Ansys Workbench Additive의 DED Simulation을 활용한
Dwell time 가변에 따른 적층 제조 안정성 개선 방안

 

 

 

Introduction

금속 분말을 기반으로 적층 제조(Additive Manufacturing)를 하는 방식 중 DED(Directed Energy Deposition) 방식은 [그림 1]과 같이 고출력 레이저 빔 등의 고에너지 열원을 금속 표면에 조사하면 순간적으로 용융풀이 생성되는 동시에 금속분말 또는 금속 와이어를 공급되어 실시간으로 적층하는 방식으로써 우리가 잘 알고 있는 용접 방식과도 유사한 공정이다. 

 

그림 1 DED(Direct Energy Deposition) 공정 모식도

 

본 기사에서 다룰 DED 방식은 비교적 정밀도는 낮지만 생산성이 높고, Base Plate(Substrate) 형상의 자유도가 높아 기존 제품에 덧붙이는 작업 및 보수 재생 및 대형 부품 적층 제조 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. DED 방식에서의 공정 최적화는 많은 변수를 고려해야 한다. 그중 [그림 2]에 나타낸 Working Distance(이하 WD)는 장비의 Head 끝단에서 Substrate 까지의 거리를 나타내며, Laser Focus 위치, 분말이 밀집 위치가 일정하게 유지되어야 적층 완료까지 품질이 유지되므로 필수적으로 고려되어야 할 사항이다. 하지만 과열 또는 에너지 부족으로 인하여 일정한 적층 제작물 높이를 구현하지 못하게 된다면 공정 중 품질 불량이 발생한다.

 

 

그림 2 Working Distance(WD)의 정의

 

 

 현업에서 공정상의 WD를 일정하게 유지하기 위하여 쿠폰 단위의 시편을 다수 제작하여 WD를 일정하게 유지할 수 있는 공정 조건을 확보하거나 공정 모니터링 시스템을 구축하여 출력 또는 분말 공급량을 실시간 컨트롤 하여 공정을 제어한다. 하지만 이러한 과정에 금속 분말과 Substrate 비용, 모니터링 시스템 장비 구축비용 등 상당한 비용이 발생하며, 장비 구축 이후에도 공정 최적화를 위한 추가적인 시간과 비용 지출을 감수해야 한다. Ansys Workbench Additive는 이러한 애로 사항을 개선하고자 직관적으로 적층 중 발생하는 온도 변화 및 변형을 사전 예측하여 적층 실패 확률을 줄일 수 있는 DED Simulation을 제공한다. 본 기사에서는 Ansys Workbench를 활용하여 DED 공정에서의 Dwell time을 가변에 따른 적층 온도, 구조 해석 결과를 확인하고 해당 결과를 통해 적층품의 완성까지 실패 확률을 줄일 수 있는 공정 개선 방안을 소개하고자 한다.

 

 

■ Ansys Workbench Additive DED Simulation Process 소개

- AM DED Simulation - Analysis Process

Ansys Workbench Additive에서 DED 적층 공정 해석은 아래 [그림 3]의 프로세스를 수행한다. 먼저 Workbench에서 AM DED Analysis로 Thermal-Structure 구축 후 모델을 입력하고 Mechanical을 차례로 수행한다. AM DED Analysis은 Mechanical 내부에 초보자도 쉽고 실패 없이 적층 시뮬레이션을 구축하도록 가이드하는 AM DED Setup Wizard를 지원한다. 해당 Wizard를 사용하여 모델과 옵션을 설정하고 최종적으로 Heat Method까지 설정하면 자동적으로 시뮬레이션 Tree를 구축한다. 아래에서 DED Process의 설정에 대한 상세 내용에 대해 서술하였다.

 

그림 3. Simulation Process of DED Simulation

 

- AM DED Simulation - Thermal-Structural Analysis System

초기 AM DED Analysis로 적층 공정 해석을 수행하는 경우 [그림 4]와 같이 Default 상태에서는 연성 해석이 포함되지 않지만 수동으로 연성해석 설정이 가능하며, 본 기사에서는 [그림 4]와 같이 열 해석과 구조해석의 연성해석을 통해 적층 제조 장비의 특성을 반영하여 적층 과정 중의 열 거동과 변형량 결과를 도출하였다. DED 해석은 현장 엔지니어를 대상으로 한 거시적인 레벨에서의 적층 공정 해석 퍼포먼스를 구현하며, 이는 거시적인 온도, 변형, 응력을 예측하며, 미시적인 영역에서의 미세조직, Melt pool 모델링 단위의 해석은 제공하지 않는다. 
 

 

 그림 4. AM DED Thermal-Structural Analysis System

- AM DED Simulation - Model Setup

DED 적층 공정 해석은 PBF 적층 공정 해석과 달리 CAD 모델뿐만 아니라 Path가 입력된 G-Code 파일이 필수적으로 준비되어야 한다. G-Code는 좌표와 G00, G01에 각각 해당하는 레이저 On, Off 수준의 단순한 코드만을 인식하며, 적층 속도, 파우더 On, Off 등 상세 내용은 인식이 불가하다. 본 기사에서는 아래 [그림 5]와 같이 5x5x10mm Cube 형상과 해당 영역에 Contour Path 1회, Infill Path를 각 층마다 90도 Tilt하여 G-Code를 제작하여 해석에 반영하였다. 

 

 

그림 5. Cube(5x5x10mm) Model and G-Code image.

 

- AM DED Simulation - Heat Method

DED 적층 공정 해석에서 Heat Application은 2가지로 나뉜다. 첫번째는 Temperature-based Heat Generate, 두번째는 Power-based Heat Generate이다. Temperature-based Heat Generate로 설정하는 경우 이상적인 적층 상황을 가정한다. 상세하게 설명하면 첫번째로 적층 중 Lack of Fusion이 발생하지 않는다는 점과 두번째로 과열이 발생하지 않아 Keyholing이 발생하지 않는다는 점을 가정한다는 것이다. Power-based Heat Generate의 경우 열원 데이터는 아래 [그림 6] Heat generation load(HGEN)으로 정의되는 식에 의해 인가되며, 열원의 Power, Absorptivity, Deposition Rate, Thermal Calibration 값에 영향을 받는다. 본 기사에서는 공정 조건에 따른 열적 거동과 변형 거동을 분석해야 하므로 이상적인 공정 상황을 가정해야 하는 Temperature-based Heat Generate 대신 Power-based Heat Generate를 활용하여 시뮬레이션 한다.

 

그림 6. Heat generation load 수식

- AM DED Simulation - Materials

DED 적층 공정 해석에서도 PBF 적층 공정 해석과 마찬가지로 Ansys Workbench Additive에서 제공하는 아래 [그림 7]과 같은 17-4PH, SUS 316, AlSi10Mg, AlSi7Mg, Co-Cr, Inconel 625, Inconel 718, Ti64의 금속 적층 소재 8가지를 활용할 수 있으며 본 기사에서는 STS 316 소재를 활용하여 전체 해석 과정을 수행하였다. 

 

그림 7. Additive Manufacturing Material Properties in Ansys Workbench

 

■ DED Simulation을 활용한 적층 해석 수행

- AM DED Process Wizard를 활용한 해석 Setup

Mechanical에서 DED Process Wizard를 아래 [그림 8]과 같은 화면이 나타나고 각 항목에 맞도록 옵션을 설정해야 한다. 먼저 Geometry의 Part는 [그림 5]의 5x5x10 mm Cube모델을 활용하고, Base는 10x10x5 mm를 생성하였다. Mesh는 Cartesian Type으로 Build Element는 0.5 mm, Base Element는 1 mm로 설정하였다. G-Code는 동일 체적으로 Contour Path 1회, Infill Path를 각 층마다 90도 tilt 하여 제작해 반영하였다. Cluster Volume은 0.5 mm3 로 설정하였으며, 소재는 STS 316소재를 해석 옵션에서 설정하였다.

 

 

그림 8. DED Simulation Setting 

 

 

다음으로 Material Deposition Rate는 30 mm3/sec로 셋업 하였으며, 이는 0.5 mm(Layer thickness) x 1 mm(Weld width) x 60 mm/sec(Deposition speed)의 수식이 반영된 설정 값이다. Heating Method는 [그림 9]와 같이 Power Based로 선택하여 Power는 400W에 Absorptivity는 0.2로 설정하였다. 해당 조건은 상용 조건이 아니며, 적층 경향을 돋보이도록 가혹하게 설정된 조건임을 명시한다.

 

그림 9. Heat Method Setting

 

 

가변 조건으로는 Dwell time은 0~2 sec 내에서 0.5 sec 단위로 5 Case 해석을 수행하였고, 설정 값은 [그림 10]의 Cluster Settings에서 설정할 수 있다.

 

 

그림 10. Dwell Time Setting & 가변 조건

 

- 해석 결과

Temperature 시뮬레이션은 G-Code의 좌표대로 Contour 우선, Infill 후 진행으로 애니메이션 확인이 가능하며, Line 적층은 Cluster 단위로 시뮬레이션 된다. 아래 [그림 11]은 Case 1(Dwell Time: 0 sec) 해석 상황에서 해석 애니메이션을 순차적으로 포착한 자료이며, 10 layer 이상에서 700°C 이상의 열영향을 받는다. 이는 STS316 소재의 재결정 온도 726°C를 상회할 가능성이 있으며, Heat Ratcheting 발생 또는 상부/하부의 물성 차이를 야기한다. 또한 오버 히팅 발생으로 인해 본 기사의 초반에 다룬 Working Distance(WD)의 변화가 발생해 적층 실패 및 품질 불량을 야기할 수 있다.

 

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

 

 

 

따라서 이러한 열영향을 사전에 예측하기 위하여 Dwell Time을 가변 변수로 해석을 수행하였으며, 결과는 아래 [그림 12]와 같다. Case 1~5 순서대로 적층 종료 직전의 Last Layer의 Average Temperature가 감소하는 것을 확인하였고, Dwell time 1초 이후의 해석 결과는 전체 열영향부가 600°C 이하로 확인하였다. 

 

그림 12. Simulation Result - Temperature by Dwell Time Variation

 

 

아래 [그림 13]과 같이 Equivalent Elastic Strain 해석 결과 1 Layer의 모서리 부가 비교적 취약함을 확인하였고, Dwell Time이 증가함에 따라 Strain 값이 감소되는 경향을 확인하였다. 본 모델에서 파단에 이를 정도의 변형량을 보이지 않았지만 시편의 Size, 공정 조건에 따라 변형량이 증가할 것으로 예상되며, 이를 통해 향후 파단에 취약한 위치와 파단을 예방하기 위한 공정 조건을 확보하는 방안으로 활용 가능하겠다.

 

그림 13. Simulation Result - Equivalent Elastic Strain by Dwell Time Variation

 

 

 

따라서 아래 [그림 14]와 같이 Dwell Time의 증가에 따라 Temperature, 변형량이 안정적으로 바뀌는 경향을 확인하였고, 이러한 경향은 최종 WD의 일정한 거리 유지 및 크랙 및 파단에 대한 대비가 가능하므로 적층 안정성을 높이는데 효과가 있겠다.

 

 
그림 14. Simulation Result Graph by Dwell Time Variation

 

맺음말

본 기사에서는 DED 방식의 금속 적층 공정에 대해 열/구조 해석 수행을 제공하는 ANSYS Workbench Additive의 DED Simulation 소개 및 본 소프트웨어를 활용하여 STS 316 소재 Cube(5x5x10mm) 모델의 적층 안정성 개선 방안에 대하여 논하였다. 본 기사에서 Dwell Time 증가에 따라 적층품의 최종 Layer에서의 Temperature가 낮아지는 경향을 보였고, 이때 Dwell Time 1 sec 이상에서 전체 열 영향부가 500°C 이하로 유지되는 안정적인 공정이 가능할 것으로 예상된다. 또한 Equivalent Elastic Strain 결과로 말미암아 형상 변경에 따라 적층품의 파단에 취약한 위치를 예상할 수 있었고, Dwell time의 증가에 따라 Strain 값이 완화되는 것이 확인되므로 향후 파단을 예방할 수 있는 Dwell Time 조건을 추적할 수 있을 것으로 사료된다. 이를 바탕으로 ANSYS Workbench Additive의 DED Simulation이 기존의 공정 파라미터 안정화 방법과 실시간 모니터링 시스템 적용 대비 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 새로운 방안이 될 수 있기를 기대해 본다.