Ansys motion의 Roll To Roll 모델링 구현 방법 및 해석 결과 소개

 
Introduction

Roll To Roll이란 얇은 Film을 가장 효율적으로 이동시키며 여러 공정을 수행할 수 있는 방법이다. Roller에 감겨 있는 Film을 다른 Roller에 옮겨 감으면서 그 과정에서 여러 공정을 수행할 수 있다. Roll To Roll이 가장 잘 적용되고 있는 산업은 베터리 산업이며 베터리의 전극인 양극, 음극, 그리고 분리막은 얇은 Film으로 만들어져 전극공정과 조립공정시 Roll To Roll 방식으로 공정을 수행하게 된다. 이때 중요한 것이 Roller의 Lateral방향으로의 이탈 변위와 Film의 변형률이다. 이탈 변위를 제어하기 위해서는 Guide를 해주는 중간 Path의 Roller들에서 적당한 장력이 필요하다. 마치 풀린 두루마기 휴지를 감거나 붕대를 감을 때 적절한 당김이 필요한 것과 동일한 원리이다. 이러한 원리로 인해 Roll To Roll 장비는 Path마다 Roller가 존재하며, 해석 모델을 구현하기에 복잡하다.
 Ansys motion™에서는 이를 개선하기 위한 자동화 해석 모델링 Tool Kit을 개발하였다. 이번 호에서는 Ansys motion에서 개발된 자동화 모델링 Tool Kit인 FE Film 기능을 배터리 Roll to Roll공정을 예로 들어 알아보고자 한다.

 
[그림 1] FE Film Tool Kit으로 생성한 Roll To Roll 해석 모델링 결과 및 해석 결과
 

■ FE Film의 사용 목적 및 장점

 기존에는 Roll To Roll 해석을 위해서 다음의 2가지 방법으로 해석을 수행했었다.

1. Roller Path에 직접 감는 방법

[동영상 1] Roller Path에 직접 감는 방식

2. Film을 일자로 생성한 후에 Roller를 이동하여 해석 초기에 알맞은 위치에 재위치 시키는 방법

[동영상 2] Roller Path 이동 방식

이러한 방법들은 Roll To Roll 공정 초기 상태로 옮기기 위해서 초기 상태 셋팅 시간이 필요하다.
또한, 해석을 반복적으로 수행할 때 마다 초기 셋팅을 위한 불필요한 해석을 반복적으로 수행하게 된다. 이러한 비효율적인 해석 방법을 자동화 Tool Kit인 FE Film을 이용하여 간편하게 모델링을 할 수 있게 되었다.

추가적으로 FE Film으로 얻을 수 있는 장점은 다음과 같다.

•  Film의 격자(Mesh)도 같이 자동으로 생성된다. 이는 유연체를 따로 생성하지 않아도 되며 Element Size을 자동화 Tool Kit에서 설정할 수 있어 편리하게 격자의 크기도 변화시켜 해석을 수행할 수 있다.
•  초기 시작 시 Roller에 감겨 있는 Film의 감긴 횟수를 설정할 수 있어서 초기에 Roller에 감는 Rolling해석도 할 필요가 없어졌다.
•  경로와 감긴 횟수에 맞추어 Film의 길이가 자동으로 계산되어 전체 Film의 길이를 계산하여 모델링 할 필요가 없어졌다.
  이는 경로가 변경되거나 감긴 횟수가 변경되어도 계산을 하여 Film을 생성하지 않아도 되기 때문에 공정 변경을 위해 반복적인 해석이 필요할 경우 상당히 유용하다!

■  FE Film의 모델링

 Ansys Motion에서 FE Film을 모델링하는 순서는 아래의 [그림 2]와 같다.

[그림 2] FE Film 모델링 순서

1. Roller 강체 CAD 생성

Roller의 경우 Ansys motion(SA)에서 직접 Cylinder Geometry를 생성할 수 있다.
Roller가 존재해야 하는 위치에 Bottom Position, Top Position을 정의하고 Radius를 정의함으로써 간단하게 Cylinder 모양의 Roller를 생성할 수 있다.

[그림 3] Cylinder 생성 방법

Roller에 대한 3D CAD 파일이 존재한다면 Import CAD 기능으로 Roller를 불러올 수 있다.

[그림 4] CAD Import 방법

2. FE Film 생성
Film이 감길 Path에 Roller가 존재한다면 FE Film Tool Kit을 사용하여 Film의 FE body를 생성한다. FE Film은 Links 리본메뉴에 있으며 FE Film 생성에 필요한 정보는 다음 그림과 같다.

 
[그림 5] Ansys motion 리본메뉴에서의 FE Film Tool Kit 위치

[그림 6] FE Film Tool Kit 입력 정보

①    시작 Roller를 비롯하여 경로상의 있는 Roller, 맨 끝단의 Roller까지 존재한다면 각 Roller의 무게 중심인 Center Marker가 존재하여 쉽게 Center Position을 설정할 수 있다. 단 Roller의 반경은 직접 입력해야 한다.
②    Film이 Roller에 감기는 방향은 Roller의 회전축 방향을 기준으로 오른손 법칙에 의해 +/- 방향을 설정해야 한다.
③    좌표계는 Roller가 회전할 방향의 기준이 될 Coordinate system을 설정한다.
④    Film의 폭, 두께, 격자 크기(길이, 폭 방향)을 설정한다.
⑤    시작과 끝 Roller에 초기에 감겨 있는 턴수를 설정한다.
⑥    Calculate를 눌러 입력한 정보들을 통해 생성될 Film의 Node, Element의 정보를 확인한다.
⑦    OK 버튼을 누르면 설정된 값으로의 .dfmesh파일(Ansys motion(SA)의 유연체 파일)이 생성되고 이동 경로와 초기 감긴 횟수에 맞게 배치가 완료된다.

배치가 자동으로 완성되며 아래와 그림 같이 모델링이 완성된다.

3. 구속 조건 정의
Film 생성이 완료되었으면 각 Roller들이 제자리에서 회전할 수 있도록 Ground와 각 Roller들 사이에 Revolute Joint로 연결하고, Film이 시작과 끝의 Roller에 연결되어 감길 수 있도록 시작과 끝 Roller와 Film 사이에 Revolute Joint로 구속 조건을 정의한다.

[그림 7] Ground와 각 Roller 사이의 구속 조건 설정이 모두 완료된 상태

[그림 8] Film과 시작과 끝 Roller 사이의 구속 조건 설정이 모두 완료된 상태

4. 구동조건 정의

동역학 해석을 수행하기 위해선 시스템의 구동 조건을 입력해야 한다. Roll To Roll 시스템에서는 Winding Roller(최종 단에서 감는 Roller)에 회전속도를 인가하여 감기게 설정한다. Unwinding Roller(시작 단에서 풀리는 Roller)에서는 적당한 저항 토크를 가해서 회전 방향에 반대 방향으로의 토크를 입력해야 한다. 앞에서 설명한 바와 같이 적절한 저항이 있어야 Film은 Lateral 방향으로의 이탈을 줄이며 감길 수 있기 때문이다. 즉, 실제와 동일한 속도와 토크를 입력해야 유의미한 결과 분석이 가능하다.

[그림 9] Driving 조건 입력 예시

5. 접촉 조건 정의
Roller를 생성하고 FE Film으로 감았다면 Roll To Roll 해석에 필요한 접촉은 자동으로 완성된다. Film은 Roller에 의해 감기기 때문에 Self-Contact이 필요하다. 또한, 각 Roller들과 Film은 위치와 방향에 따라 Film의 윗면과 아랫면이 Contact을 이루기 때문에 이를 다중 접촉 조건인 MbyN Contact으로 설정된다. 이를 확인하면 다음과 같다.

①    FE Film이 감겨 있고 다시 감기면서 생기는 Film Self-Contact
②    Film의 윗면과 각 Roller 면들 간의 MbyN Contact
③    Film의 아래면과 각 Roller 면들 간의 MbyN Contact

[그림 10] FE Film Toolkit에서 자동으로 생성된 Contact

■ FE Film의 해석 결과

해석 완료 후에는 다음과 같은 결과를 확인할 수 있다.

1. Film Lateral 방향의 이탈 변위
Film이 Roller를 통해 감기는 과정에서 장력이 부족하게 되면 Film은 Roller를 기준으로 좌/우로 이탈되며 감기게 된다. 특정 Film에 있는 Node의 시간에 따른 이동 변위 값을 확인하면 다음 그래프와 같이 Film이 감기는 동안의 이탈한 최대 변위와 과정 중 발생하는 변위 값을 추적할 수 있다. 이를 통해 장력의 적절성, Path Roller의 위치와 반경, 감기는 속도 등을 평가하여 수정하는데 사용될 수 있다.

 
[동영상 3] Film의 Lateral 방향으로의 이탈 변위

2. Rolling을 위한 모터의 소요 동력
Winding Roller 속도와 Unwinding Roller의 모멘트 값, 그리고 Film의 무게와 각 path의 Roller들에 의해 Winding Roller에서 입력한 속도를 내기위한 입력 축 토크를 구할 수 있다. 초기 가속 구간에서 최대 토크가 발생하고 이후 정속 구간에서 필요한 토크도 알 수 있다. 이를 바탕으로 Motor의 사양을 선정하는데 활용할 수 있다.

 
[그림 11] Winding Roller에서의 시간별 Torque 변화량

3. Film의 변형률
Film은 유연체 모델로 감기는 과정에서 여러 장력에 의해 변형을 일으킨다. 따라서 변형률인 Strain을 확인할 수 있다. 제품의 성질에 영향을 주지 않는 한도 내에서 Strain이 발생되도록 Roll To Roll이 가동될 수 있는 구동 조건을 검토하는 기준이 될 수 있다.

 
[동영상 4] Film의 시간에 따른 Top Strain 결과

4.Film과 Roller 사이의 접촉 반발력
접촉이 존재하는 Film Self-Contact과 Roller와 Film간의 Contact에서 각각의 접촉 반발력을 확인할 수 있다. 접촉 반발력은 각 Roller에서 발생하고 있는 장력들을 대변한다. 적절한 Path Roller의 위치와 크기 등을 조절할 수 있도록 검토하는 기준이 될 수 있다.

 
[동영상 5] Film과 Roller들 사이에서 발생한 접촉력 결과

맺음말

이번 호에서는 Ansys motion의 Tool Kit중 FE Film이라는 자동화 툴을 이용하여 Roll To Roll 해석을 위한 모델링 방법과 해석 결과에 대한 검토 내용에 대하여 알아보았다. Ansys motion은 지속적으로 배터리 산업에서 필요한 해석 기법들을 자동화 툴로 개발하고 있다. 현재 2024R2에서는 다양한 Tabless 형태의 Film을 수치 입력만으로 모델링을 할 수 있게 되었다. 지속적으로 발전되는 산업에 맞추어 개발되고 있기에 Ansys motion을 도입하여 베터리 산업의 생산성을 확보하는데 도움이 되길 기대한다.

■ 참고자료
- 전기전자반도체 웨비나_시뮬레이션을 통한 이차전지 제조 공정 기술 분석(클릭)