Ansys Workbench Additive를 활용한 금속적층 제조품의 Creep 열처리 조건 최적화 

Introduction

L-PBF(Laser-based Powder Bed Fusion) 방식의 금속적층제조 공정은 Base Plate에 얇은 금속파우더를 도포하고 제작할 부품의 영역에 레이저를 조사하여 파우더를 용융시킨다. 용융된 파우더는 열전도를 통해 급속도로 냉각이 되며 응고된다. 이 과정을 부품이 완성될 때까지 반복한다. 이러한 Layer별 제작방식에 의해 Layer간 열팽창계수 차이가 발생하게 되고 냉각과정 중 수축 차이로 인한 잔류 응력이 발생한다. 부품을 Base Plate에서 cut-off 하게 되면 잔류응력에 의하여 변형이 발생되기 때문에 일반적으로 적층제조 후, 부품을 분리하지 않은 상태에서 열처리를 통해 잔류응력을 완화시킨다. 하지만 적층제조장비의 특성과 부품의 형상, 재료에 따라 부품의 잔류 응력 거동이 달라지므로 상황에 맞는 열처리 조건의 최적화가 필수적이다. 그러나 조건을 최적화 하기위해 시험적으로 접근하기에는 시간과 비용이 많이 소모된다. 따라서 이러한 어려움을 극복하기 위해 시뮬레이션을 통한 열처리 조건 최적화 방법이 제시된다. Ansys Workbench Additive에서는 금속적층공정 해석을 통해 적층제조장비의 특성을 반영하여 적층공정 후에 발생하는 잔류응력 및 변형을 예측할 수 있고 열처리 공정을 추가함으로써 열처리 조건에 따른 잔류응력 및 변형 완화효과를 확인할 수 있다.    
본 기사에서는 Ansys Workbench Additive에서 Creep물성을 적용하여 열처리 시뮬레이션을 통해 L-PBF 방식 금속적층제조 공정에서 발생하는 잔류응력 완화를 위한 열처리 조건 최적화 과정에 대해 소개하고자 한다.

■ Ansys Workbench Additive 열처리 적용 기능 소개

Ansys Workbench Additive에서 적층공정해석을 수행하는 경우 그림 1과 같이 과도 열 해석과 구조해석의 연성해석을 통해 적층제조 장비의 특성을 반영하여 적층과정 중의 열 거동과 적층제조 후, 잔류응력 결과를 도출할 수 있다. 이 잔류응력을 해소하기 위한 열처리를 시뮬레이션에 적용하게 되면 그림 2의 (b)와 같이 열처리 공정에 대한 과도 열 해석이 추가된다. 추가된 과도 열 해석에서 대류조건을 사용하여 가열로 안에서의 열처리 조건에 따른 열 해석이 수행되고 열 해석 결과를 Load로 사용하여 적층공정해석에서 예측된 잔류 응력 완화 효과를 확인한다. 이 과정 중, 해석의 신뢰도를 높이기 위해 Creep 물성을 적용하게 된다. Ansys Workbench Additive에서는 17-4PH, SUS 316L, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Co-Cr, Inconel 625, Inconel 718, Ti64의 금속적층 소재 8가지를 제공하고 있다. 그림 3과 같이 본 물성들에는 Creep 물성이 추가되어 있으며 Creep열처리 공정을 추가함에 따라 자동으로 활성화 된다.
 
(a) 적층공정해석 – 열해석                       (b) 적층공정해석 – 구조해석 

그림 1. AM L-PBF Thermal-Structural Analysis System

(a) 적층공정해석 – 열해석                      (b) 열처리 – 열해석                      (c) 적층공정해석 – 구조해석
그림 2. AM L-PBF Thermal-Structural Analysis System considering Heat Treatment

 
그림 3. Additive Manufacturing Material Properties in Ansys Workbench

 
일반적으로 잔류 응력을 제거하기 위해 부품을 적층한 후, 열처리 후에 부품이나 Support를 Base Plate에서 cut-off 하지만 경우에 따라 cut-off를 먼저 진행한 후, 열처리를 수행하는 경우도 있다. 이러한 경우에서의 부품 거동 또한 예측할 수 있도록 그림 4와 같이 후속공정에 대한 Sequence를 자유롭게 구성(추가, 삭제, 순서 수정)할 수 있다.

그림 4. AM Process Sequence
 

■ AlSi7Mg 소재 Cantilever 모델의 열처리 조건 최적화

열처리 조건 최적화 시뮬레이션 Setup

앞서 소개한 Creep물성을 적용한 열처리 기능을 활용하여 AlSi7Mg Cantilever 모델에 대해 금속적층공정해석을 통해 열처리 온도에 따른 잔류응력 및 변형 거동을 예측하였다. 본 기사에서 사용된 Cantilever 모델에 대한 정보는 그림 5와 같다. 
최적화 시뮬레이션 절차는 그림 6과 같이 L-PBF Setup Wizard를 활용하여 절차에 따라 Model 정의부터 결과검토까지 순차적으로 진행하였다. L-PBF Setup Wizard를 통하면 그림 6의 절차대로 적층 장비의 파라미터, Base Plate에 대한 정보, Mesh, 후속공정 등 적층공정해석을 수행하기 위해 필요한 인자들을 자세하고 간편하게 입력할 수 있다.
우선적으로 Model Setup 정의 과정에서 그림 7과 같이 해석모델, Support, Base Plate, 소재, Mesh에 대해 정의한다. 이 후, Build Setting 과정에서 그림 8과 같이 SSF와 해석에 필요한 적층제조장비 Parameter를 적용하였다. 다음으로는 그림 9와 같이 Post Processing Option에 대해 정의하였다. 본 기사에서는 Base Unbolt, cut-off Support까지 적용하여 적층 후, 장비에서 Base Plate를 탈착하고 서포트를 제거하는 공정을 구현하였다. Option 정의 후, AM Process sequence의 순서를 확인한 후, 적층공정해석을 수행하여 응력과 변형 Data를 확보하였다. 열처리 조건을 부여하는 경우, 그림 9과 같이  Post Processing Options 정의에서 Heat Treatment를 추가하고 열처리 조건을 부여한 뒤 Creep Properties를 선택하여 열처리 해석 시, Creep 물성이 반영되도록 하였다. 열처리 조건 최적화를 위해서 AMS 2771 규격 열처리 조건(온도, 유지시간)을 참고하였으며 열처리 시뮬레이션 시 그림 10과 같이 Rising Time, Continuous Time, Falling Time 을 모두 고려하여 총 5 Case에 대해 해석을 수행하였다. 

 
그림 5. Cantilever Model Dimension(mm)

 
그림 6. Simulation Process for Optimization of Heat Treatment Conditions

 
그림 7. Model Setup Process

 
그림 8. Build Setting Process

 
그림 9. Post Processing Option Process

 
그림 10. Heat Treatment Conditions

■ As-Built 해석 결과

As-Built 해석 결과는 Support 제거 후의 변형과 응력거동을 확인하였으며 변형 거동은 그림 11에 나타난 것과 같이 Cantilever의 최상단부 면에 대한 Z축 변형을 확인하였다. 해석 결과 잔류응력으로 인해 Support 제거 후, 최상단부에서 0.97 mm의 Z축 변형이 확인되었다. 응력결과의 경우 그림 12와 같이 Support 제거로 일부 잔류응력이 해소되었음에도 276.7 MPa의 AlSi7Mg 소재의 항복강도를 넘는 응력이 예측되었다.

그림 11. Z-Axis Deformation in As-Built state

 
그림 12. Residual Stress in As-Built state

■ 열처리 공정 적용 시뮬레이션 결과

그림 10과 같은 5개의 조건에 대해 Creep 열처리 공정을 적용한 적층공정해석을 수행하여 열처리 조건에 따른 응력완화 효과를 확인하였다. 160℃ - 2시간 유지 조건인 Case 1의 경우, 최대 Z축 변형은 0.7 mm로 As-Built에 비해 약 28% 감소하였고 잔류응력은 117.45 MPa로 As-Built에 비해 약 58% 감소하였다. Case 2부터 Case 5까지는 AMS 2771 규격 열처리 조건 범위로 Case 2의 경우, Z축 변형은 0.53 mm로 As-Built에 비해 약 45% 감소하고 잔류응력은 86.91 MPa로 약 69% 감소하였다. Case 3의 경우, Z축 변형은 0.36 mm로 약 63% 감소하였고 잔류응력은 61.55 MPa로 약 78% 감소하였다. Case 4는 Z축 변형은 0.23 mm로 약 76% 감소하였고 잔류응력은 43.3 MPa로 약 84% 감소하였다. Case 5에서는 Z축 변형은 최대 0.15 mm로 약 85% 감소하였고 잔류응력은 28.91 MPa로 약 90% 감소하였다그림 13, 그림 14.
종합적으로 열처리 온도가 높아짐에 따라 잔류응력과 잔류응력에 의한 변형이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그림 15와 같이 규격 열처리 조건 범위 내(Case 2 ~ Case 4)에서는 AlSi7Mg 항복강도의 40% 미만의 잔류응력이 예측되어 규격 열처리 조건의 적합성을 확인할 수 있었다. 따라서 Case 2부터 Case 4까지의 조건에서 열처리 조건을 선정이 가능하다. 해당 범위 내에서 최적 열처리 조건 선정 시에는 기계적 특성 및 전도도 특성을 용도에 맞게 고려하여야 한다. WJ Hwang에 따르면 금속적층공정으로 제작된 알루미늄 합금은 열처리 온도가 높아짐에 따라 강도는 감소하고 연신율은 증가하고 전기적 특성은 열처리 온도를 상승시킬수록 전기전도도는 점점 향상되는 경향을 보고하였다[1].  이러한 결과를 바탕으로 사용자는 시뮬레이션을 통해 잔류응력을 해소시킬 수 있는 열처리 온도 범위를 선정하여 부품의 요구사항에 따라 선택적으로 활용할 수 있다. 

그림 13. Z-Axis Deformation Results according to Heat Treatment Conditions

 
그림 14. Residual Stress Results according to Heat Treatment Conditions

 
그림 15. Deformation and Residual Stress Results according to Heat Treatment Conditions
 
 
그림 16. Mechanical/Electrical Properties according to Heat Treatment Conditions[1]

 
맺음말

본 기사에서는 L-PBF 방식의 금속적층공정에 대해 ANSYS Workbench Additive를 활용하여 Cantilever 모델의 Creep 물성 적용 열처리 조건 최적화를 진행하였다. 규격 열처리 조건을 포함하여 온도에 따라 총 5 Case의 시뮬레이션을 수행하였고 열처리 온도가 높아짐에 따라 잔류응력과 잔류응력에 의한 변형이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 결과, 규격 열처리 범위 내의 Case에서 적합성을 확인할 수 있었다. 실제 사용자는 열처리 조건 최적화에 있어 시뮬레이션을 통해 잔류응력을 해소할 수 있는 열처리 최적 조건의 범위를 선정하고 기계적이나 열, 전기적 등의 특성을 고려하여 부품의 요구사항에 맞게 최적조건을 선정하는 것이 중요하다. 
결론적으로 금속적층제조품은 부품의 형상, 적층제조 장비, 재료에 따라 부품에 누적되는 변형량이 다르고 이에 따른 잔류응력 분포가 다르므로 열처리 조건을 시뮬레이션을 통해 최적화하는 것이 유리하다. ANSYS Workbench Additive를 활용하면 열처리 해석 과정에서 Creep 물성을 적용하여 보다 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있고 실제 공정에 적용하기 전, 빠르고 효과적으로 열처리 최적화 조건을 찾을 수 있다는 것을 본 기사에서 다룬 Cantilever 모델의 열처리 최적화 과정을 통해 소개하였다.