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▶ 70호 : Ansys Workbench Additive에서 Wizard를 활용한 L-PBF SSF Calibration 수행하기
- 김재은 선임연구원
- 원에이엠 | DfAM팀
- jekim@oneam.co.kr
Ansys Workbench Additive에서 Wizard를 활용한 L-PBF SSF Calibration 수행하기
Introduction
금속적층제조 공정 시 생산되는 제품의 변형은 장비, 분말, 공정 파라미터 등의 현장 조건에 따라 크게 달라진다. 적층공정 해석에서는 다양한 조건에 대한 설정 또는 소재 물성 템플릿을 모두 적용하는 데에 어려움이 있다. 따라서 해석 소프트웨어는 범용적으로 모두 아우를 수 있는 장비 및 공정 파라미터에 대한 설정, 그리고 일반적으로 많이 활용되는 소재의 표준 물성을 제공한다. 대신, 제조 현장에서의 장비, 분말 소재, 공정 파라미터 등에 따라 달라지는 제품의 변형과 해석에서 예측되는 변형의 차이를 줄이고자 보정 계수를 적용한다. 보정 계수를 적용하면 해석 소프트웨어가 교정되어, 예측의 정확도를 크게 개선할 수 있다. 이때 Ansys에서 적용하는 보정 계수를 SSF(Strain Scaling Factor)라고 하며, SSF를 찾는 과정을 Calibration이라 표현한다. 또한 Ansys Workbench Additive에서는 사용자가 손쉽게 Calibration 설정 및 SSF 값을 획득할 수 있도록 Wizard 기능을 제공한다. 본 글에서는 L-PBF 방식 금속적층제조 공정에 대해, Wizard를 활용하여 SSF Calibration을 수행하는 과정에 대해 소개하고자 한다.
L-PBF Calibration 수행 목적과 SSF(Strain Scaling Factor) 소개
L-PBF 방식 적층공정해석에서 계산된 제품의 변형은 실제 제작 후 측정된 변형 값과 차이가 있다. 이는 사용된 금속적층제조 장비, 금속분말 소재, 공정 파라미터 등의 현장 조건에 따라 달라지는데, 장비 제조사와 분말 공급업체까지 고려하게 되면 더욱 다양 해진다. 이러한 해석적으로 예측된 변형과 실제 제품 변형 간의 차이를 최소화하기 위해, Ansys 내에서 해석 소프트웨어를 교정하는 보정 계수를 SSF(Strain Scaling Factor)라 한다. 우리는 금속적층제조 공정 시 사용되는 장비, 분말 소재, 제품의 조합에 따라 가장 잘 들어맞는 보정 계수(SSF)를 적용하여 적층공정해석의 예측 정확도를 높일 수 있으며, 이때의 SSF를 찾는 과정을 Calibration이라 한다. SSF Calibration에 대한 개략도는 [그림 1]과 같다.
[그림 1] SSF Calibration Scheme
SSF는 [그림 1]의 수식에서 볼 수 있듯이, 적층공정해석에서 예측되는 Strain 값에 직접적으로 적용되는 인자이다. 금속적층제조 공정에서 일반적으로 제품은 수축 거동을 하는데, 이때 SSF는 양의 값으로 표현된다. 만일 SSF를 별도로 변경하지 않으면, 기본값 1이 적용된다. 또한 금속적층제조 공정에서, 수축이 아닌 볼록(bulging)해지거나 팽창(expansion)하는 거동이 나타날 경우, 음의 SSF값을 적용하여 고려할 수 있다.
금속적층제조 장비와 공정 파라미터, 분말 소재의 조합이 새롭게 생기거나 변경되면, 해당 조건에 가장 적합한 SSF를 찾기 위해 Calibration을 수행해야 한다. 또한, 이때 SSF Calibration 과정과 정의해야 하는 계수는 [표 1]과 같이 적층공정해석 타입에 따라 달라진다.
금속 분말의 상온에서 녹는점까지의 물성을 이용한 Thermal-Structural 연성해석에 해당하는 보정계수는 SSF 단일이다. 반면, 상온 물성을 이용한 구조해석이 수행되는 Inherent Strain 해석에는 Isotropic, Anisotropic, Scan Pattern, Thermal Strain, 총 4가지 모드가 있는데, SSF 단일 계수가 적용되는 것은 Isotropic 모드이다. (Anisotropic 모드는 X,Y,Z 방향에 따른 SSF 값을 다르게 적용하고자 할 경우 활용할 수 있다.) 추가적으로, 적층공정해석에서 레이저 스캔 전략에 의해 파트 내에 발생하는 국소 스캔 벡터에 의한 방향성을 함께 고려할 수 있는데, 이때 ASCs(Anisotropic Scaling Coefficients) 계수가 추가된다. SSF와 ASCs를 함께 고려하는 해석은 Inherent Strain의 Scan Pattern과 Thermal Strain 모드이다.
적층공정해석 시 가장 많이 활용되는 방법은 Inherent Strain의 Isotropic 모드와 Thermal-Structural인데, 이 두가지 방법은 모두 SSF 단일 계수를 활용한다.
두가지 방법 가운데, 본 기사에서는 금속적층제조 공정의 파라미터를 고려한 SSF 산출을 위해, Thermal-Structural 해석 방법일 때의 SSF 산출 과정을 소개하고자 한다.
[표 1] 적층공정해석 타입 및 Strain 정의에 따라 적용되는 Calibration 종류
*SSF : Strain Scaling Factor
**ASCs : Anisotropic Scaling Coefficient
Wizard를 활용한 SSF Calibration 수행 방법
Wizard를 활용한 Ansys Workbench Additive에서 SSF Calibration 수행 절차는 총 3단계로 나누어 볼 수 있다[그림 2]. 첫번째로, Ansys에서 제공하는 다양한 Calibration 샘플이 존재하는데[그림 3], 이 중 SSF Calibration 수행에 활용할 샘플을 선정한다. 그리고 선정된 샘플을 L-PBF 방식 금속적층제조 공정으로 실제 제작 후, 최대 수축 변형이 발생하는 위치를 측정한다. 두번째로, Ansys Workbench Additive에서 Wizard를 활용하여, 실제 제작한 샘플과 동일한 조건으로 L-PBF 방식 적층공정해석을 정의한다. 이때 얻고자 하는 Calibration 타입에 따라(SSF 또는 SSF+ASCs) 적층공정해석을 선택하여 정의한다. 세번째로, 실제 샘플을 측정하여 얻은, 최대 수축 변형이 발생하는 위치가 포함되도록 Calibration Point를 지정한다. 그리고 Wizard를 활용하여 Calibration 목표(=실측값)와 수렴 오차를 정의한 뒤 최적화 해석을 수행하면, 목표에 부합하는 SSF값을 획득할 수 있다.
[그림 2] Ansys Workbench Additive에서의 SSF Calibration 수행 절차
[그림 3] Ansys Calibration 샘플
본 기사에서는 적층 Layer 단면적이 변화하는 지점에서 변형이 크게 발생되도록 설계된 Double Arches 모델을 활용하여 Calibration을 수행하였다. Double Arches 모델은 Z=21mm 부근에서 단면적이 크게 변하는 형상이기 때문에, L-PBF 방식의 금속적층제조 공정으로 제작 후 Z=21mm 높이가 포함되도록 측벽의 중심을 따라 변형량을 측정한다. [그림 4]
[그림 4] Double Arches 샘플의 크기
Calibration 샘플로 선정된 Double Arches 모델은 Inconel 718 소재로 제작되었고, 측벽 중심을 따라 변형량 측정 결과 Z=21mm 부근에서 최대 0.449mm의 수축 변형이 발생하였다[그림 5]. 또한 금속적층제조 공정의 파라미터를 고려한 SSF 산출을 위해, Thermal-Structural 적층공정해석에서 SSF Calibration을 산출하고자 하였다. 따라서 Custom Systems의 AM LPBF Thermal-Structural을 추가하여 Wizard를 통한 적층공정해석을 정의하였다[그림 6]. Custom Systems을 통한 적층공정해석을 추가할 경우, Engineering Data에 금속적층제조 공정에서 많이 활용되는 소재의 물성이 기본적으로 추가되며 LPBF Wizard가 자동으로 활성화된다.
[그림 5] Double Arches 샘플의 L-PBF 금속적층제조 후 변형량 측정 위치
[그림 6] Wizard를 활용한 LPBF Thermal-Structural 적층공정해석 정의
적층공정해석 정의가 완료되면, 제작 샘플의 측정 위치에 해당하는 Mesh Node가 포함되도록 Named Selection으로 지정해준다. Worksheet 기능을 이용하면 손쉽게 Mesh Node 지정이 가능하다.
이후, LPBF Calibration Wizard를 활성화하여 SSF Calibration 대상, 목표, 수렴 범위를 지정한다. Calibration 대상은 Named Selection을 통해 지정한 Mesh Node를 선택한다. 그리고 해당 Mesh Node가 변형되는 방향을 지정하고, 실측으로 얻은 최대 변형량 0.449mm를 목표로 입력한다. 수렴 기준 범위는 기본값인 1%를 적용한다. [그림7]
[그림 7] Wizard를 활용한 LPBF SSF Calibration 정의
Wizard를 활용한 LPBF SSF Calibration 정의를 완료하면, 자동으로 Postprocessing 항목에 ‘Calibration Deformation’이 추가된다. Calibration Deformation은 Wizard를 통해 지정한 Mesh Node와 이것의 변형 방향이 반영되어 있으며, 결과에 Parameter가 자동 적용되어 있다. 마찬가지로 AM Process의 Build Settings를 살펴보면 Strain Scaling Factor에도 Parameter가 적용된 것을 확인할 수 있다. [그림 8]
[그림 8] Calibration Wizard를 통한 자동 Postprocessing 추가 및 Parameter 설정
Workbench 프로젝트 창으로 이동하면, Calibration Wizard를 통해 자동으로 정의된 Parameter와 Optimization이 추가된 것을 확인할 수 있다. Optimization을 자세히 살펴보면, 목표값은 Calibration 샘플 실측으로 얻은 최대 수축 변형량 0.449mm로 정의되어 있으며, 변형량 결과를 결정짓는 입력 인자는 Strain Scaling Factor로 정의되어 있다. [그림 9]
[그림 9] Calibration Wizard를 통해 자동 정의된 Parameter 및 Optimization
Optimization을 업데이트 하면 SSF 기본값인 1을 기준으로 시작하여, 목표하는 최대 수축 변형량 0.449mm를 만족하는 SSF를 찾기 위한 반복 계산이 자동으로 실행된다. [그림 10]
수렴 공차 범위로 지정한 1% 이내의 값에 포함되도록, 하한 치 0.44451mm에서 상한 치 0.45349mm 범위 내에 포함되는 결과를 결정짓는 SSF를 찾아내면 반복 계산은 종료된다. Optimization 수행 결과, 총 4회의 반복 계산이 수행되었고, 최대 수축 변형 0.45189mm가 나타나는 SSF=0.8036을 획득하였다. [그림 11]
[그림 10] Optimization의 결과값이 수렴 공차 범위에 포함되어 반복계산 종료
[그림 11] Optimization 반복계산을 통해 산출된 SSF 결과 (SSF=0.8036)
최종 산출된 SSF값 0.8036에 대해, 정말로 SSF=0.8036로 적용하면 측벽 중심의 Z=21mm 지점에서 0.449mm의 최대 수축 변형이 발생하는지 검토 해석을 수행하였다. Calibration을 위해 수행되었던 Thermal-Structural 적층공정해석과 동일한 조건으로 해석을 정의하고, SSF에 대한 값만 0.8036으로 지정하였다. 해석 수행 결과, 측벽 중심의 Z=21mm 부근에서 최대 수축변형이 발생하였고 이때의 값이 0.450mm임을 확인할 수 있다[그림 12]. 이는 목표값인 0.449mm의 약 0.24% 범위에 해당하며, 초기 Calibration 설정의 수렴 공차 범위인 1% 이내를 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
[그림 12] Calibration Wizard를 통해 획득한 SSF를 적용한 적층공정해석 결과
맺음말
본 기사에서 L-PBF 방식 금속적층제조 공정에 대해, 실제 생산되는 제품의 변형과 적층공정해석에서의 변형 차이를 최소화하기 위해 Ansys에서 SSF(Strain Scaling Factor)라는 보정계수를 적용하여 해석 소프트웨어를 교정할 수 있음을 이야기하였다. 그리고 이를 찾기 위한 과정을 손쉽게 하기 위해 Calibration Wizard를 제공하고 있으며 어떤 방식으로 진행하는 지 살펴보았다. Calibration Wizard를 활용하면 제작된 Calibration 샘플의 실측 데이터를 기준으로 공차 범위 1% 이내에 해당하는 SSF를 자동 탐색할 수 있기 때문에, 처음 Calibration을 수행하는 사용자에게 접근이 쉽다. 또한, Calibration Wizard를 통해 산출된 SSF를 적용한 적층공정해석 검토 해석을 수행하였을 때, 목표와 약 0.24% 차이를 갖는 수준으로, 초기 설정한 Calibration 목표를 충분히 만족하는 결과를 얻게 되었음을 확인할 수 있었다.
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