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디지털 트윈(Digital Twin)을 향한 적층 제조 시뮬레이션 – 헥사곤과 MSC Software의 DfAM 접근

헥사곤의 계열사인 MSC Software는 나스트란 솔버의 원천 기술을 보유한 해석 전문 기업이다. 헥사곤의 측정, 역설계 역량과 MSC의 시뮬레이션 역량을 통합적으로 적용해 디지털 트윈(Digital Twin)을 완성한다는 컨셉을 적층 제조에도 그대로 적용하고 있다.

한국엠에스씨소프트웨어의 황인혁 기술위원은 “최근에는 금속 적층 제조시 레이저의 파워를 400W 까지 올리는 경우도 있다. 용융과 냉각의 반복적인 과정으로 많은 응력이 생성되고 변형이 수반된다. 이런 변형으로 인해 리코터와의 충돌이 발생할 수 있으며, 잔류 응력으로 인해 서포트 및 파트의 파손이 발생할 수 있다. 실제 현장에서 보면 한번의 적층으로 파트를 완성하는 경우는 많지 않다.”라고 말하며, “여러번의 시행착오와 경험에 의존해 파트를 출력하던 기존의 방법과는 달리, 시뮬레이션을 도입하게 되면 출력 회수를 줄여 시간과 비용을 최소화하면서 원하는 파트를 얻을 수 있게 된다. 이 때문에 국내 적층 제조 시장에서 시뮬레이션에 대한 인식도 많이 바뀌고 있다.”라고 말했다.

Simufact Additive는 MSC Software와의 연계 해석을 통해 출력물의 구조 및 피로해석을 수행하는 AM Process Chain 전반을 제공한다.
Simufact Additive는 MSC Software와의 연계 해석을 통해 출력물의 구조 및 피로해석을 수행하는 AM Process Chain 전반을 제공한다.

Simufact Additive
Simufact Additive는 MSC Software의 비선형 해석 솔버인 Marc를 근간으로 개발된 금속 적층 제조 해석 솔루션이다. 적층 제조 공정에서 부품의 변형 및 잔류응력을 예측해, 첫 제작부터 품질이 보장된 결과물을 제작할 수 있도록 돕는 것이 이 소프트웨어의 목표다. 3D 프린팅 과정에서 발생하는 부품의 변형은 제품 결함의 가장 주요한 원인으로, 이를 해결하기 위한 수많은 시행착오로 인해 많은 시간과 비용이 소비된다. Simufact Additive는 실제 제품을 제작하기 전 위상 최적화 부터 프린팅 공정, 열처리(Heat Treatment), 커팅 및 힙(HIP, Hot Isostatic Press) 공정 등 전체 프로세스에서 발생 가능한 변형을 예측하고 이를 해결할 수 있는 기능을 제공한다. 현재는 PBF 방식을 지원하고 있으며 DED 방식은 Simufact Welding 소프트웨어에서 지원하고 있다.

1908_39Additive에서 수행하는 금속 적층 제조 워크플로우

지오메트리 불러오기. 다양한 CAD 포맷을 지원(STL, Parasolid, CATIA, STEP 등) 한다.
지오메트리 불러오기. 다양한 CAD 포맷을 지원(STL, Parasolid, CATIA, STEP 등) 한다.
서포트 생성 또는 가져오기. 안정된 출력물을 위해 필요한 서포트의 위치 및 개수를 고려해 서포트를 생성한다. Simufact Additive 자체 기능과 머티리얼라이즈 Magics의 기능을 사용할 수 있으며, 다른 소프트웨어에서 생성된 서포트를 불러올 수 있다.
서포트 생성 또는 가져오기. 안정된 출력물을 위해 필요한 서포트의 위치 및 개수를 고려해 서포트를 생성한다. Simufact Additive 자체 기능과 머티리얼라이즈 Magics의 기능을 사용할 수 있으며, 다른 소프트웨어에서 생성된 서포트를 불러올 수 있다.
공정 파라미터를 정의한다. 레이저 와트수, 용융 두께 등
공정 파라미터를 정의한다. 레이저 와트수, 용융 두께 등
메시를 생성한다. 적층 제조 해석에 가장 유리한 복셀 메시(Voxel mesh)를 사용한다.
메시를 생성한다. 적층 제조 해석에 가장 유리한 복셀 메시(Voxel mesh)를 사용한다.
빌드 시뮬레이션 과정을 실시간으로 확인한다. 출력물의 기계적 성능에 영향을 줄 수 있는 잔류 응력 및 변형을 예측한다.
빌드 시뮬레이션 과정을 실시간으로 확인한다. 출력물의 기계적 성능에 영향을 줄 수 있는 잔류 응력 및 변형을 예측한다.
빌드 시뮬레이션 결과다. 출력물의 적층 방향 및 위치 지정 서포트 위치 및 개수를 고려한 시뮬레이션이 가능하다.
빌드 시뮬레이션 결과다. 출력물의 적층 방향 및 위치 지정 서포트 위치 및 개수를 고려한 시뮬레이션이 가능하다.
베이스 플레이트 제거 후 해석 결과이다. 상당한 변형이 발생한 것을 볼 수 있다.
베이스 플레이트 제거 후 해석 결과이다. 상당한 변형이 발생한 것을 볼 수 있다.
서포트 제거 후 해석 결과도 약간의 추가적인 변화가 보인다.
서포트 제거 후 해석 결과도 약간의 추가적인 변화가 보인다.

해석의 수준, 해석 스케일
해석은 크게 세가지 수준으로 나누어 볼 수 있다. 거시적인(Macroscopic) 접근 방법을 이용해 빠른 시간 내에 응력과 변형을 예측하는 기계적인(Mechanical) 해석을 매크로 스케일(Macro scale) 범주에 넣는다. 메조 스케일(Meso scale)은 열(Thermal)과 기계적인(Mechanical) 해석을 함께 수행하여 열전달 경로 및 변형과 응력을 함께 검토할 수 있다. 마이크로 스케일(Micro Scale)은 실제 열원의 경로(Path)까지 고려한 해석으로 실제에 가장 가깝지만 강력한 컴퓨팅 파워가 필요한 복잡한 해석으로 현실적으로는 사용하기 어려운 방식이다. Simufact Additive는 매크로와 메조 스케일의 해석을 모두 지원한다.

캘리브레이션을 위해 0°, 45°, 90° 각도의 캔틸레버 형태의 시편을 출력한다.
캘리브레이션을 위해 0°, 45°, 90° 각도의 캔틸레버 형태의 시편을 출력한다.
시편을 절단해 변형량을 측정한다. 보통 2~3mm 정도 변형된다.
시편을 절단해 변형량을 측정한다. 보통 2~3mm 정도 변형된다.
변형량을 Simufact Additive에 입력하면 고유 변형률이 계산된다.
변형량을 Simufact Additive에 입력하면 고유 변형률이 계산된다.

정확한 시뮬레이션을 위한 선행 프로세스 – 캘리브레이션
매크로 스케일의 Mechanical 방식 해석은 빠른 해석 결과를 제공하지만 정확도를 기하기 위해 고유 변형률을 반영할 필요가 있다. 고유 변형률은 파우더의 재료의 특성 뿐만 아니라 레이저의 속도, 크기, 해칭패턴 등 장비의 특성에 따라 달라지므로 실제 장비 특성을 고려한 캘리브레이션을 통해 생성한다. 캘리브레이션은 물리적인 시험에서 얻은 변형량을 이용하여 시뮬레이션으로 고유 변형률을 구하는 방법이다. 캔틸레버 빔 형태의 테스트 시편을 출력하고 절단한 시편의 변형량(2~3mm 정도)을 측정해 입력하면 소프트웨어가 고유 변형률을 계산해 준다. 계산된 고유 변형률을 이용해 실제 공정 변수가 포함된 보다 정확한 공정 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 이 기술은 원래 용접 해석에서 사용되던 것인데 적층 제조와 용접의 유사한 특성으로 정확도를 높일 수 있는 적절한 방법이다.

빌드 시뮬레이션
Simufact Additive의 빌드 시뮬레이션은 매크로, 메조 스케일 해석 중 선택할 수 있다. 최적화된 적층 방향(Orientation)을 제시해 주고, 필요한 서포트만 남기고 제거하거나 하중에 따라 서포트 반경을 조절해 주는 서포트 최적화 기능을 가지고 있다. 반복적인 빌드 시뮬레이션을 통해 변형과 잔류 응력을 최소화하기 위한 적층 방향, 서포트 배치를 최적화 할 수 있다. 변형 보상 설계 기능은 예측된 출력물의 변형에 대해 보상 형상을 자동으로 생성해 주어 설계 데이터에 반영해 원하는 형상을 프린팅 가능하게 해 준다.

예측된 출력물의 변형(좌)에 대해 보상 형상(우)을 자동으로 생성해 주어 설계 데이터에 반영해 원하는 형상을 프린팅 가능하게 해 준다.
예측된 출력물의 변형(좌)에 대해 보상 형상(우)을 자동으로 생성해 주어 설계 데이터에 반영해 원하는 형상을 프린팅 가능하게 해 준다.
출력물에는 잔류 응력이 존재한다(좌). 열처리 해석 결과 지정한 조건으로 열처리하면 응력이 대부분 사라지는 것을 알 수 있다(우).
출력물에는 잔류 응력이 존재한다(좌). 열처리 해석 결과 지정한 조건으로 열처리하면 응력이 대부분 사라지는 것을 알 수 있다(우).

프린팅 이후 프로세스 시뮬레이션 및 최적화
프린팅 이후 후처리의 일환인 열처리는 응력 해소를 위해 필수적이다. 열처리 해석은 열처리 조건에 대해 잔류 응력의 수준을 예측할 수 있으며, 적절한 열처리 조건을 찾을 수 있도록 한다. 적층 제조를 전문으로 하는 기업도 간과하기 쉬운 부분이 베이스 플레이트에서 파트를 절단하거나 서포트를 제거하는 과정에서 발생하는 잔류 응력 및 변형이다. Simufact Additive는 베이스 플레이트에서 파트 제거시 방향과 높이 등 여러 조건에 대한 시뮬레이션을 통해 변형을 최소화할 수 있다.
금속 적층시 가장 큰 문제가 기공(Porosity)의 발생이다. 이를 제거하는 공정이 HIP(Hot Isostatics Press) 공정이다. 파트를 고온 고압상태에 노출하여 공기층을 제거해 고밀도화 시키는 공정인데 Simufact Additive는 HIP 공정후 밀도가 얼마나 올라가는지에 대한 해석 결과를 도출해준다.

프린팅 공정 해석 결과 도출된 응력 분포 결과를(좌), 이후 진행하는 하중을 가하는 구조 해석에 그대로 사용할 수 있다(우).
프린팅 공정 해석 결과 도출된 응력 분포 결과를(좌), 이후 진행하는 하중을 가하는 구조 해석에 그대로 사용할 수 있다(우).

이 외에도 적층 시 형상이 급격하게 변하는 곳에 발생하는 Shrink line을 예측해 주는 기능도 있어 빌드 오리엔테이션을 변경하는 등의 방식으로 대처할 수 있다. 리코터 충돌 방지 기능과 파트 실패 예측 기능도 포함하고 있다. 또한, Chained Analysis라고 부르는 MSC 만의 특화된 기능은, 적층한 파트의 해석 결과로 도출된 변형, 잔류 응력, 소성 변형률 등을 다른 소프트웨어를 사용해야 하는 다음 단계의 해석인 구조 및 피로 해석에서 그대로 사용할 수 있어 정확한 연계 해석인 ‘연성 해석’을 가능하게 해준다.

한국엠에스씨소프트웨어 황인혁 기술위원
한국엠에스씨소프트웨어 황인혁 기술위원

About 이상준 기자

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