과냉각과정에의해열응력이발생한다. 실제제품의열응력을제거하기위해서는어닐링 (Annealing) 과정이필요하다. 시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 에서는이러한어닐링해석이가능하며, 시간에따른온도의변화를입력하면된다. 열처리해석에서는실제현상에서발생할수있는 (1) Part on base plate with fixations (2) Base plate heating (3) Element layer activation and heating (4) Layer cooling phase (5) Layer wise analysis up to end of build (6) Post build cooling in machine (7) Base plate unclamping (8) Final cooling outside machine (9) Cutting & removal operations < 그림 7> 열 - 구조 (Thermo-mechanical) 시뮬레이션과정 Equivalent stress after build close to ultimate strength Equivalent stress reduced to <10% yield strength Green Team Uni Stuttgart < 그림 8> 열처리해석을위한입력과열처리전후응력비교 2018. 3 101
CAE 기술을넘어디지털트윈으로 < 그림 9> 서포트절단및제거 20% pressure 100% pressure 97-98% rel. den. 98-99.99% rel. den. < 그림 10> HIP 공정시뮬레이션 크립 (Creep) 과같은현상도표현된다. < 그림 8> 은열처리해석을위한입력데이터와열처리전후의응력변화를나타낸다. (3) 서포트절단 (Cutting) 및제거 (Remove) 파우더베드퓨전방식의프린팅출력물은출력후서포터가생성되어있는데, 출력후베이스플레이트에서서포트를절단해야하며, 또한서포트를출력물로부터제거해야한다. 이러한공정에서도서포트의절단방향등에따라서변형및응력이발행할수있으며, 이는해석을통해예측이가능하다. < 그림 9> 는서포트절단과제거과정을나타낸다. (4) HIP(Hot Isostatic Press) HIP 공정은출력물의기공 (Porosity) 를제거하여밀도를향상시키기위해사용되는공정으로시간에대한온도와압력을입력함으로써밀도상승을예측할수있다. < 그림 10> 은 HIP 공정을통한밀도변화를나타낸다. (5) 공정설계및최적화공정에대한시뮬레이션을 (1) 부터 (4) 까지살펴보았다. 실제로공정설계및최적화하기위해서는위의 4가지를동시에고려하여야할뿐만아니라, 초기적층방향, 서프트개수등을함께고려하여야한다. 이러한전공정을프린팅이전단계에서시뮬레이션을통해설계및최적화할수있다. (6) 변형보상설계실제금속프린팅과정에서는변형으로인해실제 CAD 데이터와다른형상으로출력물이생성되는경우가많다. 이를해결하는방법으로는적층방향, 서프트변경등많은공정조건을변경하는방법을사용할수있으나, 또하나의방법은변형보상 (Distortion compensation) 설계를하는것이다. 시뮬레이션으로변형량을예측하고 102
금속 3D 프린팅프로세스를위한시뮬레이션 Initial build geometry with supports Initial build geometry resulting distortion Shown with initial shape (mesh outline) Compensated STL shown by offset in Toe of bracket < 그림 11> 변형보상설계 반대방향으로변형을인가하여초기형상을변경설계하는방법으로, 시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 에서는변경된 CAD 파일을 STL 형태로생성할수있다. 생성된 STL 파일을이용하여다시시뮬레이션하여변형량을확인하고실제출력을할수있다. < 그림 11> 은변형보상설계개념을나타낸것이다. 맺음말금속 3D 프린팅출력물은작업자의숙련된기술및노하우에따라품질이달라질수있으며, 특히새로운제품을프린팅하는과정에서적합한공정조건을설정 하는공정설계에대해많은어려움을겪고있다. 금속 3D 프린팅공정시뮬레이션을통해적층방향, 서포트개수, 열처리, HIP 공정을실제프린팅이전에설계를하여최적화된조건을도출하여시간과비용을줄일수있다. 다양한금속 3D 프린팅제품이생산되면, 적층공정시뮬레이션은 3D 프린팅공정설계및최적화뿐만아니라시간과비용을절감하기위해반드시수행해야한다. 시뮤팩트애디티브 (Simufact Additive) 와같은시뮬레이션소프트웨어를통해, 실제프린팅단계이전에다양한공정조건변경을통한공정설계및최적화를수행해 3D 프린팅과정의효율성을높일수있다. 2018. 3 103