Multiscale.sim을 이용한 Lattice 형상 재료 라이브러리 구축하기

Introduction

컴퓨터 기술을 핵심으로 한 디지털 기술의 접목은 다양한 사물의 제조 과정에서 속도를 높이고 있다. 독일에서는 2011년 세계 최초로 Industry 4.0이라는 국가 프로젝트가 시작되었고, 모든 국가가 이를 따르고 있다. 모든 국가를 통틀어 거의 공통적으로 나타나는 가장 대표적인 아이디어는 IoT 기술이지만, 또 하나 떠오르는 중요한 키워드는 고객 맞춤형 제품이다. 즉, 맞춤형 제품을 저렴한 비용으로 대량으로 생산하는 방법에 대한 연구가 활발하며, 3D 프린터가 주목받고 있다. 3D 프린터로 제작된 맞춤형 제품들은 대부분 내부구조가 Lattice 형상을 이루고 있다. 이에 따라서 이러한 제품들의 신뢰성을 확인하기 위해서는 Lattice 구조에 따른 구조적 특성을 파악 해야하며, 이를 쉽게 파악할 수 있게 도와줄 수 있는 Tool이 바로 Multiscale.Sim이다.

Multiscale.Sim 소개

Ansys의 Elite Channer Partner중 CYBERNET SYSTEMS에서 개발한 Multiscale.Sim은 복합재료의 특성 및 미세 패턴을 가지고 있는 구조물의 특성을 분석하기 위한 다재 다능하고 사용하기 쉬운 제품이며, Ansys Workbench 환경에서 사용 가능하다. Multiscale.Sim은 균질화 방법에 기반한 분석적 접근 방식을 사용하여 가상 재료 실험을 수행하고 다양한 변형 모드에서의 거시적 재료 응답으로 부터 이방성 재료 상수를 식별할 수 있다. 특히 다양한 유형의 비선형 문제(Creep, Viscoelastic, Plastic, Hyperelastic)에 대해서 확인할 수 있는 부분이 강력한 장점이다. 또한 Multiscale.Sim은 독립 실행형 도구로서 재료 설계를 용이하게 하는 데 매우 강력하며 다양한 Ansys 솔루션과 함께 사용할 때 많은 이점을 제공한다. 이번 호에서는 Ansys 제품 중 재료 라이브러리를 만들 수 있는 GRANTA MI와의 통합에 중점을 둔 분석 방법을 확인한다.

[그림 1]은 분석 기반 재료 시험의 장점과 실제 재료 시험과 가상 재료 시험의 차이점을 설명한다. 실제 재료를 시험하는 것은 시험편의 준비부터 시험결과의 처리까지 많은 비용과 시간이 소모된다. 이방성 특성을 얻으려면 거기다 추가적인 특수 지그가 필요할 수 있다. 평가할 재료 특성이 Creep 또는 Fatigue인 경우 실험 시간은 종종 수 일 또는 수 개월 범위까지 증가한다. 무엇보다도, 재료의 샘플 개수가 증가하면 비용은 그에 비례하여 증가한다. 복합재료의 경우는 첨가하는 Fiber의 형상 및 부피비에 따른 무수히 많은 조합이 가능한데, 이러한 특성을 다 파악하려면 많이 비용이 소모될 수밖에 없다. 하지만 가상 재료 테스트 기술을 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다. Multiscal.Sim은 가상 재료 테스트를 쉽게 접근할 수 있는 강력한 솔루션이다.

[그림1] 실제 재료 실험과 가상 재료 실험의 장단점 비교

[그림2] Multiscale.Sim의 해석 단계별 분석기능

Multiscal.sim은 여러 단계로 구성되며 모든 Ansys 제품과 함께 작동하여 Ansys 사용자라면 누구나 쉽게 사용 가능하다. 각 작업 단계는 [그림 2]에 요약되어 있다. 먼저 마이크로 모델은 모든 방향에서 주기적인 대칭을 갖는 직육면체로 생성된다. 마이크로 모델은 가상 재료 테스트의 정확성에 영향을 주는 가장 중요한 정보이며 신중하게 준비해야 한다. 미세 구조의 복잡성으로 인해 마이크로 모델을 직접 모델링하기는 쉽지 않지만, Multiscale.sim은 마이크로 모델에 대한 Template을 라이브러리로 보유하고 있다. 형상적인 부분뿐만 아니라 가상재료 실험을 위해서는 실제 실험조건을 반영할 수 있는 경계조건의 설정 또한 중요한 부분이다. Multiscale.sim은 경계조건도 자동으로 설정해 주기 때문에 사용자는 이러한 부분을 고려할 필요가 없다. 마지막으로 가상재료 실험을 통하여 구한 응력과 변형률의 관계를 Multiscale.sim은 Curve Fitting을 통하여 이방성 물성정보로 변환하고, Engineering Data 시스템에 자동으로 저장한다.

Lattice 모델 생성

Multiscale.sim은 다양한 마이크로 모델에 대한 Template 라이브러리를 보유하고 있으며, [그림 2]에서 몇몇 Template 형상을 확인 가능하다. 이중 Lattice 형상에 대해서는 아래 [그림 3]과 같이 13가지의 형상을 보유하고 있다. Multiscale.sim의 Template을 이용하여 Lattice 형상을 만들기 위해서는 [그림 4]와 같은 설정이 필요하다. 먼저 [그림 3]의 13가지 형상 중 한가지를 선택한다. 형상을 선택한 후 마이크로 모델의 길이, 너비, 높이를 선택하고, Modeling Type을 선택한다. Modeling Type은 2가지로 전체 부피에서 Lattice가 차지하는 부피비로 설정할 수 있고, Lattice의 지름으로 설정할 수도 있다. 아래 [그림 4]는 2가지 경우에 대한 설정방법 예시를 보여준다. Template 라이브러리에서 보유하지 않은 형상도 사용자가 직접 제작하여 적용할 수 있다. 마지막 옵션은 재료물성 라이브러리를 만들기 위해서 GRANTA MI와 Micro Model에 대한 연동이 필요하고, 이를 Export 기능을 통해서 설정할 수 있다. 추가로 최적의 Lattice 형상을 찾기 위한 최적화 해석을 위해서 Case Study를 위한 Input Parameter를 설정할 수 있다.

[그림 3] Lattice 형상 모델

[그림 4] Lattice 모델 설정창

Lattice 모델 라이브러리 생성

Multiscale.Sim의 Lattice Template을 통하여 생성된 다양한 Lattice 형상의 구조적 특성을 파악하기 위해 Homogenization 해석을 진행한다. Homogenization 해석을 통하여 Lattice의 등가 물성을 추출한다. 이렇게 추출된 등가 물성은 해당 프로젝트 폴더에 mscale_GRANTA.dat 파일로 자동 저장이 된다. 저장된 파일을 메모장으로 열어서 보면 아래 [그림 5]와 같은 정보들이 저장됨을 확인할 수 있다. 저장된 Lattice 형상 별 등가물성 정보는 GRANTA MI에서 Import하여 바로 적용할 수 있다. Import시에는 Multiscale.Sim에서 제공하는 Template 파일을 같이 불러와서 적용해야 한다. Template 파일의 위치는 [그림6]에서 확인가능 하다 GRANTA MI에서 작업하는 창은 아래 [그림 6]과 같다. 이렇게 작업이 완료되면, GRANTA MI에 새로운 재료 라이브러리로 등록이 완료되고, 이를 다른 해석 시에 불러와서 작업할 수 있다. Lattice 형상 별 등가물성을 적용하면, 아래의 [그림 7]과 같이 방향 별, 형상 별 물성 정보들을 그래프 형식으로 추출할 수 있고, 이를 통해서 Lattice의 형상에 따른 특성을 좀더 직관적으로 파악할 수 있다.

[그림 5] mscale_GRANTA.dat 파일 내용

[그림 6] GRANTA MI에서 등가물성 불러오기

[그림 7] GRANTA MI에 저장된 재료 데이터베이스

맺음말

본 호에서는 3D Printing 기술을 통하여 생산된 맞춤형 제품의 신뢰성을 확인하기 위해서 필요한 Lattice형상의 특성을 Multiscale.Sim 제품을 통하여 분석하고 분석된 Lattice 형상 별 구조적 특성을 GRANTA MI와 연동하여 라이브러리로 만들어 활용하는 방법을 설명하였다 이렇게 만들어진 재료물성 라이브러리는 최적의 재료를 선택하거나 설계하는 가이드가 될 수 있다.