Home / highlight / 미세한 곳 까지 들여다 봐야 DfAM – 앤시스의 적층 제조 솔루션 Additive Suite™
3D 프린팅 소재 백서 다운로드 하기

미세한 곳 까지 들여다 봐야 DfAM – 앤시스의 적층 제조 솔루션 Additive Suite™

구조 해석 솔루션 제공 기업인 ANSYS(이하 앤시스)는 ‘엔지니어링 시뮬레이션의 보편화’를 목표로 하는 기업이다. 이 회사가 적층 제조를 위해 제공하는 솔루션이 ‘ANSYSⓇ Additive Suite™’이다. 앤시스의 워크벤치(Workbench) 플랫폼 상에서 위상 최적화를 통한 중량 감소 및 격자 밀도 최적화, CAD 지오메트리 생성 및 수정, 공정 시뮬레이션 등 적층 가공 전반을 단일 프로세스로 수행할 수 있게 해주는 솔루션이다. 앤시스 Additive Suite는 기본적으로 검증 구조 해석과 위상 최적화 기능을 가지고 있으면서 서포트 생성과 STL 파일 수정을 지원하는 설계툴인 SpaceClaim이 탑재되어 있고, 적층 가공 프로세스를 수행하는 Additive Print와 미세 결정 구조 해석을 지원하는 Additive Science도 포함되어 있다.

위상 최적화
초기 설계 데이터를 불러와 강력한 구조 해석 솔버인 앤시스 Mechanical을 이용한 위상 최적화를 진행한다. 위상 최적화 결과물은 거친 형태의 STL 파일로 생성되는데 스무딩 기능을 통해 간단하게 부드러운 형상으로 만들 수 있다. 또한, 앤시스는 래티스 구조를 적용한 위상 최적화도 지원한다. 위상 최적화 결과 제거되어야 할 부분의 외곽 형상만 살려둔 상태에서 래티스의 분포와 밀도를 변화시켜서 적용하는 방식으로 위상을 최적화한다. 이 경우 구조 해석을 반드시 포함한 최적화 방식으로, 래티스 형상만을 제공하는 여타 소프트웨어의 기능과는 차별화된다. 앤시스는 현재 7가지의 래티스 타입을 제공하고 있다.

설계 기능을 제공하는 SpaceClaim 소프트웨어는 STL 파일을 수정하거나 CATIA, NX 등의 캐드 파일과 중립 파일 포맷 등의 솔리드 형태로 변환해 주는 기능을 가지고 있다. 최근에 추가된 Additive Prep 모듈은 서포트 관련 기능을 제공한다. 서포트 라이브러리를 이용해 어떤 서포트를 사용할지 선택할 수 있다. 또한, 서포트의 적용 위치도 매우 중요한데, 특정한 부분에 편중되게 되면 응력집중 현상이 생겨 비틀림 혹은 파손이 발생될 수 있으므로 최적화의 대상이 된다. 적층 대상물의 오버행(Overhang) 각도를 고려한 적층 방향(Orientation)의 최적화도 설계 단계에서 고려해야할 사항이다.

위상 최적화 결과 파란색은 제거되어야 할 부분이었다.
위상 최적화 결과 파란색은 제거되어야 할 부분이었다.
외곽 형상을 살려둔 채로 래티스를 이용해 위상 최적화한다.
외곽 형상을 살려둔 채로 래티스를 이용해 위상 최적화한다.

 

검증 과정을 거쳐 출력된 파트.
검증 과정을 거쳐 출력된 파트.

1908_37

Additive Print
독립 실행형 솔루션인 Additive Print는 DfAM 설계자와 3D 프린팅 장비 운영자를 염두에 두고 개발되었다. Additive Print의 적층 공정 시뮬레이션을 통해 빌드 실패와 물리적 시행착오를 방지할 수 있다. 설계자는 CAD 또는 STL 파일을 Additive Print로 가져오고, 실제 부품을 인쇄하는 것보다 빠르게 시뮬레이션을 실행한다. 인쇄 공정 중에 발생하는 현상을 시각화하고, 그에 따라 서포트 또는 도면을 수정할 수 있다. 또한, 해석 결과로부터 예측된 왜곡된 형상을 보정할 수 있는 STL 파일로 저장이 가능하고, 공정 중에 발생할 수 있는 리코터 암의 충돌도 예측할 수 있다.

산업용 필터를 생산하는 Croft Filters사는 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM) 적층 제조 공정을 사용해 전통적인 제조 방법으로는 생산할 수 없는 복잡한 내부 형태를 가진 필터를 개발하고 있었다. 스테인리스 316L 소재를 이용한 필터 적층 과정에서 잔류 응력의 영향으로 뒤틀림이 발생되었다. 종전에 엔지니어들은 이를 극복하기 위해 부품 방향, 서포트 구조, 적층 장비의 매개변수, 재료 사양 및 구성 요소를 변경해 보는 시행착오 방법에 의존했었으나 많은 시간과 비용이 소모되는 작업이었다. 시뮬레이션을 통한 문제 해결 앤시스 Additive Print를 사용하면서 서포트 구조에서 제거되기 전과 후의, 원래의 변형되지 않은 형상과 변형된 최종 형상의 차이에 대한 시각화를 포함하여 제조 시 부품의 왜곡과 잔류 응력을 예측할 수 있었다. 이 결과 왜곡이 대부분 고강도의 상단부(솔리드 링)에 의해 발생하는 것으로 나타났으며, 이로 인해 메시 필터의 윗부분에 잔류 응력이 발생했다. 엔지니어는 상단부를 포함한 필터와 포함하지 않은 필터를 시뮬레이션하여 이 가설을 테스트했다. 상단부가 없으면 결과에 왜곡이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 사실을 확인하기 위해 Croft 엔지니어는 상단부가 없는 부품을 제작했으며, 그 결과는 시뮬레이션과 일치했다. 상단부의 링이 부품의 구조적 무결성을 유지하기 위해서는 반드시 필요하지만 제조 공정 중에 왜곡을 유발한다는 중요한 정보를 설계 공정에 제공했다. 이후 Croft 엔지니어는 메시 필터에 서포트 구조를 추가하는 등 새로운 설계를 시뮬레이션해 보았다. 왜곡이 상당히 감소했지만, 여전히 이 제품에 사용하기에는 만족스러운 수준은 아니었다. 마지막으로 엔지니어는 Additive Print에서 왜곡을 보상하기 위해 빌드의 형상을 조정하는 ‘자동 보정 기능’을 활용해 보기로 했다. 왜곡 보상의 비율을 조절해 가면서 해석해 보다가 왜곡 보상 비율이 0.90인 모델에서 설계 사양을 충족하는 결과를 얻을 수 있었다. Croft는 Additive Print를 설계, 적층 공정에 활용해 제작 가능한 설계를 신속하게 생성하고, 여러 번의 빌드 실패를 방지할 수 있었고, 결과적으로 출시 기간을 단축하고 프로토타입 제작 비용을 50%까지 절감했다.
산업용 필터를 생산하는 Croft Filters사는 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting, SLM) 적층 제조 공정을 사용해 전통적인 제조 방법으로는 생산할 수 없는 복잡한 내부 형태를 가진 필터를 개발하고 있었다. 스테인리스 316L 소재를 이용한 필터 적층 과정에서 잔류 응력의 영향으로 뒤틀림이 발생되었다.
종전에 엔지니어들은 이를 극복하기 위해 부품 방향, 서포트 구조, 적층 장비의 매개변수, 재료 사양 및 구성 요소를 변경해 보는 시행착오 방법에 의존했었으나 많은 시간과 비용이 소모되는 작업이었다.
시뮬레이션을 통한 문제 해결
앤시스 Additive Print를 사용하면서 서포트 구조에서 제거되기 전과 후의, 원래의 변형되지 않은 형상과 변형된 최종 형상의 차이에 대한 시각화를 포함하여 제조 시 부품의 왜곡과 잔류 응력을 예측할 수 있었다. 이 결과 왜곡이 대부분 고강도의 상단부(솔리드 링)에 의해 발생하는 것으로 나타났으며, 이로 인해 메시 필터의 윗부분에 잔류 응력이 발생했다.
엔지니어는 상단부를 포함한 필터와 포함하지 않은 필터를 시뮬레이션하여 이 가설을 테스트했다. 상단부가 없으면 결과에 왜곡이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 사실을 확인하기 위해 Croft 엔지니어는 상단부가 없는 부품을 제작했으며, 그 결과는 시뮬레이션과 일치했다. 상단부의 링이 부품의 구조적 무결성을 유지하기 위해서는 반드시 필요하지만 제조 공정 중에 왜곡을 유발한다는 중요한 정보를 설계 공정에 제공했다.
이후 Croft 엔지니어는 메시 필터에 서포트 구조를 추가하는 등 새로운 설계를 시뮬레이션해 보았다. 왜곡이 상당히 감소했지만, 여전히 이 제품에 사용하기에는 만족스러운 수준은 아니었다.
마지막으로 엔지니어는 Additive Print에서 왜곡을 보상하기 위해 빌드의 형상을 조정하는 ‘자동 보정 기능’을 활용해 보기로 했다. 왜곡 보상의 비율을 조절해 가면서 해석해 보다가 왜곡 보상 비율이 0.90인 모델에서 설계 사양을 충족하는 결과를 얻을 수 있었다.
Croft는 Additive Print를 설계, 적층 공정에 활용해 제작 가능한 설계를 신속하게 생성하고, 여러 번의 빌드 실패를 방지할 수 있었고, 결과적으로 출시 기간을 단축하고 프로토타입 제작 비용을 50%까지 절감했다.

Additive Science
금속 적층에 대한 ‘미세 결정 구조 해석’을 지원하는 소프트웨어는 앤시스의 Additive Science가 유일하다. 파우더가 용융되면서 적층 될 때 여러 가지의 인자들이 영향을 준다. 레이저의 파워, 소재별로 흡수 가능한 최대 에너지, 레이저의 직경, 용융 온도 등에 따라 용융 상태를 평가해 볼 수 있는 멜트 풀(Melt Pool) 해석이 가능하다. PBF 공정 기준으로 레이저가 한번 지나갈 때 보통 40~60μm 두께 정도 용융이 되는데, 공정 조건에 따라 용융 부족(Lack of Fusion)과 과용융(Over-melting)이 발생할 수 있다. 이는 품질과 제품의 구조적 성능에 문제를 발생시킬 수 있으므로 해석을 통해 검증할 필요가 있다. 또한, 적층 가공 시 레이저의 방향 및 조건에 따라 소재의 구조적인 물성 변화를 Additive Science를 통해 예측이 가능하다. 최근 국내 유명 중공업 기업이 Additive Science에 큰 관심을 가지고 앤시스의 Additive 제품군을 구매한 바 있다.

왼쪽부터 용융 부족(Lack of Fusion)과 과용융(Over-melting)에 이르기까지 다공성 형성 메커니즘에 대한 해석이 ANSYS Additive Science에서 가능하다.
왼쪽부터 용융 부족(Lack of Fusion)과 과용융(Over-melting)에 이르기까지 다공성 형성 메커니즘에 대한 해석이 ANSYS Additive Science에서 가능하다.

 

앤시스코리아 김병길 부장
앤시스코리아 김병길 부장

 

지금 등록하기

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.